Computational Fluid Dynamics study of 2D vertical axis turbines for application to wind and tidal energy production

Abstract

This project consists in the study of vertical axis turbines, which in opposition to classical horizontal axis turbines have their axis of rotation perpendicular to the fluid (air/water) direction. These kinds of turbines have some advantages like their reduced size, allowing their installation in urban environments. Moreover, vertical axis turbines do not need a yaw pointing system, as they can rotate with independence of the fluid direction, which reduce their maintenance cost. ANSYS Fluent has been used as Computational Fluid Dynamics (CFD) software, providing simulated results with enough accuracy and reliability into this approach to vertical axis turbines. The project begins with an introduction to turbines, showing the main differences between horizontal and vertical axis turbines. After that, the configuration process of Fluent is detailed, as well as the theoretical development that relates the power coefficient with the tip speed ratio of the turbine. A study about the validation of the results has been done, consisting in a mesh and time independence study. Several simulations have been done in order to obtain the optimum configuration of the turbine. The turbine parameters that have been studied are: blade chord, airfoil type, number of blades and turbine radius. The modification of each parameter is aimed to obtain the maximum efficiency of the turbine. Furthermore, a comparison between wind and tidal turbines is described. Finally the conclusions and future work are presented.

Este proyecto consiste en el estudio de turbinas de eje vertical, las cuales a diferencia de las turbinas de eje horizontal clásicas tienen su eje de rotación perpendicular a la dirección del fluido (aire / agua). Entre las ventajas de este tipo de turbinas destaca la posibilidad de instalarlas en entornos urbanos gracias a su reducido tamaño. Así mismo las turbinas de eje vertical no necesitan un sistema de apuntamiento ya que pueden girar con independencia de la dirección del fluido, reduciéndose su coste de mantenimiento. ANSYS Fluent se ha utilizado como software de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD), para la realización de simulaciones con la suficiente precisión y fiabilidad en esta aproximación a las turbinas de eje vertical. El proyecto se inicia con una introducción a las turbinas, mostrando las principales diferencias entre las turbinas de eje horizontal y vertical. A continuación se detalla el proceso de configuración de Fluent, así como el desarrollo teórico que relaciona el coeficiente de potencia con el parámetro TSR (Tip Speed Ratio). Se ha procedido a la realización de un estudio de independencia del mallado y del muestreo temporal en Fluent, a fin de proceder a la validación de los resultados obtenidos. Se han llevado a cabo varias simulaciones con el fin de obtener la configuración óptima de la turbina. Los parámetros de la turbina que han sido objeto de estudio han sido: cuerda de la pala, tipo de perfil aerodinámico, número de palas y el radio de la turbina. Las modificaciones realizadas sobre cada parámetro están enfocadas a la obtención de la máxima eficiencia de la turbina. Además, se presenta una comparación entre turbinas de viento y marinas. Finalmente se presentan las conclusiones y trabajo futuro que se podría realizar.