This thesis introduces a design optimization methodology that is based on minimizing the Cost of Energy (COE) of a Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT) that is to be operated at a specific wind site. In the design methodology for the calculation of the Cost of Energy, the Annual Energy Production (AEP) model to calculate the total energy generated by a unit wind turbine throughout a year and the total cost of that turbine are used. The AEP is calculated using the Blade Element Momentum (BEM) theory for wind turbine power and the Weibull distribution for the wind speed characteristics of selected wind sites. For the blade profile sections, either the S809 airfoil profile for all spanwise locations is used or NREL S-series airfoil families, which have different airfoil profiles for different spanwise sections, are used,. Lift and drag coefficients of these airfoils are obtained by performing computational fluid dynamics analyses. In sample design optimization studies, three different wind sites that have different wind speed characteristics are selected. Three scenarios are generated to present the effect of the airfoil shape as well as the turbine power. For each scenario, design optimizations of the reference wind turbines for the selected wind sites are performed the Cost of Energy and Annual Energy Production values are compared.

This thesis presents an aerodynamic shape optimization methodology for rotor blades of horizontal axis wind turbines. Genetic Algorithm and Blade Element Momentum Theory are implemented in order to find maximum power production at a specific wind speed, rotor speed and rotor diameter. The potential flow solver, XFOIL, provides viscous aerodynamic data of the airfoils. Optimization variables are selected as the sectional chord length, the sectional twist and the blade profiles at root, mid and tip regions of the blade. The blade sections are defined by the NACA four digit airfoil series or arbitrary airfoil profiles defined by a Bezier curve. Firstly, validation studies are performed with the airfoils and the wind turbines having experimental data. Then, optimization studies are performed on the existing wind turbines. Finally, design optimization applications are carried out for a 1 MWwind turbine.

O experimento Unsteady Aerodynamics Experiment Phase VI, realizado no ano de 2000 pelo Laboratório Nacional norte-americano para as Energias Renováveis (NREL) no túnel de vento Ames da NASA, foi reproduzido numericamente neste trabalho. O objetivo é o estudo das características da esteira aerodinâmica produzida pela turbina eólica de duas pás e 10 metros de diâmetro, operando à velocidade de rotação constante de 72 RPM, sujeita a uma velocidade de corrente livre do vento uniforme de 9 m/s, em um túnel de vento cuja seção de testes mede 36,6 m de largura por 24,4 m de altura e o comprimento mede 170 m. Para isso, foi utilizado o programa comercial ANSYS FLUENT versão 13.0, baseado no Método dos Volumes Finitos para a solução numérica das Equações de Navier-Stokes em regime transiente em conjunto com a Simulação de Grandes Escalas (SGE) para resolver a turbulência. As geometrias de todos os componentes da máquina foram criadas em software CAD. Um domínio móvel em forma de disco, contendo as pás do rotor e o hub da máquina, foi criado separadamente, e posteriormente inserido no domínio principal, estático, usando a ferramenta Moving Mesh disponível no software FLUENT. Ambos os domínios foram preenchidos por malhas compostas por tetraedros. Dados provenientes das simulações numéricas foram comparados aos dados experimentais de velocidade fornecidos por dois anemômetros sônicos instalados 5,8 m à jusante do rotor, ao que foi verificada boa concordância, com diferenças da ordem de 1% para o anemômetro 1 e 6% para o anemômetro 2. Resultados de velocidade na linha de centro do túnel e perfis de velocidade à jusante foram comparados com recente estudo numérico, e revelam diferenças importantes entre dados obtidos pela SGE, principalmente no que se refere à detecção de picos e flutuações relacionados às escalas turbulentas, e dados obtidos através da modelagem clássica da turbulência, RANS. As perturbações ultrapassaram a marca dos 10 diâmetros à jusante e atingiram o final do domínio localizado a 15 diâmetros. A esteira não apresentou simetria axial, e o ponto de maior redução na velocidade do escoamento foi detectado fora da linha de centro do rotor. / The Unsteady Aerodynamics Experiment Phase VI, which has been carried out in 2000 by the US National Renewable Energy Laboratory (NREL) at the NASA Ames wind tunnel, has been numerically reproduced. The purpose of this work is to study the characteristics of the wind wake produced by the 10 meter two bladed wind turbine, operating at a constant rotational speed of 72 RPM, subject to a free stream wind velocity of 9 m/s, inside a wind tunnel in which dimensions are 36.6 m in width, 24.4 m in height and length of 170 m. To achieve that, the ANSYS FLUENT version 13.0 commercial code, based in the Finite Volume Method to numerically solve the Navier-Stokes equations in transient state, has been used, together with the Large Eddy Simulation (LES) to characterize the turbulence. Geometries of all the machine components have been created in CAD software. A disc shaped moving domain, containing the blades and hub, has been created separately, and later inserted into the main, static domain, using the Moving Mesh tool available in the software. Both domains have been filled with meshes composed by tetrahedra. Data collected at the numerical simulations have been compared to experimental wind speed data provided by two sonic anemometers installed 5.8 m downstream from the rotor, for which a good agreement has been found, with differences of approximately 1% to the anemometer 1 and 6% to the anemometer 2. Results of wind velocity at the tunnel centerline and velocity profiles downstream have been compared with recent numerical study, and show important differences between data obtained by LES, especially with regard to the detection of peaks and fluctuations related to the turbulent scales, and data obtained by the classic turbulence modeling, RANS. Disturbances have passed the 10 diameter mark and reached the end at the domain located at 15 diameters. The wake did not show axial symmetry and the point of maximum reduction in the flow speed was detected outside the rotor centerline.

O presente trabalho realiza um estudo do desempenho aerodinâmico da turbina eólica de duas pás e 10 m de diâmetro da UAE Phase VI, testada pelo NREL no túnel de vento NASA Ames, através do uso de dinâmica dos fluidos computacional (CFD). Para tanto são apresentados conceitos fundamentais para análise da performance do aerogerador, a metodologia aplicada para a análise numérica e os resultados obtidos. O modelo geométrico da turbina foi inserido em ambiente computacional num domínio com as mesmas dimensões da seção de testes do túnel de vento. A esse domínio foi empregada uma malha de elementos tetraédricos. A modelagem numérica e as simulações foram efetuadas através do código comercial ANSYS FLUENT 13.0 e utilizaram as equações médias de Reynolds e modelos de turbulência k  SST e Spalart-Allmaras. A turbina simulada possui ângulo de giro (yaw) e de cone de 0°. Os casos simulados foram de turbina com ângulos de passo das pás de 0° e 3°, para velocidades de ar na entrada do domínio de 5 m/s, 7 m/s e 9 m/s. As simulações foram feitas em regime transiente utilizando o método de malha móvel. Dados provenientes da simulação numérica são comparados aos dados experimentais de empuxo, torque e potência, divulgados pelo laboratório. Os modelos de turbulência testados apresentaram boa concordância com os resultados experimentais de empuxo. O torque e a potência foram bem previstos para velocidades de entrada do domínio baixas, mas foram subdimensionados para velocidades mais altas. A separação da camada limite foi prevista por ambos os modelos. Na comparação com resultados obtidos com outros autores para o mesmo caso, o início de descolamento da camada limite se deu antes do previsto. A metodologia adotada nas simulações numéricas realizadas mostrou-se adequada e representativa nas análises desse estudo. / This study makes a CFD analysis of the aerodynamic performance of the NREL UAE Phase VI two-bladed wind turbine, which have been tested in the NASA Ames wind tunnel. Fundamental concepts on the evaluation of turbine performance, the applied methodology for the numerical analysis and the results are presented. A numerical model has been inserted in a computational environment that has the same dimensions as the real wind tunnel section, and a tetrahedral mesh has been created to fill this domain. Numerical modeling and the simulations have been performed using the ANSYS FLUENT 13.0 commercial code, making use of the RANS equations and the k  SST and Spalart-Allmaras turbulence models. The simulated turbine has 0 degrees of cone and yaw angle. Simulations were performed in unsteady state using the moving mesh technique. Results are compared to experimental data regarding to thrust, torque and power. The k  SST and Spalart-Allmaras turbulence models have shown good agreement with experimental values of thrust. Torque and power have been adequately predicted to lower free flow velocities, but have been underpredicted to higher velocities. Separation of the boundary layer has been adequately predicted by both models, but the beginning of the separation occurred earlier than expected in comparison with results of other authors to the same case. The methodology used in the numerical simulations proved to be adequate and representative in this study.

O experimento Unsteady Aerodynamics Experiment Phase VI, realizado no ano de 2000 pelo Laboratório Nacional norte-americano para as Energias Renováveis (NREL) no túnel de vento Ames da NASA, foi reproduzido numericamente neste trabalho. O objetivo é o estudo das características da esteira aerodinâmica produzida pela turbina eólica de duas pás e 10 metros de diâmetro, operando à velocidade de rotação constante de 72 RPM, sujeita a uma velocidade de corrente livre do vento uniforme de 9 m/s, em um túnel de vento cuja seção de testes mede 36,6 m de largura por 24,4 m de altura e o comprimento mede 170 m. Para isso, foi utilizado o programa comercial ANSYS FLUENT versão 13.0, baseado no Método dos Volumes Finitos para a solução numérica das Equações de Navier-Stokes em regime transiente em conjunto com a Simulação de Grandes Escalas (SGE) para resolver a turbulência. As geometrias de todos os componentes da máquina foram criadas em software CAD. Um domínio móvel em forma de disco, contendo as pás do rotor e o hub da máquina, foi criado separadamente, e posteriormente inserido no domínio principal, estático, usando a ferramenta Moving Mesh disponível no software FLUENT. Ambos os domínios foram preenchidos por malhas compostas por tetraedros. Dados provenientes das simulações numéricas foram comparados aos dados experimentais de velocidade fornecidos por dois anemômetros sônicos instalados 5,8 m à jusante do rotor, ao que foi verificada boa concordância, com diferenças da ordem de 1% para o anemômetro 1 e 6% para o anemômetro 2. Resultados de velocidade na linha de centro do túnel e perfis de velocidade à jusante foram comparados com recente estudo numérico, e revelam diferenças importantes entre dados obtidos pela SGE, principalmente no que se refere à detecção de picos e flutuações relacionados às escalas turbulentas, e dados obtidos através da modelagem clássica da turbulência, RANS. As perturbações ultrapassaram a marca dos 10 diâmetros à jusante e atingiram o final do domínio localizado a 15 diâmetros. A esteira não apresentou simetria axial, e o ponto de maior redução na velocidade do escoamento foi detectado fora da linha de centro do rotor. / The Unsteady Aerodynamics Experiment Phase VI, which has been carried out in 2000 by the US National Renewable Energy Laboratory (NREL) at the NASA Ames wind tunnel, has been numerically reproduced. The purpose of this work is to study the characteristics of the wind wake produced by the 10 meter two bladed wind turbine, operating at a constant rotational speed of 72 RPM, subject to a free stream wind velocity of 9 m/s, inside a wind tunnel in which dimensions are 36.6 m in width, 24.4 m in height and length of 170 m. To achieve that, the ANSYS FLUENT version 13.0 commercial code, based in the Finite Volume Method to numerically solve the Navier-Stokes equations in transient state, has been used, together with the Large Eddy Simulation (LES) to characterize the turbulence. Geometries of all the machine components have been created in CAD software. A disc shaped moving domain, containing the blades and hub, has been created separately, and later inserted into the main, static domain, using the Moving Mesh tool available in the software. Both domains have been filled with meshes composed by tetrahedra. Data collected at the numerical simulations have been compared to experimental wind speed data provided by two sonic anemometers installed 5.8 m downstream from the rotor, for which a good agreement has been found, with differences of approximately 1% to the anemometer 1 and 6% to the anemometer 2. Results of wind velocity at the tunnel centerline and velocity profiles downstream have been compared with recent numerical study, and show important differences between data obtained by LES, especially with regard to the detection of peaks and fluctuations related to the turbulent scales, and data obtained by the classic turbulence modeling, RANS. Disturbances have passed the 10 diameter mark and reached the end at the domain located at 15 diameters. The wake did not show axial symmetry and the point of maximum reduction in the flow speed was detected outside the rotor centerline.

O presente trabalho realiza um estudo do desempenho aerodinâmico da turbina eólica de duas pás e 10 m de diâmetro da UAE Phase VI, testada pelo NREL no túnel de vento NASA Ames, através do uso de dinâmica dos fluidos computacional (CFD). Para tanto são apresentados conceitos fundamentais para análise da performance do aerogerador, a metodologia aplicada para a análise numérica e os resultados obtidos. O modelo geométrico da turbina foi inserido em ambiente computacional num domínio com as mesmas dimensões da seção de testes do túnel de vento. A esse domínio foi empregada uma malha de elementos tetraédricos. A modelagem numérica e as simulações foram efetuadas através do código comercial ANSYS FLUENT 13.0 e utilizaram as equações médias de Reynolds e modelos de turbulência k  SST e Spalart-Allmaras. A turbina simulada possui ângulo de giro (yaw) e de cone de 0°. Os casos simulados foram de turbina com ângulos de passo das pás de 0° e 3°, para velocidades de ar na entrada do domínio de 5 m/s, 7 m/s e 9 m/s. As simulações foram feitas em regime transiente utilizando o método de malha móvel. Dados provenientes da simulação numérica são comparados aos dados experimentais de empuxo, torque e potência, divulgados pelo laboratório. Os modelos de turbulência testados apresentaram boa concordância com os resultados experimentais de empuxo. O torque e a potência foram bem previstos para velocidades de entrada do domínio baixas, mas foram subdimensionados para velocidades mais altas. A separação da camada limite foi prevista por ambos os modelos. Na comparação com resultados obtidos com outros autores para o mesmo caso, o início de descolamento da camada limite se deu antes do previsto. A metodologia adotada nas simulações numéricas realizadas mostrou-se adequada e representativa nas análises desse estudo. / This study makes a CFD analysis of the aerodynamic performance of the NREL UAE Phase VI two-bladed wind turbine, which have been tested in the NASA Ames wind tunnel. Fundamental concepts on the evaluation of turbine performance, the applied methodology for the numerical analysis and the results are presented. A numerical model has been inserted in a computational environment that has the same dimensions as the real wind tunnel section, and a tetrahedral mesh has been created to fill this domain. Numerical modeling and the simulations have been performed using the ANSYS FLUENT 13.0 commercial code, making use of the RANS equations and the k  SST and Spalart-Allmaras turbulence models. The simulated turbine has 0 degrees of cone and yaw angle. Simulations were performed in unsteady state using the moving mesh technique. Results are compared to experimental data regarding to thrust, torque and power. The k  SST and Spalart-Allmaras turbulence models have shown good agreement with experimental values of thrust. Torque and power have been adequately predicted to lower free flow velocities, but have been underpredicted to higher velocities. Separation of the boundary layer has been adequately predicted by both models, but the beginning of the separation occurred earlier than expected in comparison with results of other authors to the same case. The methodology used in the numerical simulations proved to be adequate and representative in this study.

O experimento Unsteady Aerodynamics Experiment Phase VI, realizado no ano de 2000 pelo Laboratório Nacional norte-americano para as Energias Renováveis (NREL) no túnel de vento Ames da NASA, foi reproduzido numericamente neste trabalho. O objetivo é o estudo das características da esteira aerodinâmica produzida pela turbina eólica de duas pás e 10 metros de diâmetro, operando à velocidade de rotação constante de 72 RPM, sujeita a uma velocidade de corrente livre do vento uniforme de 9 m/s, em um túnel de vento cuja seção de testes mede 36,6 m de largura por 24,4 m de altura e o comprimento mede 170 m. Para isso, foi utilizado o programa comercial ANSYS FLUENT versão 13.0, baseado no Método dos Volumes Finitos para a solução numérica das Equações de Navier-Stokes em regime transiente em conjunto com a Simulação de Grandes Escalas (SGE) para resolver a turbulência. As geometrias de todos os componentes da máquina foram criadas em software CAD. Um domínio móvel em forma de disco, contendo as pás do rotor e o hub da máquina, foi criado separadamente, e posteriormente inserido no domínio principal, estático, usando a ferramenta Moving Mesh disponível no software FLUENT. Ambos os domínios foram preenchidos por malhas compostas por tetraedros. Dados provenientes das simulações numéricas foram comparados aos dados experimentais de velocidade fornecidos por dois anemômetros sônicos instalados 5,8 m à jusante do rotor, ao que foi verificada boa concordância, com diferenças da ordem de 1% para o anemômetro 1 e 6% para o anemômetro 2. Resultados de velocidade na linha de centro do túnel e perfis de velocidade à jusante foram comparados com recente estudo numérico, e revelam diferenças importantes entre dados obtidos pela SGE, principalmente no que se refere à detecção de picos e flutuações relacionados às escalas turbulentas, e dados obtidos através da modelagem clássica da turbulência, RANS. As perturbações ultrapassaram a marca dos 10 diâmetros à jusante e atingiram o final do domínio localizado a 15 diâmetros. A esteira não apresentou simetria axial, e o ponto de maior redução na velocidade do escoamento foi detectado fora da linha de centro do rotor. / The Unsteady Aerodynamics Experiment Phase VI, which has been carried out in 2000 by the US National Renewable Energy Laboratory (NREL) at the NASA Ames wind tunnel, has been numerically reproduced. The purpose of this work is to study the characteristics of the wind wake produced by the 10 meter two bladed wind turbine, operating at a constant rotational speed of 72 RPM, subject to a free stream wind velocity of 9 m/s, inside a wind tunnel in which dimensions are 36.6 m in width, 24.4 m in height and length of 170 m. To achieve that, the ANSYS FLUENT version 13.0 commercial code, based in the Finite Volume Method to numerically solve the Navier-Stokes equations in transient state, has been used, together with the Large Eddy Simulation (LES) to characterize the turbulence. Geometries of all the machine components have been created in CAD software. A disc shaped moving domain, containing the blades and hub, has been created separately, and later inserted into the main, static domain, using the Moving Mesh tool available in the software. Both domains have been filled with meshes composed by tetrahedra. Data collected at the numerical simulations have been compared to experimental wind speed data provided by two sonic anemometers installed 5.8 m downstream from the rotor, for which a good agreement has been found, with differences of approximately 1% to the anemometer 1 and 6% to the anemometer 2. Results of wind velocity at the tunnel centerline and velocity profiles downstream have been compared with recent numerical study, and show important differences between data obtained by LES, especially with regard to the detection of peaks and fluctuations related to the turbulent scales, and data obtained by the classic turbulence modeling, RANS. Disturbances have passed the 10 diameter mark and reached the end at the domain located at 15 diameters. The wake did not show axial symmetry and the point of maximum reduction in the flow speed was detected outside the rotor centerline.

O presente trabalho realiza um estudo do desempenho aerodinâmico da turbina eólica de duas pás e 10 m de diâmetro da UAE Phase VI, testada pelo NREL no túnel de vento NASA Ames, através do uso de dinâmica dos fluidos computacional (CFD). Para tanto são apresentados conceitos fundamentais para análise da performance do aerogerador, a metodologia aplicada para a análise numérica e os resultados obtidos. O modelo geométrico da turbina foi inserido em ambiente computacional num domínio com as mesmas dimensões da seção de testes do túnel de vento. A esse domínio foi empregada uma malha de elementos tetraédricos. A modelagem numérica e as simulações foram efetuadas através do código comercial ANSYS FLUENT 13.0 e utilizaram as equações médias de Reynolds e modelos de turbulência k  SST e Spalart-Allmaras. A turbina simulada possui ângulo de giro (yaw) e de cone de 0°. Os casos simulados foram de turbina com ângulos de passo das pás de 0° e 3°, para velocidades de ar na entrada do domínio de 5 m/s, 7 m/s e 9 m/s. As simulações foram feitas em regime transiente utilizando o método de malha móvel. Dados provenientes da simulação numérica são comparados aos dados experimentais de empuxo, torque e potência, divulgados pelo laboratório. Os modelos de turbulência testados apresentaram boa concordância com os resultados experimentais de empuxo. O torque e a potência foram bem previstos para velocidades de entrada do domínio baixas, mas foram subdimensionados para velocidades mais altas. A separação da camada limite foi prevista por ambos os modelos. Na comparação com resultados obtidos com outros autores para o mesmo caso, o início de descolamento da camada limite se deu antes do previsto. A metodologia adotada nas simulações numéricas realizadas mostrou-se adequada e representativa nas análises desse estudo. / This study makes a CFD analysis of the aerodynamic performance of the NREL UAE Phase VI two-bladed wind turbine, which have been tested in the NASA Ames wind tunnel. Fundamental concepts on the evaluation of turbine performance, the applied methodology for the numerical analysis and the results are presented. A numerical model has been inserted in a computational environment that has the same dimensions as the real wind tunnel section, and a tetrahedral mesh has been created to fill this domain. Numerical modeling and the simulations have been performed using the ANSYS FLUENT 13.0 commercial code, making use of the RANS equations and the k  SST and Spalart-Allmaras turbulence models. The simulated turbine has 0 degrees of cone and yaw angle. Simulations were performed in unsteady state using the moving mesh technique. Results are compared to experimental data regarding to thrust, torque and power. The k  SST and Spalart-Allmaras turbulence models have shown good agreement with experimental values of thrust. Torque and power have been adequately predicted to lower free flow velocities, but have been underpredicted to higher velocities. Separation of the boundary layer has been adequately predicted by both models, but the beginning of the separation occurred earlier than expected in comparison with results of other authors to the same case. The methodology used in the numerical simulations proved to be adequate and representative in this study.

Wind energy technologies are considered to be among the most promising types of renewable energy sources, which have since attracted broad considerations through recent years due to the soaring oil prices and the growing concerns over climate change and energy security. In Kuwait, rapid industrialisation, population growth and increasing water desalination are resulting in high energy demand growth, increasing the concern of oil diminishing as a main source of energy and the climate change caused by CO2 emissions from fossil fuel based energy. These demands and challenges compelled governments to embark on a diversification strategy to meet growing energy demand and support continued economic growth. Kuwait looked for alternative forms of energy by assessing potential renewable energy resources, including wind and sun. Kuwait is attempting to use and invest in renewable energy due to the fluctuating price of oil, diminishing reserves, the rapid increase in population, the high consumption of electricity and the environment protection. In this research, wind energy will be investigated as an attractive source of energy in Kuwait.

Research into advanced wind turbine design has shown that load alleviation strategies like bend-twist coupled blades and coned rotors could reduce costs. However these strategies are based on nonlinear aero-structural dynamics providing additional benefits to components beyond the blades. These innovations will require Multi-disciplinary Design Optimization (MDO) to realize the full benefits. This research expands the MDO capabilities of Horizontal Axis Wind Turbines. The early research explored the numerical stability properties of Blade Element Momentum (BEM) models. Then developed a provincial scale wind farm siting models to help engineers determine the optimal design parameters. The main focus of this research was to incorporate advanced analysis tools into an aero-elastic optimization framework. To adequately explore advanced designs with optimization, a new set of medium fidelity analysis tools is required. These tools need to resolve more of the physics than conventional tools like (BEM) models and linear beams, while being faster than high fidelity techniques like grid based computational fluid dynamics and shell and brick based finite element models. Nonlinear beam models based on Geometrically Exact Beam Theory (GEBT) and Variational Asymptotic Beam Section Analysis (VABS) can resolve the effects of flexible structures with anisotropic material properties. Lagrangian Vortex Dynamics (LVD) can resolve the aerodynamic effects of novel blade curvature. Initially this research focused on the structural optimization capabilities. First, it developed adjoint-based gradients for the coupled GEBT and VABS analysis. Second, it developed a composite lay-up parameterization scheme based on manufacturing processes. The most significant challenge was obtaining aero-elastic optimization solutions in the presence of erroneous gradients. The errors are due to poor convergence properties of conventional LVD. This thesis presents a new LVD formulation based on the Finite Element Method (FEM) that defines an objective convergence metric and analytic gradients. By adopting the same formulation used in structural models, this aerodynamic model can be solved simultaneously in aero-structural simulations. The FEM-based LVD model is affected by singularities, but there are strategies to overcome these problems. This research successfully demonstrates the FEM-based LVD model in aero-elastic design optimization. / Graduate / 0548 / pilot.mm@gmail.com