Analysis and Optimization of Leading Edge Tubercles on Vertical Axis Wind Turbines

Abstract

Vertical axis wind turbines (VAWT) are omnidirectional and can extract energy from the wind without requiring a yaw system. This simplifies the turbine design, making it suitable for remote areas and reduces maintenance. They also perform well in turbulent flow, allowing them to be built in dense wind farms or urban areas. With an axis of rotation perpendicular to the wind, there is an advancing and retreating blade, with a high range of angles of attack, often into the post-stall regime. The cyclic nature of VAWTs, resulting in compressive and tensile stresses throughout each rotation, presents structural fatigue as another challenge. Tubercles are bio-inspired rounded leading-edge protuberances that act as passive flow control devices. They have been shown to improve post-stall performance by delaying flow separation with a gradual loss of lift post-stall and reducing the size of the dynamic stall lift hysteresis, thereby improving aerodynamic efficiency in this region. This thesis explores the application of tubercles to the leading edge of VAWT blades. An experimental aerodynamic database of six different tubercle leading edge shapes was used with a double-multiple streamtube model (DMSTM) to determine performance improvements and their sources when applied to VAWTs compared to a baseline straight leading edge blade. This DMSTM analysis was then coupled with a multi-objective optimization algorithm to maximize wind speed probability-weighted average power output and a fatigue life indicator by varying rotational rate and tubercle shape along the leading edge of the blades. Design trade-offs between wind speed probability-weighted average power output and fatigue life indicator are shown for a small scaled H-type VAWT application. The best-performing design yielded increases in wind speed probability-weighted average power output and fatigue life indicator of 19% and 14%, respectively, compared to the unmodified baseline blade. An alternate design resulted in a 34% increase in wind speed probability-weighted average fatigue life indicator without sacrificing power output. To confirm these findings, an experimental VAWT rig was developed and commissioned, and preliminary results are also presented.

Les éoliennes à axe vertical (EAV) sont omnidirectionnelles et peuvent extraire l'énergie du vent sans nécessiter de système d'orientation. Cela simplifie l'éolienne, la rendant adaptée aux régions isolées et réduisant les besoins en maintenance. Elles fonctionnent également bien dans les flux turbulents, ce qui permet de les installer dans des parcs éoliens denses ou des zones urbaines. Avec un axe de rotation perpendiculaire au vent, il existe un côté avançant et un côté reculant, avec une large gamme d'angles d'attaque, souvent dans le régime post-décrochage. La nature cyclique des EAV, qui entraîne des contraintes de compression et de traction à chaque rotation, présente la fatigue structurelle comme un autre défi. Les tubercules sont des protubérances arrondies inspirées de la biologie qui agissent comme des dispositifs passifs de contrôle du flux. Il a été démontré qu'elles améliorent les performances post-décrochage en retardant la séparation du flux avec une perte progressive de portance post-décrochage et en réduisant la taille de l'hystérésis de portance causée par le décrochage dynamique, améliorant ainsi l'efficacité aérodynamique dans ce régime. Cette thèse explore l'application des tubercules au bord d'attaque des pales des EAV. Une base de données aérodynamiques expérimentales de six formes différentes de tubercules sur le bord d'attaque a été utilisée avec un modèle à double tube à flux multiples (MDTFM) afin de déterminer les améliorations de performances et leurs sources lorsqu'ils sont appliqués à des EAV par rapport à une pale de référence à bord d'attaque droit. Cette analyse MDTFM a ensuite été couplée à un algorithme d'optimisation multi-objectifs afin de maximiser la puissance moyenne pondérée par la probabilité de vitesse du vent et un indicateur de durée de vie en fatigue en faisant varier la vitesse de rotation et la forme des tubercules le long du bord d'attaque des pales. Les compromis de conception entre la puissance moyenne pondérée par la probabilité de vitesse du vent et l'indicateur de durée de vie en fatigue sont présentés pour une application EAV à petite échelle. Le design le plus performant a permis d'obtenir une augmentation de 19% en la puissance moyenne pondérée par la probabilité de vitesse du vent et de 14% en l'indicateur de durée de vie en fatigue moyenne pondérée par la probabilité de vitesse du vent, par rapport à la pale de référence non modifiée. Un autre design a permis d'obtenir une augmentation de 34% en l'indicateur de durée de vie en fatigue moyenne pondérée par la probabilité de vitesse du vent sans sacrifier la puissance de sortie. Afin de confirmer ces résultats, un banc d'essai expérimental pour EAV a été développé et mis en service, et les résultats préliminaires sont également présentés.