FLOW CONTROL OVER VERTICAL AXIS WIND TURBINE BLADES FOR PERFORMANCE ENHANCEMENT. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Phd Dissertation Toor_g201806480.pdf Restricted to Repository staff only until 14 June 2024. Download (6MB)

Arabic Abstract

يعد مصدر الطاقة المتجددة الهائل مثل طاقة الرياح ضروريًا لتقليل اعتمادنا على الوقود الأحفوري والتخفيف من خطر انبعاثات الكربون على البيئة. ومع ذلك ، فإن توربينات الرياح ذات المحور الرأسي كانت تقليديًا أقل كفاءة من توربينات الرياح ذات المحور الأفقي. تقدم هذه الأطروحة جهازًا جديدًا للتحكم في التدفق لتحسين كفاءة. بالإضافة إلى ذلك ، تم أيضًا تطوير خارطة طريق شاملة لتصميم فعال يعتمد على ظروف الرياح المحلية. تم تحليل الديناميكا الهوائية لشفرة باستخدام الطرق التحليلية والرقمية والتجريبية لاقتراح جهاز تحكم سلبي في التدفق لتحسين أدائها. تعد المعرفة الدقيقة بالسلوك الديناميكي الهوائي لقسم الشفرة أمرًا ضروريًا لتصميم شفرات فعالة. تم الحصول على القطبين الديناميكيين الهوائي للجناح NACA 0022 من خلال اختبار نفق الرياح الثابت والديناميكي ، والذي أظهر أنه متفوق على الجنيحات الأخرى نظرًا لخصائصه الأفضل في الكشك ولحظته الأعلى. تم إنشاء عملية تصميم توربينات الرياح من خلال تحليل بيانات الرياح الخاصة بالظهران لتحديد متطلبات التصميم. تم تنفيذ التصميم الأولي باستخدام الأساليب التحليلية ، وتم تنفيذ التصميم التفصيلي باستخدام ديناميكيات السوائل الحسابية. تم فحص تأثير ارتفاع الشفرة ، وطول وتر النصل ، وعدد الشفرات ، وقطر الجزء المتحرك ، ووجد أن ذات 3 شفرات بطول 1 متر وطول الوتر 0.2 متر هي الأمثل لظروف الرياح المحلية. تم تصنيع توربينات الرياح واختبارها معملياً وميدانياً. قدمت الاختبارات المعملية أساسًا للأداء للتحقق من صحة التقنيات العددية ، بينما قام الاختبار الميداني بتقييم خصائص بدء التوربين وتشغيله في ظروف العالم الحقيقي. بالإضافة إلى ذلك ، تم اقتراح جهاز جديد للتحكم في التدفق ، وهو الأسطوانة الرائدة ، وتحليله لحجمه وموضعه الأمثل. تم العثور على أن LECs يمكنها تأخير بدء المماطلة وتحسين أداء VAWTs بنسبة تصل إلى 13٪. يمكن تكييف عملية التصميم الشاملة المقترحة وجهاز التحكم السلبي في التدفق مع المواقع المختلفة وظروف الرياح ، وبالتالي تطوير تصميم وأداء.

English Abstract

Renewable energy sources, such as wind energy, are essential to reduce our reliance on fossil fuels and mitigate the threat of carbon emissions to the environment. However, Vertical-Axis Wind Turbines (VAWTs) have traditionally been less efficient than horizontal-axis wind turbines (HAWTs). This thesis presents a novel flow control device to improve the efficiency of VAWTs. In addition, a comprehensive roadmap for designing an efficient VAWT based on local wind conditions is also developed. The aerodynamics of VAWT blade were analyzed using analytical, numerical, and experimental methods to propose a passive flow control device for enhancing their performance. An accurate knowledge of the aerodynamic behavior of the airfoil is necessary to design efficient VAWT blades. The aerodynamic polars of the NACA 0022 airfoil were obtained through static and dynamic wind tunnel testing, which showed it to be superior to other airfoils due to its better stall characteristics and higher moment. The wind turbine design process was established by analyzing the wind data for Dhahran to determine the design requirements. A preliminary design was carried out using analytical methods, and the detailed design was performed using computational fluid dynamics (CFD). The effect of blade height, blade chord length, number of blades, and rotor diameter were investigated, and a 3-bladed VAWT with a blade length of 1m and a chord length of 0.2m was found to be optimal for the local wind conditions. The wind turbine was fabricated and subjected to laboratory and field testing. The laboratory testing provided a performance baseline for validating numerical techniques, while the field testing evaluated the turbine's starting and operational characteristics in real-world conditions. In addition, a novel flow control device, the Leading Edge Cylinder (LEC), was proposed and analyzed for its optimum size and placement. It was found that LECs can delay stall onset and improve the performance of VAWTs by up to 13%. The proposed comprehensive design process and passive flow control device can be adapted to different locations and wind conditions, thus advancing the design and performance of VAWTs.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Bahaidarah, Haitham M.S
Committee Co-Advisor:	Rahman, Shafiqur
Committee Members:	ZUBAIR, SYED M. and Mokheimer, Esmail M. A. and Al-Sarkhi, Abdelsalam
Depositing User:	ZAKRIA TOOR (g201806480)
Date Deposited:	15 Jun 2023 06:44
Last Modified:	15 Jun 2023 06:44
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142434