Experimental investigation of the interaction between two roof-mounted Savonius wind turbines

Abstract

I denne studien utforskes kraftytelsen og samspillet mellom to parallelt plasserte Savonius-turbiner på en bygning. Eksperimenter ble utført i en vindtunnel med formål om å analysere turbinenes kraftproduksjon ved ulike rotasjonsretninger og avstander mellom turbinene. Totalt ble det undersøkt 12 forskjellige konfigurasjoner. For hver konfigurasjon ble det registrert kraftkurver, og strømningsfeltet ble visualisert ved hjelp av metoden Particle Image Velocimetry (PIV). Resultatene avdekket at høyere tip speed ratio førte til en økning i ytelsen for alle konfigurasjoner sammenlignet med en enkelt turbin, noe som indikerer en koblingseffekt mellom turbinparet. Derimot viste resultatene ingen forbedring i ytelsen når turbinene opererte på lavere tip speed ratio, noe som tyder på at det er en minimum rotasjonshastighet som kreves for at kraftforbedringen skal inntreffe. Studien viser også at den totale ytelsen ble påvirket av den relative rotasjonsretningen og avstanden mellom turbinene, noe som er i samsvar med tidligere studier av Savonius-turbiner på bakken. Den optimale konfigurasjonen ble funnet å være når turbinene roterer i motsatt retning med fremskytende skovler plassert i gapet mellom de to rotorene, med en turbinavstand på 0.4 turbindiametere. Turbinene i denne konfigurasjonen oppnådde en gjennomsnittlig økning i kraftkoeffisient på 24.1% sammenlignet med en enkeltstående turbin på samme bygning. Det ble observert en forskjell i kraftforbedring mellom høyre og venstre turbin i tilfeller med symmetrisk rotasjon som skyldes små variasjoner i kretsresistans og tip speed ratio. Analyser av hastighetsfeltet avdekket en mulig sammenheng mellom oppstrøms hastigheter og turbinytelse, mens analyser av virvelfeltet nedstrøms viste at resiskulasjonsområdet over bygningen hadde betydelig innvirkning på vakeegenskapene til turbinene. Undertrykkelse av virvler i vaken kan forklare det uventede resultatet for case C og kraftforbedringen for case B. Funnene avdekket likheter og forskjeller mellom bygningsturbiner og bakkemonterte turbiner og indikerer et behov for videre undersøkelser av nedstrømsvirvler for begge tilfeller.

This study presents an examination of the interaction between two roof-mounted Savonius turbines parallel to the crossflow. A wind tunnel experiment was conducted to analyze the turbines’ power production in relation to their rotational direction and the gap distance between them, resulting in 12 configurations. Power curves were acquired for all configurations and particle image velocimetry (PIV) was employed to visualize the flow field. The results revealed that higher tip-speed ratios led to power enhancement in all configurations compared to a single turbine, indicating a coupling effect between the turbine pair. Conversely, lower tip-speed ratios showed no power enhancement, suggesting a minimum tip-speed ratio requirement for power enhancement. The study also demon- strated that the turbines’ overall performance was influenced by their relative rotational direction and the gap distance between them, consistent with previous research on ground-mounted Savo- nius turbines. The optimal configuration was identified as counter-rotating turbines with advancing buckets positioned in the turbine gap and with a gap distance of 0.4 turbine diameters, resulting in a 24.1% increase in average power coefficient compared to a single roof-mounted turbine. Differences in power enhancement between the left and right turbines were observed for symmetrical rotational cases, attributed to slight variations in circuit resistance and tip-speed ratios. Analysis of the flow field indicated a potential relationship between upstream velocities and turbine performance, while downstream vorticity flow field examination revealed the significant influence of the recirculation region above the roof on wake characteristics. The suppression of vortices in the wake explains the unexpected results in case C and the power enhancement in case B. The findings reveal similari- ties and differences between ground-mounted and roof-mounted turbines and suggest the need for further investigation into downstream vortices for both cases.