This master‘s thesis deals with the simulation of small wind power plant with Savonius-Darrieus rotor. On the base of the actuator disk theory the performance of modeled power plant is predicted in theoretical part and the power coefficient as well. The process of designing the wind model is also described in this theoretical part. The practical part of this thesis is dedicated to the creating a model of DS300 vertical axis hybrid wind turbine in Matlab/Simulink. This model was used to generating of the power curve of modeled wind power plant and for the computing of power and total produced energy during an average and above-average day as well. The whole thesis is enclosed by evaluating of obtained results.

Globally the amount of electricity produced each year is increasing significantly. Between 1980 and 2010 the average increase was 407 billion kWh per year. To be able to meet this increasing electricity demand, without burdening the environment in a too large extent, the research and development of renewable energy production techniques is of great importance. In the light of this we wanted to dedicate our master thesis to help SubseaTechnology Scandinavia AB with the development of a vertical axis tidal current turbine. The project set out to do the initial design proposal of a 2 x 4 meter H-shaped Darrieus turbine by applying the Double Multiple Streamtube model. The optimization process was performed with the aid of MATLAB for four different foils. The study included two symmetrical foils; NACA 0012 and S-1046 together with two asymmetrical foils; S-1210 and E216. The parameters studied were the number of blades, chord length, tip speed ratio, fixed pitch and the operational range. In the project, effects such as blade to wake interaction, torque fluctuations etc. were also considered. From the simulations the two bladed turbine fitted with the S-1046 hydrofoil showed the highest performance but was struggling with an unfavorable oscillating torque. In the light of this the three bladed turbine fitted with the S-1046 hydrofoil with a chord of 0.13 m and an optimal tip speed ratio of 3.2 was determined. From the simulations the power coefficient reached 53.47 % for this case. This configuration also showed good performance in a relatively wide range of both tip speed ratios and free stream velocities. The model does not include several effects causing losses and the power coefficients calculated in this model are to be used as a comparison between the different turbine configurations and not as absolute values of performance. The simulations showed good potential for the use of asymmetrical foils in vertical axis turbines. The performance was evaluated for the upstream half of the turbine where the E216 foil exceeded the symmetrical foils in the range of ten percentage points.

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. 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. 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. 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. / QC 20101119

Ce sujet de thèse s'intéresse à l'étude des effets des charges aérodynamiques sur le comportement dynamique non linéaire d'une éolienne à axe vertical de type Darrieus. Cette dernière présente, comparativement aux autres éoliennes, des profits très importants à exploiter, notamment dans les milieux urbains. Il s'agit d'une technologie fiable caractérisée surtout par son fonctionnement omnidirectionnel ainsi que son adaptation à tout type de vent. Généralement, ces éoliennes, ayant des phénomènes aérodynamiques complexes, sont affectées par des vibrations au niveau de leur système de transmission de puissance. En fait, ces vibrations commencent à se manifester à partir des pales du rotor jusqu'au génératrice. L'écoulement autour de ses pales présente également un fort caractère instationnaire. Cette caractéristique augmente d'avantage les vibrations aérodynamiques, qui sont automatiquement transmise au système d'engrenage d'éolienne. À ce niveau, nous avons développé un code de calcul numérique permettant de simuler la complexité des aspects aérodynamiques instationnaires tout en gardant un compromis entre la fiabilité des prédictions et la rapidité de calcul. Les simulations sont réalisées suivant une méthode de mécanique des fluides numérique (CFD) instationnaire bidimensionnel. Les résultats de simulation comparés avec ceux disponibles dans la littérature sont en bonne concordance, le rendement aérodynamique étant optimisé, qui présente un apport scientifique notable. Cette étude numérique a été l'objectif de l'analyse de l'impact des charges aérodynamiques vis-à-vis le comportement dynamique du système d'engrenage de l'éolienne en régime non-stationnaire. Dans ce contexte, une étude paramétrique a été développée afin d'établir le fonctionnement optimal de l'éolienne, caractérisé par un couple aérodynamique plus performant associé à des niveaux de vibrations dynamiques acceptables. En général, il est difficile d'identifier précisément la réponse dynamique des éoliennes à cause du caractère turbulent et stochastique des charges aérodynamiques. Par conséquent, il est indispensable de tenir en compte la variabilité des paramètres d'entrée pour assurer la robustesse du système étudié. Adoptons l'objectif de dimensionnement robuste. Une méthode d'évaluation basée sur des approches stochastiques, particulièrement la méthode du Chaos Polynomial, est utilisée pour simuler le comportement dynamique non-linéaire du système d'engrenage d'éolienne, en tenant compte des incertitudes. Ces dernières sont au niveau des charges aérodynamiques, inhérentes au calcul des niveaux vibratoires du système d'engrenage. Ce qui implique un apport scientifique important. Les résultats obtenus par l'approximation par Chaos Polynomial démontrent une forte dispersion des charges aérodynamiques aléatoires dans la réponse dynamique du système d'engrenage, contrairement aux études déterministes. Ce qui prouve l'insuffisance de telles études pour une analyse de robustesse. Les résultats mettent également en évidence la forte corrélation entre les phénomènes aérodynamiques complexes et les vibrations dynamiques. Le couplage établi constitue l'originalité de notre travail. / This thesis focuses on the study of the aerodynamic loads effects on the nonlinear dynamic behavior of Darrieus--type vertical axis wind turbine. The latter has received more attention due to its efficiency in urban regions compared to other wind turbines. In fact, the wind flow speed in urban regions continuously changes direction and is extremely turbulent. The inherent characteristics of its omni-directionality make it more suitable to harnessing this kind of flow. It is known that Darrieus wind turbine is characterized by an inherently unsteady aerodynamic behavior and a complex flow around rotor blades. The non-stationary behavior of the mentioned turbine increases vibration. These aerodynamic vibrations are transmitted to the gearing mechanism. We have, firstly, developed a numerical simulation, allowing to simulate the complexity of the unsteady aerodynamic phenomena keeping a compromise between the reliability of prediction and the rapidity of calculation. This numerical simulation has been carried out using a two-dimensional unsteady Computational Fluid Dynamics (CFD) method. Simulation results compared to those available in the literature are in good agreement. The Darrieus turbine efficiency is also optimized; thus introducing a significant scientific contribution. The latter is the objective of analyzing the aerodynamic load impact in the dynamic behavior of the Darrieus turbine in non-stationary regime. In this context, a parametric study has been developed in order to find optimal functioning of the studied turbine, which is characterized by the most performing aerodynamic torque associated with acceptable levels of dynamic vibration. In general, it is difficult to predict the dynamic response of the wind turbine with a good level of accuracy due to the aerodynamic loads turbulence and uncertain characteristics. It becomes necessary to take into account the uncertainty in the input parameters to ensure the robustness of the Darrieus turbine geared system. In a robustness study objective, the Polynomial Chaos method is adopted to predict the nonlinear dynamic behavior of the gearing system taking into account uncertainties which are associated to the performance coefficient of the input aerodynamic torque. This leads to an important scientific research contribution. The results have shown a large dispersion of the random parameter in the dynamic response of the gearing system compared to the deterministic study. That proves the insufficiency of that study for a robustness analyses. They have also proved that the Polynomial Chaos method is an efficient probabilistic tool for uncertainty propagation. Finally, the new proposed robust mechanical analysis indicates a good capacity to investigate the dynamic behavior of the Darrieus turbine thanks to its superior predictive capabilities in coupling complex aerodynamic phenomena with a mechanical gearing system vibration. Where the originality of such correlation in our work.

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 concentré 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.

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