An analytical model leading to the pressure distribution on the cross section of a Darrieus Rotor Blade (airfoil) was constructed. The model was based on the inviscid flow theory and the contribution of the nonsteady wake vortices was neglected. The analytical model was translated into a computer code in order to study a variety of boundary conditions encountered by the rotating blades of the Darrieus Rotor. The results of the program indicate that for a pitching airfoil, lift can be adequately approximated by the Kutta-Joukowski forces, despite notable deviations in the pressure distribution on the airfoil. These deviations are most significant at the upwind half of the Darrieus Rotor where higher lift is accompanied by increased adverse pressure gradients. It was also found that the effect of pitching on lift can be approximated by a linear shift in the angle of attack proportional to the blade angular velocity. Finally, the fluid velocity about the pitching-only NACA 0015 was tabulated; thus allowing the principle of superposition to be used in order to determine the fluid velocity about a translating and pitching airfoil. / Graduation date: 1984

Ingeniero Civil Mecánico / Este estudio presenta simulaciones numéricas de una turbina eólica de eje vertical tipo Darrieus, con el objetivo de determinar el efecto de la inclinación de los álabes sobre el desempeño aerodinámico de la turbina. Específicamente, se varía la geometría cilíndrica a la de un cono invertido, dejando el radio superior constante. Lo anterior se realiza tanto para un perfil de velocidad de aire uniforme, como para un perfil de velocidad de aire variable obtenido sobre el techo de un hogar. El método de volúmenes finitos fue utilizado en ANSYS Fluent® para las distintas simulaciones. Para la turbulencia se usó el modelo k-w SST y se dividió el dominio en uno rotativo y otro estático. Además se utiliza el modelo DMS (Double-Multiple Streamtube) para la comparación de resultados. Como resultado se obtiene que la inclinación de los álabes produce un desplazamiento de la zona de operación de la turbina, extendiéndose para velocidades angulares mayores sin cambiar su coeficiente de potencia, tanto para el caso de velocidad del aire uniforme, como para un perfil de velocidad del aire variable. Además para ambos casos, inclinar los álabes ayuda al inicio de su funcionamiento. Se concluyó que la variación de la curva de CP vs TSR, para los ángulos de inclinación 0°, 30° y 45° no es significativa para una turbina instalada en la zona de mayor potencial eólico aledaña a una vivienda, que presenta un perfil variable de velocidad del viento, en comparación con un perfil uniforme de velocidad. Sin embargo, para una inclinación de 15° se aumenta el coeficiente de potencia hasta un 11% en comparación al caso de un perfil uniforme. Para futuros trabajos se propone realizar una investigación más detallada para pequeños ángulos de inclinación menores a 15° esto tanto para el perfil de velocidad uniforme de velocidad del viento como el perfil variable, y encontrar la inclinación óptima. También experimentar con otras variaciones en el radio que no sean lineales con respecto a la altura, ya que al eliminar la restricción que impone la inclinación en la relación entre el radio de giro y la altura, se puede lograr un incremento de potencia. Finalmente, estudiar simulación 3D para observar como interfiere la estela entre cada uno de los cortes.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Mecánica / Ingeniero Civil Mecánico / El propósito del presente trabajo es formular una herramienta computacional de bajo costo que determine la potencia y la expansión de flujo de turbinas eólicas de eje vertical (VAWTs) tipo Darrieus. Esta herramienta puede ser útil para predecir el desempeño aerodinámico de VAWTs en ambientes urbanos o en granjas eólicas. En este trabajo se realizan variaciones en el modelo doble-múltiple tubos de corriente (DMS) para turbinas Darrieus de álabes rectos (SB-VAWTs) con el fin de mejorar las predicciones de desempeño aerodinámico y expansión del flujo. Se presentan los antecedentes generales y el marco teórico del modelamiento de las Darrieus SB-VAWTs. El caso de referencia está compuesto por las mediciones de campo de una Darrieus SB-VAWT de 12 kW (6 m de diámetro) encontradas en la literatura y las simulaciones computacionales bidimensionales realizadas en el software ANSYS Fluent 13.0. Se plantea y verifica una representación matemática de las líneas de corriente para modelar el promedio temporal de la expansión de flujo alrededor de SB-VAWTs. Se presenta una nueva formulación del modelo DMS basado en momentum con expansión de flujo. El desempeño aerodinámico y la expansión de flujo son calculados en MATLAB utilizando coeficientes aerodinámicos empíricos y los resultados de las simulaciones computacionales. Se propone una nueva formulación del modelo DMS basado en la conservación de energía mecánica. Ambas formulaciones estudiadas presentan problemas de convergencia para altas razones de velocidades de punta de álabe. Las predicciones de expansión de flujo se encuentran alejadas de las obtenidas en las simulaciones computacionales. Se cuantifica e interpreta el error de los modelos DMS basados en momentum y en energía al imponer la expansión obtenida por las simulaciones computacionales. A partir de los datos de fuerza en el sentido del flujo y la expansión de los tubos de corriente, se propone una ecuación alternativa para el balance de momentum lineal considerando un modelo de múltiples tubos de corriente. Dicha relación permite la convergencia y una buena estimación de la expansión del flujo para todas las velocidades de rotación de turbina estudiadas. Se recomienda como trabajo futuro el mejoramiento del cálculo de las fuerzas aerodinámicas basadas en coeficientes aerodinámicos empíricos considerando los efectos dinámicos.

Des projets d'installation de parcs de plusieurs hydroliennes rapprochées en rivières ou dans les océans ont été récemment démarrés, afin de développer cette source d'énergie renouvelable. Dans ces parcs, les interactions de sillage entre les hydroliennes doivent être calculées puisqu'elles peuvent affecter leur puissance produite. Un modèle CFD stationnaire de type disque d'action couplé aux équations RANS est développé dans ce travail pour calculer la puissance produite et l'écoulement au sein d'un parc d'hydroliennes Darrieus. Ce modèle utilise des répartitions détaillées de force dont l'intensité dépend de la position sur la turbine. Elles sont obtenues par des calculs préliminaires URANS de l'écoulement sur la géométrie de la turbine en rotation. De nouvelles lois sont obtenues pour les coefficients de puissance et de force en utilisant la vitesse locale (vitesse au niveau de la turbine) au lieu de la vitesse amont dans leur définition. Ces coefficients deviennent alors indépendants du confinement de la turbine. Ces lois servent à construire un modèle qui calcule les distributions de force représentant chaque turbine du parc en fonction de la vitesse locale du fluide, pour simuler chaque turbine fonctionnant proche de son point de maximum d'efficacité. Une validation du modèle est réalisée par comparaison à de nouvelles expériences d'une turbine Darrieus à échelle réduite. Différentes configurations de parcs sont ensuite simulées par le modèle 3D, ainsi que par une version 2D du modèle. Les distances entre turbines qui permettent d'obtenir une puissance produite par le parc maximale sont notamment recherchées. / New projects have recently been launched to build farms of several tidal or river turbines, which are part of the renewable energy systems. The turbine wake interactions in the farm must be considered, as they can affect the power production of the turbines. A steady-state Actuator force model using the RANS equations is developed in the present work to calculate the power production and the flow through arrays of tidal or river Darrieus turbines. It uses detailed three dimensional force distributions depending on the position on the turbine, obtained beforehand by a set of blade-resolved URANS simulations of the turbine. New power coefficient and force coefficient laws depending on the local velocity (flow velocity at the machine position) instead of the upstream velocity are established and appear to be independent from the local turbine blockage in an array. Those laws are used to construct a model that adapt the Actuator force distributions to the local velocity of the flow reaching each turbine, in order to simulate each turbine functioning close to its maximum efficiency point. The model is validated against experimental measurements on a reduced-scale Darrieus turbine. Different farm configurations are simulated and compared to results of the same model adapted in two dimensions. The distances between turbines that are optimizing the farm power production are especially investigated.

L'éolienne Darrieus connaît un intérêt accru ces dernières années parce qu'elle représente une solution alternative potentielle de production d'électricité dans les milieux urbains. En particulier,une éolienne de forte solidité peut être choisie car certaines de ses propriétés peuvent être avantageuses pour son implantation proche de zones habitées. A l'inverse, certaines difficultés aérodynamiques émergent. Ce type d'éolienne fonctionne à de faibles vitesses réduites pour lesquelles le décrochage dynamique a un rôle très significatif. L'objectif de ce travail de thèse consiste à compléter la connaissance du phénomène de décrochage dynamique sur une éolienne à axe vertical afin d'améliorer les modèles numériques de prédiction existants. Cette étude s'appuie sur une analyse combinée de résultats numériques et expérimentaux. Les simulations numériques sont produites avec une méthode des panneaux bidimensionnelle instationnaire. Les effets de la viscosité sont introduits par des corrections utilisant notamment un modèle semi-empirique de décrochage dynamique. Le travail expérimental s'est concentrée sur la dynamique tourbillonnaire à proximité immédiate du rotor résultante du décrochage dynamique. Le montage se compose d'une éolienne à pale droite placée dans une soufflerie. Des mesures instationnaires de la répartition de pression pariétale le long de la corde et des mesures de champ de vitesse par vélocimétrie par images de particules ont été accomplies. Les résultats révèlent la manière dont les caractéristiques du décrochage dynamique sont conditionnées par la vitesse réduite. Le retard au décrochage, l'intensité de l'effet du tourbillon de décrochage dynamique et sa convection ont été quantifiés. Enfin, un examen critique de l'applicabilité du modèle de Leishman-Beddoes pour simuler efficacement les effets du décrochage dynamique a été réalisé. / The Darrieus wind turbine has entered a period of renewed interest over the last years because it may stand for an alternative solution to produce electricity in urban areas. In particular, high solidity wind turbine can be chosen to take benefit from some of its key properties for use near populated city areas. Conversely, some aerodynamic problems arise. This type of wind turbine operates at low tip speed ratio for which dynamic stall has a very significant role. The goal of this work is to provide valuable data to complement the knowledge of the dynamic stall phenomenon that occurs on a vertical axis wind turbine in order to improve existing numerical models. This study relies on a combined analysis of numerical and experimental results. The numerical simulations are based on a bidimensional unsteady vortex panel method. Effects of viscosity are introduced by adding corrections computed with a semi-empirical dynamic stall model. The experimental work focuses on the dynamics of the shed vortices existing in the vicinity of the rotor as a result of dynamic stall. The set-up consists of a straight-bladed wind turbine tested in a wind tunnel. Unsteady pressure distribution measurements along the chord and velocity fields measurements by particle image velocimetry were carried out. Results indicate how the characteristics of dynamic stall are conditioned by the tip speed ratio. Stall inception delay, magnitude of the dynamic stall vortex effects and its convection velocity were evaluated. Blade/Vortex interaction was analyzed through the observation of the vortical system downstream of the rotor. In addition, a critical review of the suitability of the Leishman-Beddoes model to effectively simulate the effects of dynamic stall was accomplished.

Cette thèse de doctorat a été réalisée dans le cadre du projet HARVEST, programme de recherche initié en 2001 au LEGI et consacré au développement d'un nouveau concept d'hydrolienne à axe vertical inspiré des turbines Darrieus pour la récupération de l'énergie cinétique des courants marins et fluviaux. Ce travail s'est focalisé sur la mise en place d'un moyen de mesure par Vélocimétrie par Image de Particules deux dimensions – deux composantes (2D-2C) et deux dimensions – trois composantes (2D-3C). L'objectif est d'une part de constituer une base de données expérimentale pour la validation locale des simulations numériques RANS 2D et 3D menées dans le cadre de travaux précédents, et d'autre part d'améliorer la compréhension des phénomènes hydrodynamiques instationnaires rencontrés dans ces machines et en particulier du décrochage dynamique. La confrontation des mesures expérimentales et des simulations a notamment permis de mettre en évidence les points forts et les limites des modèles numériques dans les différents régimes de fonctionnement de la machine. / This PhD thesis has been carried out within the framework of the HARVEST project. This research program, initiated in 2001 by the LEGI laboratory (Grenoble, France), is devoted to the development of a new marine turbine concept inspired from Darrieus turbines in order to convert kinetic energy of marine, tidal or river currents into electric energy. This work has been focused on the development of an experimental apparatus based on two dimensions – two components (2D-2C) and two dimensions – three components (2D-3C) Particle Image Velocimetry. The objective is to provide an experimental database for the local validation of 2D and 3D RANS computations and to improve our understanding of unsteady hydrodynamics phenomena experienced in this type of turbine and especially of dynamic stall. Comparison between measurements and computations enabled to identify strengths and limitations of numerical models for various operating conditions of this type of turbine.

L'étude développée dans cette thèse concerne le contrôle des performances et des lâchers tourbillonnaires au cours du cycle de rotation d'une hydrolienne à axe vertical de type Darrieus. L'élaboration d'une famille de lois de commande d'incidence de pales exploitant le principe de conservation de la circulation autour de profils en mouvement permet ici le contrôle du fonctionnement de l'hydrolienne ainsi que la maîtrise de son sillage tourbillonnaire afin de préserver l'environnement.L'écoulement 2D est simulé à l'aide du solveur incompressible de Star CCM+ afin de mettre en évidence l'effet de ce type de contrôle sur le rendement de la turbine pour différents points de fonctionnement. Ce modèle CFD a été utilisé pour améliorer l'analyse analytique en ce qui concerne l'extraction de l'énergie, la compréhension de l'écoulement autour de l'hydrolienne et le contrôle des tourbillons générés. La nouveauté de cette étude est l'élaboration de lois de commande de pales d'hydrolienne, basées sur des valeurs constantes et transitoires de la circulation, afin d'augmenter la puissance de la turbine tout en garantissant un contrôle efficace de la vorticité et ainsi prévenir de l'interaction entre les tourbillons et les pales. Une bonne comparaison est réalisée entre les résultats analytiques et numériques concernant les forces hydrodynamiques.En outre, une campagne d'essais a été menée afin d'acquérir des mesures quantitatives sur une hydrolienne de type Darrieus à pales fixes en terme de puissance, mais aussi des résultats qualitatifs pertinents comme la visualisation de l'écoulement autour des pales à différentes positions et pour différents points de fonctionnement. La mise en place complète d'un système PTV pour les mesures qualitatives et les étapes de traitement sont discutées et les divers paramètres obtenus à partir des études CFD sont validées en utilisant ces résultats PIV.L'étude expérimentale dans la présente recherche appo11e des informations détaillées sur les gradients de pression et de vitesse, les contours de vorticité et le critère Q qui ont servi à valider les visualisations obtenues numériquement. / With key applications in marine renewable energy. the vertical axis water turbine can use current or tidal energy in an eco-friendly manner. However, it is difficult to reconcile optimal performance of hydrokinetic turbines and compliance wilh the aquatic environment as the main drawback of the turbines is the formation of non-linear flow structures caused by the unsteady movement of the blades. Eddies in the flow are advected and can interact with other blades, which leads to a reduction in power output. To limit this phenomenon, the turbines operate at high speeds, which are likely to reduce the shaft power. High speeds of rotational so forbid the passage of aquatic animais, and are the cause of a suction effect on the sediments.The objective of this thesis work is twofold. First, it aims to develop a blade pitch control to get the flow adjusted around the blade profile at any given flow configuration by incorporatin.g the profile's motion with respect to incident flow. Such a system intends to achieve the objective of operating at reduced speeds without vortical releases, which should allow achieving a high torque without causing damage to the environment.This thesis work is mainly carried out in three phases. ln the first phase, the irrotational flow over an arbitrary profile is formulated using conforma] mapping. Prospective potential flow application on the basis of Couchet theory (1976) is involved in the development of a control law that decides the blade pitching in a constant circulation framework. In the second phase, a numerical validation of the developed analytical work is presented using CFD to examine how the theoretical fomulation can be effectively applied to Darricus turbines. In the final phase, two prototypes are developed, one is classical Darrieus turbine with fixed blades, and other is the turbine with pitching blades for experimental measurements of performance as well as flow fields(by PIV) in order to validate the computational results.

The Transverse Horizontal Axis Water Turbine (THAWT) has been proposed as a tidal device which can be easily scaled and requires fewer foundations, bearings seals and generators than a more conventional axial-flow device. The THAWT device is a horizontally deployed variant of the Darrieus cross-flow turbine, in which the blades can be oriented into a truss configuration to produce long, stiff multi-bay rotors. This thesis establishes and combines a set of numerical models, which predict the hydrodynamic and structural performance of the THAWT device, with sufficient confidence to assess the feasibility of such a device at a full scale installation and to optimise its performance. Tests of 1/20th scale experimental models of the THAWT device have demonstrated that the truss configured device is capable of producing power with an efficiency close to that of the parallel configured turbine. In addition, variations in the configuration of the scale models have indicated how several design parameters affect the hydrodynamic performance of the device. A two-dimensional Navier-Stokes blade element model has been developed, in which the THAWT device is represented using an actuator cylinder. The addition of a hydrostatic free surface deformation correction has resulted in a model which is capable of matching experimental results with sufficient fidelity and accuracy. Blade loads from the numerical hydrodynamic model have been applied to a beam finite element analysis, to predict the stresses induced in the hydrofoils of the THAWT device. The numerical and hydrodynamic models are combined with a Linear Channel Momentum model to predict the performance of the THAWT device at a full scale tidal location. The effect that the device has on the channel flow indicates how much energy is available for extraction and how this energy might be most efficiently obtained. When considering material fatigue the analysis suggests that the structural design considerations dominate over the hydrodynamic considerations.

<p>The role of intrinsic hydrodynamic instability of the premixed flame (known as Landau-Darrieus instability) in various flame phenomena is studied by means of direct numerical simulations of the complete system of hydrodynamic equations. Rigorous study of flame dynamics and effect of Landau-Darrieus instability is essential for all premixed combustion problems where multidimensional effects cannot be disregarded.</p><p>The present thesis consists of three parts. The first part deals with the fundamental problem of curved stationary flames propagation in tubes of different widths. It is shown that only simple "single-hump" slanted stationary flames are possible in wide tubes, and "multi-hump" flames in a laminar flow are possible in wide tubes only as a non-stationary mode of flame propagation. The stability limits of curved stationary flames in wider tubes are obtained, together with the dependence of the velocity of the stationary flame on the tube width. The flame dynamics in wider tubes is shown to be governed by a large-scale stability mechanism resulting in a highly slanted flame front.</p><p>The second part of the thesis is dedicated to studies of acceleration and fractal structure of outward freely propagating flames. It is shown that in direct numerical simulation the development of Landau-Darrieus instability results in the formation of fractal-like flame front structure. The fractal excess for radially expanding flames in cylindrical geometry is evaluated. Two-dimensional simulation of radially expanding flames in cylindrical geometry displays a radial growth with 1.25 power law temporal behavior after some transient time. It is shown that the fractal excess for 2D geometry obtained in the numerical simulation is in good agreement with theoretical predictions. The difference in fractal dimension between 2D cylidrical and three-dimensional spherical radially expanding flames is outlined. Extrapolation of the obtained results for the case of spherical expanding flames gives a radial growth power law that is consistent with temporal behavior obtained in the survey of experimental data.</p><p>The last part of the thesis concerns the role of Landau-Darrieus instability in the transition from deflagration to detonation. It is found that in sufficiently wide channels Landau-Darrieus instability may invoke nucleation of hot spots within the folds of the developing wrinkled flame, triggering an abrupt transition from deflagrative to detonative combustion. It is found that the mechanism of the transition is the temperature increase due to the influx of heat from the folded reaction zone, followed by autoignition. The transition occurs when the pressure elevation at the accelerating reaction front becomes high enough to produce a shock capable of supporting detonation.</p>

Cette thèse de doctorat a été réalisée dans le cadre du projet HARVEST, programme de recherche initié en 2001 au LEGI et consacré au développement d'un nouveau concept d'hydrolienne à axe vertical inspiré des turbines Darrieus pour la récupération de l'énergie cinétique des courants marins et fluviaux. Ce travail s'est focalisé sur la mise en place d'un moyen de mesure par Vélocimétrie par Image de Particules deux dimensions - deux composantes (2D-2C) et deux dimensions - trois composantes (2D-3C). L'objectif est d'une part de constituer une base de données expérimentale pour la validation locale des simulations numériques RANS 2D et 3D menées dans le cadre de travaux précédents, et d'autre part d'améliorer la compréhension des phénomènes hydrodynamiques instationnaires rencontrés dans ces machines et en particulier du décrochage dynamique. La confrontation des mesures expérimentales et des simulations a notamment permis de mettre en évidence les points forts et les limites des modèles numériques dans les différents régimes de fonctionnement de la machine.