Vinit V. Dighe

Een ommantelde windturbine (DWT) is één van de vele concepten met het doel de energie extractie uit de wind te vergroten ten opzichte van traditionele windturbines. In DWT studies worden combinaties van theoretische, numerieke en experimentele onderzoekstechnieken toegepast. Deze studies laten zien dat het geleverde vermogen van windturbines significant kan toenemen door het gebruik van een ringvormige mantel rond de rotor. Desondanks is er behoefte aan onderzoek naar de factoren die invloed hebben op deze toename zoals de vorm van de mantel, de diverse technieken gebruikt om vermogensvergroting te bevorderen en scheve instroomcondities. Deze factoren worden behandeld in dit proefschrift.

De studie omvat uitgebreid numeriek onderzoek naar DWT’s, bestaande uit tweedimensionale en driedimensionale CFD simulaties. Door middel van panelencodes en RANS, URANS en LB-VLES simulaties zijn diverse resultaten verkregen. De nauwkeurigheid van deze voorspellingen zijn, waar mogelijk, geverifieerd en gevalideerd. Door middel van een parameterstudie is aangetoond dat de aerodynamische prestaties van de DWT verder verbeterd kunnen worden als de welving van het dwarsprofiel van de mantel wordt vergroot in combinatie met een correct gekozen stuwkrachtcoëfficiënt van de windturbine rotor. En dat bij gelijkblijvende uitlaatoppervlakte van de mantel. De verbetering van de aerodynamische prestatie van een DWT heeft een direct verband met de dimensieloze stuwkrachtcoëfficiënt van de turbine. Een uitgebreide stromingsanalyse toonde aan dat, wanneer stromingsloslating plaatsvindt binnen in de mantel, de stuwkrachtcoëfficiënt van de mantel reduceert en daarmee ook de aerodynamische prestatie van het onderzochte DWT model.

In een poging om de aerodynamische prestatie van de DWT nog verder te verbeteren, zijn de effecten onderzocht van een dwarsprofiel dat uit meerdere elementen bestaat, en het aanbrengen en het effect van een Gurney flap op de bestaande DWT modellen. De aerodynamische prestatie met multi-element profielen hangt sterk af van de positionering van het secundaire element ten opzichte van de primaire DWT geometrie. Een Gurney flap gepositioneerd aan de achterrand van de mantel kanaal daarentegen verbetert de aerodynamische prestaties van het DWT model door het uitstellen van de stromingsloslating langs de binnenste wand van de mantel. Dit resulteert in een toename van de massastroom in de turbine.

Ten slotte zijn de effecten van asymmetrische instroomcondities op de aerodynamische en aero-acoustische prestatie en DWT modellen in detail bestudeerd. De analyse van deze resultaten wijst er op dat DWT’s ongevoelig zijn voor scheve aanstroming tot een specifieke scheefstandshoek. De ongevoeligheid voor scheefstand van DWT modellen hangt sterk af van de aerodynamische interactie tussen de mantel en de turbine, welke op zijn beurt afhangt van de mantelgeometrie, de turbineconfiguratie en de scheefstandshoek. Tijdens de beoordeling van de aero-acoustische prestaties van de DWT modellen is naar voren gekomen dat het DWT model een zeer gewelfde doorsnede van de mantel meer breedbandige ruis genereert, als gevolg van de turbulente stromingsstructuren die langs de oppervlakte van het kanaal stromen.