Development of a BEM Code for the Study of Vertical Axis Tidal Turbine Performance

Abstract

Vertikalachsen Turbinen bieten vielversprechende Lösungen für erneuerbare Energien, erfordern jedoch effiziente und zuverlässige Simulationswerkzeuge für die Optimierung. Wir untersuchten, ob die Double Multiple Streamtube (DMST) Methode eine schnellere, aber dennoch gleichwertig zuverlässige Alternative zur numerischen Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics, CFD) für die Analyse der Turbinenleistung darstellen könnte. In dieser Studie wurde ein auf DMST basierender Code entwickelt, um das Verhalten von Turbinen zu simulieren, wobei der Fokus auf dreidimensionalen Effekten, Scherströmungen, Wechselwirkungen zwischen mehreren Rotorblättern und struktureller Dynamik lag.Das Modell wurde anhand experimenteller Daten und Literatur validiert und berücksichtigt Korrekturen wie Spitzenverluste, Widerstandsverluste und Scherströmungen. Obwohl die aktuelle Version des Codes eine sehr kurze Rechenzeit aufweist und sich daher für schnelle parametrische Analysen eignet, erreicht sie noch nicht die Genauigkeit von CFD. Dies deutet darauf hin, dass weitere Verbesserungen erforderlich sind, um die Zuverlässigkeit und Präzision zu erhöhen.Diese Arbeit hebt das Potenzial von DMST als praktisches Werkzeug für das Design und die Optimierung von Turbinen hervor und unterstützt den Übergang zu nachhaltigen Energielösungen. Obwohl der entwickelte Code noch nicht perfekt ist, bietet er eine effiziente Alternative zu CFD und legt den Grundstein für zukünftige Verbesserungen. Zukünftige Forschung könnte sich auf die Verfeinerung von Verlustmodellen und die Integration fortschrittlicher Nachlaufsimulationen

Vertical axis turbines offer promising solutions for renewable energy but require efficient and reliable simulation tools for optimization. We asked whether the Double Multiple Streamtube (DMST) method could provide a faster yet equally reliable alternative to Computational Fluid Dynamics (CFD) for turbine performance analysis. This study developed a DMST-based code to simulate turbine behavior, focusing on three dimensional effects, shear flow, multi-blade interactions, and structural dynamics.The model was validated using experimental and literature data, incorporating corrections such as tip loss, drag loss, and shear flow. While the current version of the code demonstrates a very low computational time, making it suitable for rapid parametric analyses, it does not yet achieve the accuracy of CFD. This indicates that further improvements are needed to refine its reliability and precision.This work highlights the potential of DMST as a practical tool for turbine design and optimization, supporting the transition toward sustainable energy solutions. Although the developed code is not yet perfect, it provides an efficient alternative to CFD and lays the groundwork for future enhancements. Future research could refine loss models and integrate advanced wake simulations for further improvements.