Hydrodynamic theory for a flexible profile vertical axis turbine

Abstract

A novel vertical axis turbine with flexible profiles was designed and previously tested on-site in a river channel. The turbine design was based on initial simplified mathematical analyses and model testing done to optimize turbine interactions with the surrounding hydrodynamic environment. A study has been performed to evaluate several analytical models with respect to their complexity, accuracy, and computational time. The Cascade model was considered overall best suited for further analytical studies and optimizing the design of the flexible profile turbine. Herein, the original Cascade model was combined with improved dynamic stall effects, flow curvature effects, and profile pitching. After such improvements, the current model becomes comparable with those used for complex computational fluid dynamic analysis, but does not require significant computational time and expense. Hence, the model proposed in this study can be used for rapid assessment of field-and lab-based experiments and the design optimization process to improve turbine function and design in different environments.

Новая вертикальная осевая турбина с гибкими профилями была разработана и предварительно протестирована непосредственно в русле реки. Дизайн турбины базировался на предварительном упрощенном математическом анализе и тестировании модели для оптимизации взаимодействия турбины с окружающей гидродинамической средой. Проведена оценка нескольких аналитических моделей с точки зрения их сложности, точности и расчетного времени. Наиболее подходящей для дальнейших аналитических исследований и оптимизации конструкции гибкого профиля турбины признана каскадная модель. В данном случае оригинальная каскадная модель сочеталась с улучшенными эффектами динамического срыва, кривизны потока, изменением угла профиля. После таких улучшений настоящая модель становится сравнимой с теми, что используются для комплексного расчетного анализа динамики потока, но не требует значительных расчетного времени и расходов. Таким образом, модель, предложенная в данном исследовании, может быть использована для быстрой оценки экспериментов в лабораторных условиях и условиях эксплуатации, а также процесса оптимизации дизайна для улучшения функции и конструкции турбины в различных окружающих средах.

Нова вертикальна осьова турбіна з гнучкими профілями була розроблена і попередньо протестована безпосередньо в руслі річки. Дизайн турбіни базувався на попередньому спрощеному математичному аналізі та тестуванні моделі для оптимізації взаємодії турбіни з навколишнім гідродинамічним середовищем. Проведена оцінка декількох аналітичних моделей з точки зору їх складності , точності та розрахункового часу. Найбільш відповідною для подальших аналітичних досліджень та оптимізації конструкції гнучкого профілю турбіни визнана каскадна модель. У даному випадку оригінальна каскадна модель поєднувалася з поліпшеними ефектами динамічного зриву, кривизни потоку, зміною кута профілю. Після таких поліпшень теперішня модель стає порівнянною з тими, що використовуються для комплексного розрахункового аналізу динаміки потоку, але не вимагає значних розрахункового часу і витрат. Таким чином, модель, що запропонована в даному дослідженні, можна використовувати для швидкої оцінки експериментів у лабораторних умовах і умовах експлуатації, а також процесу оптимізації дизайну для поліпшення функції і конструкції турбіни в різних навколишніх середовищах.