Simulation of vorticity wind turbines : a coupled discret element method and finite volume method for the simulation of elastic bodies

Abstract

Several devices and man-made structures interact dynamically with fluids such as water and air, behaving essentially as flexible elastic systems that undergo large deformations and complex dynamics. The design and analysis of the variable degrees of effciency that these devices may have under different flow conditions can be carried out using numerical modeling tools. Devising ways of simulating the behavior of fluids with ever increasing accuracy is essential to save time and resources while testing the potential of new technologies. One of the fields of engineering that has shown most significant growth in recent years is the generation of energy from renewable sources. The present research adapts mathematical methods, still new to the field, to represent ways of dealing with flows of fluid in bidirectional interactions with those new technologies, and particularly applies them to the exploration of a new kind of vertical blade-less turbine that gathers energy from the vortex induced vibrations (VIV) of a relatively short and scalable mast. This device is very promising for several logistic and cost related reasons, especially when considering the difficulties of implementing new approaches in developing countries, but until now it has not been tested under rigorous theoretical models or with simulation methods that can have true predictive value. This research a) presents a framework for such modeling by coupling the discrete element method (DEM) with the finite volume method (FVM), b) compares the theoretical method with previous tests that had both computational and physical experiments to be contrasted, and c) suggests ways to make the technology more efficient and adaptable to changing conditions.

Diversas estructuras y dispositivos creados por el hombre deben interactuar mecánicamente con fluidos, en particular agua y aire. Cuando estas estructuras constituyen además sistemas elásticos y flexibles, la interacción con fluidos involucra una dinámica doblemente compleja, pues los flujos generan deformaciones en las estructuras, que a su vez determinan y modulan las respuestas del fluido. Durante los procesos de diseño, el análisis de los respectivos grados de eficiencia que estos dispositivos alcanzarán bajo la acción de diversas condiciones de flujo, puede llevarse a cabo mediante herramientas de modelación numérica. Idear formas de simular la interacción de fluidos y estructuras con precisión resulta esencial para evitar inútiles pérdidas de tiempo y recursos a la hora de evaluar el potencial de nuevas tecnologías. Una de las ramas de la ingeniería que ha crecido de un modo más significativo en las últimas décadas es la generación de energía a partir de fuentes renovables. La presente investigación adapta métodos matemáticos de representación, todavía nuevos en el área, para simular la interacción fluido-estructura en esas nuevas tecnologías, y en particular los aplica a un nuevo tipo de turbina eólica sin aspas, que extrae energía a través de la vibracion inducida por el desprendimiento de vórtices (VIV) de un mástil vertical flexible.

Esta tecnología se presenta como muy prometedora, tanto por razones de logística como de costo, especialmente si se consideran las dificultades para implementar nuevos recursos técnicos en países en desarrollo, pero hasta ahora no han sido evaluadas bajo modelos teóricos rigurosos o con métodos de simulación con verdadero valor predictivo. Esta tesis a) presenta un marco de referencia para este tipo de simulaciones acoplando el Método de Elementos Discretos (DEM) con el Método de Volúmenes Finitos (FVM), b) compara modelos teóricos de pruebas anteriores que contiene tanto experimentación física como computacional, lo que permite contrastar resultados, y c) sugiere formas de hacer esta tecnología más eficiente y adaptable a condiciones variables.