Timescales of dynamic stall development on a vertical-axis wind turbine blade

Vertical-axis wind turbines are great candidates to diversify wind energy technology, but their aerodynamic complexity limits industrial deployment. To improve the efficiency and lifespan of vertical axis wind turbines, we desire data-driven models and control strategies that take into account the timing and duration of subsequent events in the unsteady flow development. Here, we aim to characterise the chain of events that leads to dynamic stall on a vertical-axis wind turbine blade and to quantify the influence of the turbine operation conditions on the duration of the individual flow development stages. We present time-resolved flow and unsteady load measurements of a wind turbine model undergoing dynamic stall for a wide range of tip-speed ratios. Proper orthogonal decomposition is used to identify dominant flow structures and to distinguish six characteristic stall stages: the attached flow, shear-layer growth, vortex formation, upwind stall, downwind stall, and flow reattachment stage. The timing and duration of the individual stages are best characterised by the non-dimensional convective time. Dynamic stall stages are also identified based on aerodynamic force measurements. Most of the aerodynamic work is done during the shear-layer growth and the vortex formation stage which underlines the importance of managing dynamic stall on vertical-axis wind turbines

Greenberg’s force prediction for vertical axis wind turbine blade

We present a method to adapt Greenberg's potential flow model for coupled pitching and surging flow such that it can be applied to predict the loads on a vertical-axis wind turbine blade. The model is extended to compute loads on a blade undergoing multi-harmonic oscillations in effective angle of attack and incoming flow velocity by formulating the blade kinematics as a sum of simple harmonic motions. Each of these functions is a multiple of the main turbine rotational frequency, associated with an individual amplitude, as suggested by Greenberg. The results of the adapted model are compared with experimental data from a scaled-down model of a single-bladed H-type Darrieus wind turbine. The comparison between the predictions by the Greenberg model and experimentally obtained phase-averaged radial force evolutions show that the inviscid Greenberg model predicts well the loads at the start of the upwind portion and the maximum loads during upwind, but fails during the downwind portion when flow separation occurs. The proposed application of Greenberg's model to vertical-axis wind turbine kinematics shows a great potential to diagnose regions of separated flow and for quantifying the relative influences of dynamic stall and intrinsic turbine kinematics on the blade loading. Future research can readily extend this method to any airfoil undergoing an arbitrary combination of pitching, surging, and heaving, following a kinematic profile that can be approximated by a Fourier series

Nitrogen dynamic in Eurasian coastal Arctic ecosystem: Insight from nitrogen isotope

Primary productivity is limited by the availability of nitrogen (N) in most of the coastal Arctic, as a large portion of N is released by the spring freshet and completely consumed during the following summer. Thus, understanding the fate of riverine nitrogen is critical to identify the link between dissolved nitrogen dynamic and coastal primary productivity to foresee upcoming changes in the Arctic seas, such as increase riverine discharge and permafrost thaw. Here, we provide a field-based study of nitrogen dynamic over the Laptev Sea shelf based on isotope geochemistry. We demonstrate that while most of the nitrate found under the surface fresh water layer is of remineralized origin, some of the nitrate originates from atmospheric input and was probably transported at depth by the mixing of brine-enriched denser water during sea-ice formation. Moreover, our results suggest that riverine dissolved organic nitrogen (DON) represents up to 6 times the total riverine release of nitrate and that about 62 to 76% of the DON is removed within the shelf waters. This is a crucial information regarding the near-future impact of climate change on primary productivity in the Eurasian coastal Arctic

Net primary productivity estimates and environmental variables in the Arctic Ocean: An assessment of coupled physical-biogeochemical models

The relative skill of 21 regional and global biogeochemical models was assessed in terms of how well the models reproduced observed net primary productivity (NPP) and environmental variables such as nitrate concentration (NO3), mixed layer depth (MLD), euphotic layer depth (Zeu), and sea ice concentration, by comparing results against a newly updated, quality-controlled in situ NPP database for the Arctic Ocean (1959-2011). The models broadly captured the spatial features of integrated NPP (iNPP) on a pan-Arctic scale. Most models underestimated iNPP by varying degrees in spite of overestimating surface NO3, MLD, and Zeu throughout the regions. Among the models, iNPP exhibited little difference over sea ice condition (ice-free vs. ice-influenced) and bottom depth (shelf vs. deep ocean). The models performed relatively well for the most recent decade and towards the end of Arctic summer. In the Barents and Greenland Seas, regional model skill of surface NO3 was best associated with how well MLD was reproduced. . Regionally, iNPP was relatively well simulated in the Beaufort Sea and the central Arctic Basin, where in situ NPP is low and nutrients are mostly depleted. Models performed less well at simulating iNPP in the Greenland and Chukchi Seas, despite the higher model skill in MLD and sea ice concentration, respectively. iNPP model skill was constrained by different factors in different Arctic Ocean regions. Our study suggests that better parameterization of biological and ecological microbial rates (phytoplankton growth and zooplankton grazing) are needed for improved Arctic Ocean biogeochemical modeling

Organic matter remineralization in marine sediments : A Pan-Arctic synthesis

Natural Environment Research Council (GrantNumber(s): NE/J023094/1; Grant recipient(s): Ursula Witte) ArcticNet (GrantNumber(s): Hotspot biodiversity project; Grant recipient(s): Philippe Archambault)Peer reviewedPublisher PD

On the biogeochemical response of a glacierized High Arctic watershed to climate change: Revealing patterns, processes and heterogeneity among micro-catchments

Our novel study examines landscape biogeochemical evolution following deglaciation and permafrost change in Svalbard by looking at the productivity of various micro-catchments existing within one watershed. It also sheds light on how moraine, talus and soil environments contribute to solute export from the entire watershed into the downstream marine ecosystem. We find that solute dynamics in different micro-catchments are sensitive to abiotic factors such as runoff volume, water temperature, geology, geomorphological controls upon hydrological flowpaths and landscape evolution following sea level and glacial changes. Biotic factors influence the anionic composition of runoff because of the importance of microbial SO42− and NO3− production. The legacy of glaciation and its impact upon sea level changes is shown to influence local hydrochemistry, allowing Cl− to be used as a tracer of thawing permafrost that has marine origins. However, we show that a ‘glacial signal’ dominates solute export from the watershed. Therefore, although climatically driven change in the proglacial area has an influence on local ecosystems, the biogeochemical response of the entire watershed is dominated by glacially derived products of rapid chemical weathering. Consequently, only the study of micro-catchments existing within watersheds can uncover the landscape response to contemporary climate change

Étude couplage circulation-production planctonique à méso-échelle dans le golfe du Saint-Laurent (Canada) via une approche par modélisation tridimentionnelle

La circulation à méso-échelle joue un rôle majeur sur la distribution, la structure et la productivité des écosystèmes planctoniques tant en milieu ouvert que côtier. Le golfe du Saint-Laurent est une mer côtière sub-arctique qui est caractérisée par des conditions hydrodynamiques hautement variables. Des processus à méso-échelle tels que des fronts, des tourbillons, des méandres et des résurgences côtières y génèrent une hétérogénéité spatiale de la productivité marine. Améliorer notre compréhension des liens entre la biologie et l'environnement physique est donc nécessaire afin d'évaluer les effets de la variabilité du climat sur la production planctonique du golfe. Dans cette optique, l'objectif général de la thèse était d'étudier l'influence de la circulation à méso-échelle sur la dynamique de la production planctonique du golfe du Saint- Laurent. A cette fm, un modèle tridimensionnel (3-D) haute résolution couplé physiquebiologie a été développé pour la première fois pour les eaux du Saint-Laurent. Le modèle d'écosystème planctonique est modérément complexe et prend en considération la compétition entre les chaînes trophiques herbivore et microbienne, caractéristiques du cycle de production planctonique du golfe. Le modèle biologique est couplé à un modèle prognostique couplé circulation-glace de mer gouverné par des forçages océaniques, atmosphériques et hydrologiques réalistes. Afin de répondre à l'objectif général, trois objectifs spécifiques ont été fixés. Le premier objectif spécifique (chapitre II) consistait à vérifier la robustesse écologique du modèle couplé physique-biologie à l'échelle régionale et à décrire qualitativement et quantitativement la variabilité sous-régionale du cycle saisonnier planctonique en réponse aux régimes hydrodynamiques variés qui caractérisent le système. Un cycle planctonique cohérent avec les observations rapportées dans le golfe a été produit par le modèle : (1) une floraison printanière dominée par le phytoplancton de grande taille, (2) la formation en été d'un maximum profond de chlorophylle a et une production primaire principalement régénérée, et (3) une augmentation de la proportion de la production nouvelle associée aux apports de nitrate dus au mélange automnal. La dynamique de la glace de mer est responsable de la variabilité sous-régionale du déclenchement de la floraison de printemps. Les champs de nitrate et de chlorophylle a simulés ont été validés avec succès à partir de mesures in situ coïncidentes dans le temps et l'espace obtenues dans le cadre du Programme de Monitorage Zonal Atlantique (PMZA). Le modèle a également mis en évidence le rôle majeur de l'activité à méso-échelle sur la production primaire annuelle qui montre une forte hétérogénéité spatiale (40-150 g C m-2 an-I). TI est apparu clairement que le golfe ne pouvait être considéré comme un système homogène. L'intensité de la floraison printanière étant similaire entre les sous-régions du GSL, la variabilité spatiale de la production primaire annuelle est due à des différences dans la production estivale associées à des conditions hydrodynamiques différentes. Le modèle a mis en lumière des zones de plus forte production associées à une plus forte activité de la chaîne trophique herbivore. Ce résultat suggère qu'en dehors de la période de floraison printanière, la production primaire soit localement du même ordre de grandeur que durant le printemps. En ce sens, la variabilité synoptique se compare en importance à la variabilité saisonnière. Compte tenu de la limitation imposée par les observations in situ en terme de validation spatiale, le second objectif spécifique (chapitre ID) visait à valider les solutions du modèle couplé à l'échelle régionale et synoptique à l'aide de données satellites de température de surface (AVHRR) et de couleur de l'eau (SeaWIFS). Une bonne correspondance qualitative et quantitative a été observée entre les valeurs de température de surface simulées et dérivées du radiomètre A VHRR. Une relation inversement linéaire reliant l'atténuation de la lumière due au matériel non-chlorophyllien à la salinité du modèle a été incorporée à la formulation du champ de lumière permettant ainsi de simuler explicitement la turbidité. La comparaison des valeurs de chlorophylle a simulées et dérivées des mesures du senseur Sea WIFS avec les valeurs mesurées in situ coïncidentes dans le temps et l'espace a révélé une surestimation substantielle par le senseur dans les eaux estuariennes, suggérant une contamination de ces valeurs par des composés optiques actifs (principalement de la matière organique colorée) présents dans l'eau. En revanche, les patrons spatiaux dérivés du senseur Sea WIFS ont montré une bonne correspondance avec les champs simulés de turbidité et ont ainsi permis de valider la variabilité saisonnière et synoptique de la circulation estuarienne. Au regard de ces résultats, il est apparu important de quantifier l'impact de la turbidité associée au panache estuarien sur la dynamique planctonique de l'estuaire et du golfe, constituant ainsi le troisième et dernier objectif spécifique de la thèse (chapitre IV). La nouvelle formulation reliant le coefficient d'atténuation diffuse due au matériel nonchlorophyllien à la salinité du modèle a permis de mieux simuler le déclenchement de la floraison printanière dans l'estuaire, où l'influence de l'écoulement des eaux douces est la plus marquée. De plus, les concentrations de nitrate simulées ont montré un meilleur accord avec les mesures in situ à deux stations fIxes du nord-ouest du golfe fortement affectées par l'écoulement des eaux estuariennes. Les flux latéraux de nitrate dans la couche de surface ont été augmentés dans tout l'ouest du golfe pour se rapprocher des estimations rapportées dans la littérature, mais la production primaire dans les sous-régions influencées par le panache estuarien a été réduite, soulevant ainsi un paradoxe. En conclusion, le modèle 3-D couplé physique-biologie a mis en lumière une variabilité à méso-échelle importante dans le golfe du Saint-Laurent qui devrait faire l'objet d'une attention particulière dans une perspective de prédire et d'évaluer les effets des changements climatiques sur la productivité du système. Des améliorations devront être apportées au modèle dans son aspect biogéochimique, avec une emphase particulière concernant la modélisation de la dynamique du phytoplancton dans les eaux estuariennes plus turbides dont l'importance au niveau régional s'avère majeure

Incidence des infections nosocomiales en unités de soins longue durée (étude réalisée au CH Morlaix)

BREST-BU Médecine-Odontologie (290192102) / SudocPARIS-BIUM (751062103) / SudocSudocFranceF

The dynamics and timescales of static stall

Airfoil stall plays a central role in the design of safe and efficient lifting surfaces. We typically distinguish between static and dynamic stall based on the unsteady rate of change of an airfoil's angle of attack. Despite the somewhat misleading denotation, the force and flow development of an airfoil undergoing static stall are highly unsteady and the boundary with dynamic stall is not clearly defined. We experimentally investigate the forces acting on a two-dimensional airfoil that is subjected to two manoeuvres leading to static stall: a slow continuous increase in angle of attack with a reduced pitch rate of 1.3e-4 and a step-wise increase in angle of attack from 14.2{\deg} to 14.8{\deg} within 0.04 convective times. We systematically quantify the stall reaction delay for many repetitions of these two manoeuvres. The onset of flow stall is marked by the distinct drop in the lift coefficient. The reaction delay for the slow continuous ramp-up manoeuvre is not influenced by the blade kinematics and its occurrence histogram is normally distributed around 32 convective times. The static reaction delay is compared with dynamic stall delays for dynamic ramp-up motions with reduced pitch rates ranging from 9e-4 to 0.14 and for dynamic sinusoidal pitching motions of different airfoils at higher Reynolds numbers up to 1e6. The stall delays for all conditions follows the same power law decrease from 32 convective times for the most steady case down to an asymptotic value of 3 for reduced pitch rates above 0.04. Static stall is not phenomenologically different than dynamic stall and is merely a typical case of stall for low pitch rates. Based on our results, we suggest that conventional measurements of the static stall angle and the static load curves should be conducted using a continuous and uniform ramp-up motion at a reduced frequency around 1e-4