Characterization of the fluid-structure interaction on a vertical axis turbine with deformable blades

Abstract

In this thesis, the fluid-structure interaction (FSI) on a vertical-axis water turbine (VAWT) with flexible blades is investigated using both numerical and experimental investigations. A numerical study is presented, after a short overview of the peculiarities of VAWT and the current state of the investigations in FSI on VAWT is given. This numerical approach is based on the open source toolbox foam-extend. The code is evaluated and its functionality is extended. The simulation of an oscillating profile with strong deformations, including two-way coupling, is carried out by way of example with simplified fluid properties and without consideration of the composite materials. Although the complexity of the setup could not be fully modeled, the investigations provide an outlook for the potential and the limitations of a numerical approach. In the experimental investigations, the complex multi-physical interactions in the rotor of a VAWT are partly reproduced in a surrogate model consisting of a single oscillating blade in a water channel. It is shown that, through the variation of oscillation trajectory and frequency, multiple turbine designs can be investigated without changing the hardware configuration. An experimental setup based on existing hardware is developed. A highly-accurate position control is obtained for the forced rotational oscillations, and a data acquisition framework is set up. Force and torque measurements show that flexible blades bring significant benefits for a tip-speed ratio = 2 over a wide range of turbine designs. In order to get deeper insight over the FSI at the blade level, the instantaneous flow field was captured in a time-resolved manner with high-speed, two-dimensional, two-component (2D2C) particle image velocimetry (PIV). An adaptive masking algorithm was developed in order to mask dynamic deformations of the structure. Periodic flow separation with strong, chaotic components is visualized; and the influence of the structural deformations is shown. The structural deformations of the flexible blades were measured synchronized with the hydrodynamic forces and the position feedback of the drive. The interdependency between, on the one hand, turbine design and operating point, and on the other hand, blade deformation and the associated forces, is characterized. Two independent methods for the deformation measurement were developed and applied. The first measures the deformation of a single cross-section, with usage of the masking technique in raw images of the PIV measurements and a surface-tracking method. The latter is based on a structured light pattern projection on the surface which allows to achieve a measurement of the surface deformation with highly temporal and spatial resolution. In the last section of the thesis, a spatial spectral analysis for the deformations, as well as a temporal spectral analysis of deformation along with forces and motion, are carried out. This allows to distinguish the deformation and hydrodynamic forces which are directly linked to the forced motion, from those resulting from secondary effects of the FSI.

In der vorliegenden Dissertation wird die Fluid-Struktur-Interaktion (FSI) an einer Vertikalachsigen-Wasserturbine (VAWT) mit flexiblen Schaufeln untersucht. In der Studie werden in der Hauptsache experimentelle Verfahren eingesetzt. Ein numerischer Ansatz wird, nach einem kurzen Überblick über VAWT und dem aktuellen Stand der Technik zur FSI an VAWT, vorgestellt. Er basiert auf der Open Source Toolbox Foam-Extend, deren FSI toolkit zunächst evaluiert und dessen Funktionalität erweitert wird. Die Simulation eines oszillierenden Profils mit starken Deformationen, inklusive zwei-Wege-Kopplung wird für vereinfachte Fluideigenschaften und ohne Berücksichtigung der Kompositmaterialien exemplarisch durchgeführt. Die numerischen Untersuchungen geben jedoch nur einen Ausblick, da der vorgegebene Aufbau nicht in der erforderlichen Komplexität modelliert werden konnte. Für das Experiment werden die komplexen, multiphysikalischen Wechselwirkungen im Rotor einer VAWT durch ein Ersatzmodell, bestehend aus einer einzelnen, oszillierenden Schaufel, vereinfacht. Im Abschnitt Modellierung wird gezeigt, dass durch die Variation der Oszillationstrajektorie und ihrer Frequenz mehrere Turbinendesigns ohne jegliche Hardwarevariationen untersucht werden können. Ein experimenteller Aufbau, basierend auf vorhandener Hardware, wurde entwickelt. Eine hochgenaue Lageregelung für die erzwungenen Drehschwingungen sowie ein Datenerfassungs– Framework wurden erstellt. Kraft– und Drehmomentmessungen zeigen einen signifikanten Vorteil flexibler Schaufeln für eine Schnellaufzahl von = 2 und eine Vielzahl von Turbinenkonstruktionen. Für einen tieferen Einblick in die FSI auf Schaufelebene wurde das momentane Strömungsfeld mittels Particle-Image-Velocimetry (PIV) zeitaufgelöst erfasst. Ein Algorithmus wurde entwickelt, um dynamische Deformationen der Struktur zu maskieren. Die periodische Strömungsablösung mit hohen chaotischen Anteilen wird visualisiert und der Einfluss der strukturellen Verformungen gezeigt. Die Strukturverformungen der flexiblen Schaufeln wurden synchron mit den hydrodynamischen Kräften und dem Lagefeedback des Antriebs gemessen. Die Wechselwirkung von Turbinenkonstruktion und Betriebspunkt zu Verformung und daraus resultierenden Kräften wird charakterisiert. Es wurden zwei unabhängige Methoden für die Deformationsmessungen entwickelt und angewendet: Eine Verfolgung des Querschnitts der Struktur basierend auf der PIV und eine Oberflächenverfolgungsmethode. Letztere gründet auf einer strukturierten Lichtmusterprojektion auf die Oberfläche, die eine zeitlich und räumlich hoch aufgelöste Messung der Oberflächendeformation ermöglicht. Im letzten Teil wird eine räumliche Spektralanalyse für die Verformungen sowie eine zeitliche Analyse der Verformung zusammen mit Kräften und Oszillation durchgeführt. Diese ermöglicht die Unterscheidung zwischen Verformungen und hydrodynamischen Kräften, die direkt mit der erzwungenen Bewegung und solchen, die mit den Sekundäreffekten der FSI zusammenhängen.

Dans cette thèse, l’interaction fluide-structure (FSI) au sein d’une hydrolienne à axe vertical (VAWT) munie de pales flexibles est étudiée, avec une approche numérique et une approche expérimentale. Après une courte présentation des particularités des VAWT et de l’état de l’art de la recherche en FSI dans ces turbines, une étude numérique est présentée. Cette approche numérique est basée sur le logiciel open source foam-extend. Le code est évalué et ses fonctionnalités sont étendues. Une simulation d’un profil oscillant avec de fortes déformations est réalisée, incluant un couplage bidirectionnel ; dans cette simulation, les propriétés du fluide et de la structure composite sont significativement simplifiées. Bien que la complexité du cas d’étude ne soit pas entièrement modélisée, ce résultat fournit une première perspective sur le potentiel et les limitations d’une approche numérique. Au sein de l’étude expérimentale, les interactions multiphysiques complexes au sein du rotor d’une VAWT sont modelisées avec un profil oscillant en veine hydraulique. Il est montré que de très nombreuses configurations de turbine peuvent être reproduites par variation de la trajectoire et de la fréquence du profil oscillant, sans nécessiter de changement du matériel expérimental. Une manipulation expérimentale est mise au point. Un contrôle précis de la position du profil est obtenu pour les oscillations forcées, et une chaîne d’acquisition de données est mise au point. Les mesures de force et de couple montrent que les pales flexibles fournissent un avantage significatif par rapport aux pales rigides pour une vitesse spécifique = 2, sur une large plage de configurations de turbine. Pour approfondir la compréhension de la FSI au niveau de la pale, l’écoulement instantané est capturé au fil du temps avec une vélocimétrie par image de particules (PIV) à haute fréquence, deux composants, et en deux dimensions (2D2C). Un algorithme de masquage adaptatif est développé pour masquer les déformations dynamiques de la structure. La séparation périodique de l’écoulement, avec de forts composants chaotiques, est visualisée ; l’influence des déformations structurelles est mise en évidence. Les déformations structurelles des pales flexibles sont mesurées de façon synchronisée avec les forces hydrodynamiques et la position du servomoteur de la pale. L’interdépendance entre, d’une part, la configuration et la vitesse de la turbine, et d’autre part, la déformation de la pale et les forces associées, est caractérisée. Deux méthodes indépendantes sont mises au point et appliquées pour mesurer la déformation du profil. La première mesure la position d’une coupe du profil avec une technique de masquage des images obtenues par PIV. La seconde est basée sur la projection et la capture vidéo d’un motif lumineux projeté sur le profil ; elle permet de mesurer la déformation de la surface entière avec une haute résolution spatiale et temporelle. Dans la dernière partie, une analyse spectrale spatiale des déformations, ainsi qu’une analyse spectrale temporelle des déformations, des forces et du mouvement, sont effectuées. Ce travail permet de faire la distinction entre les déformations et forces hydrodynamiques qui sont directement liées aux oscillations forcées, et celles qui découlent des effets secondaires de la FSI.