Numerical study of the effect of adding corona discharge based on plasma actuator on flow control performance in a horizontal axis wind turbine with rough surfaces

The use of renewable energy has recently become very common in most countries of today's society. Among these renewable energies, wind energy is one of the most attractive methods of mechanical energy production, and different methods of flow control, including active, semi-active and passive, have been investigated by various researchers. To control the fluid flow in an active way on the wind turbine blade, the corona discharge actuator based on plasma is considered the most appropriate method to reduce the fluid flow separation on the wind turbine blade. In this paper, we present a numerical simulation to integrate active load control using a corona discharge based on plasma actuators over the roughness blade. Effects of roughness, actuators voltage and frequency on aerodynamics parameters such as separation point, lift and drag coefficients have been showed. Present results showed that, the lift coefficient increase with increase in the voltage and frequency of plasma actuators. Overall, using the roughness for outer surface of blade would decrease the critical pressure coefficient by approximately 50% compared to that for the smooth surface

Analysis and development of numerical methodologies for simulation of flow control with dielectric barrier discharge actuators

The aim of this thesis is to investigate and develop different numerical methodologies for modeling the Dielectric Barrier discharge (DBD) plasma actuators for flow control purposes. Two different modeling approaches were considered; one based on Plasma-fluid model and the other based on a phenomenological model. A three component Plasma fluid model based on the transport equations of charged particles was implemented in this thesis in OpenFOAM, using several techniques to reduce the numerical issues. The coupled plasma-fluid problem involves wide range of length and time scales which make the numerical simulation difficult. Therefore, to obtain stable and accurate results in a reasonable computational run time, several numerical procedures were implemented including: semi-implicit treatment of coupling of Poisson equation and charge density equation, super-time-stepping and operator splitting algorithm. We examined our code for a constant positive voltage, testing for the dependency of the behavior of the current density to the selected numerical scheme. In addition, although there is no clear numerical or experimental benchmark case for DBD plasma actuator problem, the developed plasma solver was compared quantitively and qualitively with several numerical works in the literature. Afterward, the developed numerical methodology was used to explore the possibility of influencing the flow, with higher speed, using nano-second (NS) pulsed DBD plasma actuator. Therefore, the interaction of the transonic flow and actuation effects of DBD plasma actuator with nano second pulsed voltage was simulated. The effect of gas heating and body force was calculated by the plasma solver and was supplied into the gas dynamic solver for simulating the flow field. Moreover, the results of the plasma fluid model were used to develop an energy deposition model. It was shown that the energy deposition model is able to capture the main features of the effect of NS DBD plasma actuators correctly, with less computational time. It was also shown that fast energy transfer, from plasma to fluid, leads to the formation of micro-shock waves that modify locally the features of the transonic flow. Although the numerical efficiency of the plasma fluid model was improved, the computational cost of simulating the effect of DBD plasma actuator on a real scale flow situation was still high. Therefore, a simple model for plasma discharge and its effect on the flow was developed based on scaling of the thrust generated by DBD plasma actuators. The scaled thrust model correctly predicts the nonlinear dependency of the thrust produced and the applied voltage. These scales were then introduced into a simple phenomenological model to estimate and simulate the body force distribution generated by the plasma actuator. Although the model includes some experimental correlations, it does not need any fitting parameter. The model was validated with experimental results and showed better accuracy compared to previous plasma models. Using a simple phenomenological model that was developed here, a numerical study was conducted to investigate and compare the effect of steady and unsteady actuation for controlling the flow at relatively high Reynolds number. Firstly it was shown that the size of the time-averaged separation bubble is greatly reduced and the flow structure is sensitive to the frequency of burst modulation of DBD plasma actuators. The results also confirmed that in the case of unsteady actuation, the burst frequency and burst ratio are crucial parameters for influencing the capability of the actuators to control the flow. It was found that burst frequencies near the natural frequencies of the system were able to excite the flow structure in a resonance mode. This observation also confirmed that with proper frequencies of excitation, the flow structure can be well rearranged and the flow losses can be reduced. In the end, Plasma actuators were used for controlling the flow over the Coanda surface of the ACHEON nozzle. When the plasma actuator was used, it was possible to postpone separation of the flow and increase the deflection angle of the exit jet of the nozzle. To find the optimum position of the actuators, seven DBD actuators in forward forcing mode were placed over the Coanda surface considering the numerically obtained separation points. Results show that when the actuator is placed slightly before the separation point, enhanced thrust vectorizing with the use of DBD actuator is achievable. Preliminary results of the experiments agree with planned/foreseen deflection angle obtained from numerical computation.O objetivo deste trabalho visa a investigação e desenvolvimento de diferentes métodos numéricos para modelação de actuadores a plasma de Descarga em Barreira Dieléctrica, (DBD), tendo em vista o controlo do escoamento na camada limite. Esta modelação numérica foi abordada de duas formas diferentes, uma baseada num modelo de “plasma-fluid” e outra fundamentada num modelo fenomenológico. Neste trabalho é usado um modelo “plasma-fluid” de três componentes que é baseado numa equação de transporte para as partículas electricamente carregadas. Este foi implementado no software OpenFOAM fazendo uso de diversas técnicas para minimização de problemas numéricos que ocorriam na resolução das equações. O cálculo de um problema com acoplamento entre plasma e fluido envolve uma gama diversa de escalas, tanto temporais como dimensionais, trata-se então de uma simulação numérica delicada. Como tal, e por forma a obter resultados estáveis e precisos num tempo de cálculo considerado razoável, foram implementados diversos procedimentos numéricos, tais como o tratamento semiimplícito do acoplamento da equação de Poisson com a equação da densidade de carga, o super-passo-tempo e ainda um algoritmo do tipo divisão de operador. Foi considerado o caso de uma diferença de potencial positiva, constante, e testada a dependência da densidade de corrente com os diferentes esquemas numéricos. Apesar de não existir atualmente uma base de dados, de tipo numérica ou experimental, com casos de teste para actuadores a plasma tipo DBD, o modelo computacional desenvolvido para calcular o plasma foi validado qualitativamente, bem como quantitativamente, usando os vários trabalhos numéricos disponíveis na literatura. Após esta validação inicial, a metodologia numérica desenvolvida foi utilizada para explorar a possibilidade de influenciar um escoamento de maior velocidade, através de actuadores a plasma tipo DBD com impulsos de tensão da ordem de nano-segundos (NS). Desta forma foi simulada a interacção entre um escoamento transónico e o efeito dos actuadores a plasma tipo DBD sobre o escoamento, usando pulsos de nano-segundos. O efeito térmico do gás, assim como a força resultante, foram calculados usando o modelo numérico para cálculo de plasmas desenvolvido neste trabalho. O resultado obtido é acoplado ao modelo de cálculo para a dinâmica de gases, o que torna possível simular as condições do escoamento resultante. Adicionalmente, os resultados do modelo de “plasma-fluid” foram reaproveitados para desenvolver um modelo de deposição de energia. Este demonstrou ter a capacidade de capturar correctamente as características principais do efeito de actuadores de plasma, de tipo NS-DBD, com um tempo de computação menor. Foi demonstrada que uma rápida transferência de energia, do plasma para o fluido, leva à formação de micro-ondas de choque que alteram localmente as características do escoamento transónico. Apesar da eficiência numérica do modelo de “plasma-fluid” ter sido melhorada, o seu custo computacional para a simulação de actuadores a plasma tipo DBD à escala real continua bastante elevado. Neste sentido, a partir de uma escala de propulsão gerada pelo actuador plasma DBD, foi desenvolvido um modelo mais simples para a descarga do plasma e para determinar os seus efeitos sobre o escoamento. O modelo inicial previa correctamente uma dependência não-linear entre a força propulsiva gerada e a diferença de potencial aplicada. Estas escalas foram então introduzidas num modelo fenomenológico mais simples para estimar, e simular, a distribuição de forças geradas pelo actuador a plasma. Apesar de o modelo incluir algumas correlações experimentais, este não requer qualquer parâmetro de afinação. O modelo foi validado com resultados experimentais, demonstrando melhores resultados quando comparado com outros modelos de plasma . Utilizando um modelo fenomenológico simplificado, que foi desenvolvido no presente trabalho, foi feito um estudo numérico com o objetivo de investigar, e comparar, os efeitos que uma actuação estacionária e não-estacionária exibe sobre o controlo do escoamento a números de Reynolds relativamente elevados. Foi demostrado que a dimensão da bolha de separação é reduzida em muito e que a estrutura do escoamento é sensível à frequência da modulação “burst” do actuador a plasma tipo DBD. Os resultados também confirmaram que, para o caso de actuação não-estacionária, a frequência de “burst” e o “burst ratio”, são parâmetros cruciais para influenciar a capacidade de controlo do escoamento por parte dos actuadores a plasma. Determinou-se que as frequências “burst”, semelhantes às frequências naturais do sistema, são capazes de excitar as estruturas do escoamento num modo de ressonância. Esta observação confirma igualmente que, com frequências de excitação apropriadas, a estrutura de um escoamento de camada limite consegue ser correctamente modificada, e que as perdas no escoamento são reduzidas. Por fim, os actuadores a plasma foram utilizados para o controlo do escoamento sobre uma superfície Coanda de uma tubeira. Quando nesta foi aplicado um plasma, tornou-se possível retardar a separação do escoamento e aumentar o ângulo de deflexão do jacto gerado pelo propulsor. Por forma a encontrar a posição óptima para os actuadores, sete actuadores de tipo DBD foram distribuídos ao longo da superfície Coanda, tendo em consideração os pontos de separação do escoamento na camada limite obtidos numericamente. Os resultados mostram que quando o actuador DBD é colocado ligeiramente antes do ponto de separação do escoamento, há um aumento da capacidade de controlo e vectorização do jacto gerado. Os resultados preliminares das experiências efectuadas estão de acordo com o ângulo de deflexão do jacto previsto pelo modelo computacional

Can constructal law and exergy analysis produce a robust design method that couples with industry 4.0 paradigms? The case of a container house

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Modelação analítica e numérica de efeitos transitórios

O rotor cicloidal é também denominado de ciclorotor, ou propulsor cicloidal, e é uma turbomáquina que permite converter energia, quer em modo propulsivo quer como gerador. À medida que as pás do rotor se movimentam, elas oscilam periodicamente ao longo de um ciclo de rotação. O controlo do ângulo de inclinação de cada pá possibilita ao rotor cicloidal alterar de um modo quase instantâneo a direção e a magnitude da força gerada. Devido a esta importante habilidade, o rotor cicloidal pode melhorar o comportamento de veículos aéreos para uma vasta gama de aplicações, nomeadamente a descolagem e aterragem vertical, o alcance do voo em estado pairado (hover), etc. Embora a abordagem baseada em CFD (Computational Fluid Dynamics) seja o meio adequado para analisar o comportamento do escoamento em torno das pás, os modelos analíticos são úteis para fornecer informações relevantes numa fase preliminar do projeto dos rotores cicloidais. No presente trabalho fez-se a proposta de um modelo analítico composto de uma subcomponente cinemática e de uma subcomponente dinânmica. O modelo visa estudar minuciosamente a operação física dos rotores cicloidais e fornecer aproximações para a força gerada e para a potência consumida pelo rotor cicloidal. Tendo em conta as limitações deste modelo analítico, o presente trabalho incluiu ainda a modelação numérica 2D e 3D que permitiu estudar com mais precisão o desempenho e as características do escoamento em rotores cicloidais. Através da modelação numérica, realizaram-se estudos sobre o desempenho dos rotores cicloidais. Também se averiguou a existência de vantagens concernentes à operação de rotores cicloidais em modo inverso, isto é, o caso em que o rotor cicloidal funciona como uma Turbina de Vento de Eixo Vertical. A força gerada por uma pá depende do escoamento em torno dela. E o escoamento em torno de uma pá pode ser alterado através do movimento da própria pá. No presente trabalho propôs-se a alteração do movimento das pás através da imposição de uma vibração harmónica, isto é, as pás do rotor vibram à medida que descrevem o caminho cicloidal convencional. Assim, com a finalidade de melhorar o desempenho do rotor cicloidal, estudaram-se vários casos em que o perfil alar vibra à medida que descreve o movimento de picada oscilante com resultados promissores.A cycloidal rotor, also known as a cyclorotor, or cycloidal propeller, is a turbomachine that allows to convert energy in propulsive mode and in generator mode. The blades of a cycloidal rotor describe a periodic change on their pitch angle over a cycle of rotation. The control of the pitch angle provides to the cycloidal rotor the ability to vary the direction and magnitude of the thrust vector almost instantly. This important characteristic features the cycloidal rotor with an attractive vector thrust capability which may enhance the behavior of a aircraft for a wide range of applications; e.g. VTOL (Vertical Take-Off and Landing), STOL (Short Take-Off and Landing), hover, etc. Although in recent years the CFD based approaches have been able to provide adequate means to analyze the flow behavior around blades, analytical models are useful to provide immediate guidelines in the preliminary stages of the cycloidal rotor design. In the present work it was proposed a novel analytical model composed of a kinematic sub-component and a dynamic sub-component. The model aims to study the physical operation of the cycloidal rotors and to provide approximate estimations of the overall generated thrust and the power required by the operation of the cycloidal rotor. Considering the limitations of the analytical model, the present work includes also the 2D and 3D CFD models that allowed to study with more accuracy the performance and characteristics of the cycloidal rotors. Through numerical modeling, studies were conducted on the performance of the cycloidal rotors. It was also investigated the potential of cycloidal rotors operating in reverse mode, i.e., the case where the cycloidal rotor operates as a Vertical Axis Wind Turbine. The force generated by a blade depends on the flowfield around it. The flowfield around a blade can be changed by changing the motion of the blade. In the present work, it was proposed to change the movement of the blades by imposing an harmonic vibration, that is, the blades vibrate as they describe the conventional cycloidal path. Thus, in order to improve the performance of the cycloidal rotor, several cases in which an airfoil vibrates, while it describes an oscillating motion, were studied with promissing results