The Potential for Energy Extraction from Flutter

Abstract

The power generated by the movement of the Earth’s atmosphere is estimated to be hundreds of terrawatts. As a result, there has been particular interest in wind power generation. The high cost-factor, requirement for large towers, noise concerns, threat to birds of horizontalaxis wind turbines, along with basic engineering curiosity, have motivated the development of flapping (reciprocating) mechanisms to extract energy from the wind. The focus of this research is on alternative sustainable energy extraction from reciprocating oscillating airfoils, since there is energy available to be extracted from the flow through flutter induced Limit Cycle Oscillations (LCOs). Flutter is an aeroelastic dynamic phenomenon generally resulting from the loss of stability about an equilibrium point. The amount of energy extractable by a reciprocating device depends on its aeroelastic response, and on the underlying physical tenets of the flutter. Indeed different flutter types exist, specifically coupled and stall. The difference in behaviour between both types of flutter is still not well understood, specifically in the non-linear regime. Due to the non-linear behaviour of stall flutter, and LCOs in general, analytical solutions are limited. Therefore, studies exploring LCO behaviour due to flutter are for the most part limited to experimental investigations. The study in this thesis investigates the energy extraction potential and aeroelastic response of stall flutter and coupled flutter induced LCOs. Experiments were conducted using the aeroelastic rig located at the large recirculating wind tunnel at RMC. The responses from two different elastic axis locations were recorded, with varying frequency ratios and increasing Reynolds numbers for each. The steady state LCO responses in pitch and heave were recorded using rotary potentiometers. The highest efficiency values were found to be produced by coupled flutter induced LCOs. Although further investigation is required, the results suggest that the degree of structural coupling between two degrees of freedom influences the aerodynamic efficiency of a reciprocating device. Both types of flutter produced LCO trends that varied with frequency ratio. Both types of flutter induced LCOs also produced well-behaved oscillations for certain configurations which resembled Simple Harmonic Motion (SHM). For frequency ratios away from one, the two-degree-of-freedom stall flutter induced LCO response closely follows the onedegree- of-freedom case. For these cases, the pitch motion drives the heave motion. Stall flutter LCO responses for frequency ratios close to one experienced a resonance-like phenomenon resembling lock-in phenomenon.

L’énergie générée par le mouvement de l'atmosphère terrestre est estimée d’être en centaines de terrawatts. En conséquence, la production d'énergie éolienne a suscité un intérêt particulier. Le facteur de coût élevé, la nécessité de hautes tours, les problèmes de bruit, la menace pour les oiseaux des éoliennes à axe horizontal, ainsi qu’une curiosité en ingénierie, ont motivé le développement des éoliennes alternatives. Cette recherche se concentre sur l'extraction d'énergie à partir de profils aérodynamiques en mouvement oscillants alternatifs, car il y a de l’énergie disponible pour être extraite de l’écoulement à travers les oscillations à cycle limite (LCO) induits par le flottement. Le flottement est un phénomène aéroélastique résultant généralement de la perte de stabilité autour d’un point d’équilibre. La quantité d’énergie extractible par une éolienne alternative dépend de sa réponse aéroélastique, et sur les principes physiques sous-jacents du flottement. Deux types de flottement existent, précisément le flottement par couplage et le flottement de décrochage. La différence entre les deux types de flottement n’est pas encore bien comprise, particulièrement dans le régime non linéaire. Les solutions analytiques pour les LCO induits par le flottement sont limitées, en raison du comportement non-linéaire inhérent. Par conséquent, les études explorant le comportement des LCO dues au flottement sont limitées à des investigations expérimentales pour la plupart. L’investigation menée dans cette thèse entrevoit le potentiel d’extraction d’énergie et le comportement aéroélastique des LCO induites par le flottement par couplage et le flottement de décrochage. Des expériences ont été menées dans la grande soufflerie à recirculation du CMR. Les réponses provenant de deux emplacements d’axes élastiques différents ont été notées, avec des rapports de fréquence et des nombres de Reynolds variables pour chacun. Les réponses du tangage et du pilonnement de LCO ont été enregistrées à l’aide de potentiomètres rotatifs. Les valeurs d’efficacité les plus élevées se sont révélées être produites par des LCO induites par flottement couplés. Plus d’études sont nécessaires, mais les résultats préliminaires suggèrent que le degré de couplage structural entre deux degrés de liberté influence l’efficacité aérodynamique d’une éolienne alternative. Les deux types de flottement ont produit des tendances de LCO variant avec le rapport de fréquence. Les deux types de LCO induits par le flottement produisaient également des oscillations qui se comportaient bien pour certaines configurations qui ressemblaient des oscillations harmoniques. Pour les rapports de fréquence qui n’égalent pas un, la réponse LCO de flottement de décrochage à deux degrés de liberté ressemble au comportement produit par un degré de liberté. Pour ces cas, le mouvement de tangage entraîne le mouvement de pilonnement. Les réponses LCO du flottement de décrochage pour des rapports de fréquence proches d’un ont présenté un phénomène de résonance ressemblant à un phénomène d’accrochage.