Date of Award

11-2023

Document Type

Dissertation

Degree Name

Doctor of Philosophy in Mechanical & Aerospace Engineering

Department

Mechanical and Aerospace Engineering

First Advisor

Farag Khalifa Omar

Second Advisor

Emad Elnajjar

Abstract

Wind energy, being one of the cleanest and most sustainable sources, has undergone remarkable growth in recent years due to advancements in aerodynamics and increased power output. The research community is actively pursuing the development of cutting-edge solutions to further optimize wind turbine technology, ensuring its maximum efficiency and revolutionizing the landscape of wind power.
This research aims to design and develop flow-control devices for wind turbine blades, employing both active and passive control mechanisms, namely morphing trailing-edge and slot-profile, respectively. The objective is to enhance wind turbine performance across a wide range of wind speeds. The morphing trailing-edge mechanism focuses on adjusting the local mean-camber through trailing-edge morphing, resulting in augmented blade lift and torque, consequently reducing the wind turbine's cut-in speed. Conversely, the slot-profile mechanism manages boundary layers by suppressing flow separation and delaying stall, harnessing greater lift and torque, and effectively reducing the rated wind speed.
Numerical investigations form the core of the research methodology, providing insights into various flow parameters such as pressure and velocity fields, surface flow, skin friction, boundary layers, flow separation, and wake profiles to analyze the influence of developed flow-control mechanisms. These flow-control devices will eventually be integrated into the National Renewable Energy Laboratory (NREL) Phase-VI research wind turbine for performance analysis. The research promises to deliver significant power augmentation and increased productivity of wind turbines, particularly during off-design operating conditions, a critical advantage for regions characterized by low average wind speeds, such as the Middle East and South-East Asia.
Furthermore, the research outcomes hold potential for broader applications in the field of rotorcraft and unmanned aerial vehicles. These flow control techniques can be implemented on rotors and/or propellers, generating greater lift at relatively lower RPM, thereby resulting in substantial fuel/power savings and increased flight endurance.

Arabic Abstract

الأداء الديناميكي الهوائي والصوتي الهوائي لشفرات توربينات الرياح التي تتميز بالتحكم المعزز في تدفق الهواء

تعتبر الرياح من أنظف أشكال الطاقة. لقد شهدت نمواً استثنائياً على مدى العقود الماضية بسبب التحسينات الديناميكية الهوائية والزيادة الكبيرة في إنتاج الطاقة. لقد دفع الاعتماد المتزايد على طاقة الرياح البحث نحو تطوير تقنيات مبتكرة وفعالة لأحدث توربينات الرياح.
يهدف البحث الحالي إلى تصميم وتطوير أجهزة التحكم في تدفق الهواء لشفرات توربينات الرياح. سيتم تجهيز الشفرات بآليات تحكم نشطة والتي يطلق عليها أسم الحافة الخلفية المتكيفة وأخرى خاملة تسمى الفتحة الجانبية. تهدف كلتا الطريقتين إلى تعزيز أداء توربينات الرياح عبر نطاق واسع من سرعات الرياح. تهدف الحافة الخلفية التكيفية إلى ضبط خط التقوس المتوسط من خلال تحوير الحافة الخلفية، مما سيزيد من رفع عزم الشفرة وبالتالي تقليل الحد الأدنى لسرعة الرياح لتشغيل توربينات الرياح. بينما، تهدف الفتحة الجانبية إلى إدارة الطبقات الحدودية عن طريق منع فصل انسياب الهواء وتأخير انفصال الهواء الانسيابي عن الريشة، من أجل تسخير قوة رفع عزم دوران أكبر، وبالتالي تقليل سرعة الرياح المقدرة.
تتكون منهجية البحث من تحقيقات رقمية بالحاسوب وتوفر روئ حول مختلف معايير تدفق الهواء مثل مجالات الضغط السرعة، الاحتكاك السطحي، الطبقة الحدودية، تدفق السطح، فصل التدفق وما الى ذلك. سيتم دمج التصميم في نموذج توربينات الرياح البحثية الوطنية للطاقة المتجددة (NREL) بالمرحلة السادسة لدراسة زيادة إنتاجية توربينات الرياح وتحسين ادائها. يعد البحث بزيادة الطاقة وزيادة كبيرة في إنتاجية توربينات الرياح، خصوصاً اأثناء ظروف التشغيل خارج نطاق التصميم وتعد كميزة للمناطق والاماكن التي تتميز بسرعة رياح منخفضة كالشرق الاوسط وجنوب شرق اسيا.
نتائج البحث تحمل إمكانيات لتطبيقات متعددة وأوسع في ميدان الطائرات بدون طيار وطائرات الهليكوبتر. يمكن لهذه التقنيات أن تنفذ للتحكم في تدفق الهواء على المراوح لتوليد قوة رفع أكبر عند سرعات مراوح أقل نسبياً، وبالتالي توفير الوقود والطاقة بشكل كبير مع زيادة القدرة على التحمل.

Download

Share

COinS