A comparison of lab-scale free rotating wind turbines and actuator disks

Abstract

Planar particle image velocimetry ble gjennomført oppstrøms og i den nærliggende vaken til en roterende vindturbinmodell i laboratorieskala og aktuatordisker av samme dimensjon i en vindtunell. Den innkommende strømningen hadde et Reynolds tall i størrelsesorden 10^4. Aktuatordisker med ulike design og soliditeter ble testet, og prosessen med å velge aktuatordisk er vist. Den resulterende luftmotstanden, gjennomsnittlig hastighet og gjennomsnittlig vorticity i vaken til diskene ble sammenlignet med tilsvarende størrelser for den roterende modellen. Den disken med vake som mest nøyaktig gjenskapte vaken til den roterende modellen ble så studert i mer detalj. Reynolds stresses ble sett på for å fastslå at de gjennomsnittlige karakteristikkene i strømningene sammenfalt. På tross av sammenlignbare gjennomsnittsfelt viste en analyse av instantaneous swirling strength at det var betydelige forskjeller mellom de momentane fenomenene i strømningene. Distinkte tip vortices var til stede i vaken til den roterende modellen, men var fraværende i vaken til aktuatordisken. I tillegg var swirl av høy intensitet til stede direkte nedstrøms for aktuatordisken, forårsaket av turbulent miksing av strømningsstråler som passerer gjennom disken. Tilsvarende fenomen var ikke til stede bak de roterende turbinbladene. Proper orthogonal decomposition ble brukt for å videre studere de underliggende fenomenene i de to strømningene. Også denne analysen viste viktigheten av tip vortices når man studerer den roterende modellen og mangelen på slike distinkte vortices når man bruker aktuatordisken. Dermed, på tross av lignende gjennomsnittlige karakteristikker, forblir de momentane strukturene i de to strømningene ulike.

Planar particle image velocimetry was conducted upstream and in the near-wake of a lab-scale rotating wind turbine model and actuator disks of the same dimensions in a wind tunnel, at an incoming flow Reynolds number of the order 10^4. Actuator disks with different designs and solidities were tested, and the process of actuator disk selection is shown. The produced drag, mean velocity and mean vorticity in the wake of the disks were compared to that of the rotating model. The disk whose wake most closely replicated the wake of the rotating model was then studied in more detail, analyzing mean Reynolds stresses to determine that the mean characteristics of the flows were similar. However, the instantaneous swirling strength illustrated that despite similar mean fields, the instantaneous phenomena were significantly different. Distinct tip vortices were present in the wake of the rotating model, but were absent from the wake of the actuator disk. Furthermore, high intensity swirl was present directly downstream of the actuator disk, caused by turbulent mixing of jets passing through the disk, which was not present behind the rotating turbine blades. Proper orthogonal decomposition was used to further study the underlying phenomena in the two flows, again demonstrating the importance of tip vortices when studying the rotating model and the lack of such distinct vortices when using the actuator disk. Hence, despite similar mean characteristics, the instantaneous structures in the two flows remain distinct.