Cfd modelling of h-darrieus vertical axis wind turbine

TABLE OF CONTENTS 
ABSTRACT ...................................................................................................................................... v 
LIST OF FIGURES .......................................................................................................................... ix 
LIST OF TABLES ............................................................................................................................ x 
NOMENCLATURE ......................................................................................................................... xi 
CHAPTER 1: INTRODUCTION ......................................................................................................... 1 
1.1 RENEWABLE ENERGY SITUATION IN BANGLADESH ................................................... 1 
1.2 WIND ENERGY ......................................................................................................................... 4 
1.3 WIND TURBINE AND ITS TYPE ............................................................................................ 9 
1.4 A BRIEF OVERVIEW OF VAWT ............................................................................................ 9 
1.5 RESEARCH PROBLEM STATEMENT ................................................................................. 10 
1.6 GOALS AND OBJECTIVES OF THE STUDY ...................................................................... 10 
1.7 SCOPE AND LIMITATION OF THE STUDY ....................................................................... 10 
1.8 METHODOLOGY OF THE STUDY ...................................................................................... 11 
1.9 MAIN FEATURES OF THE STUDY ...................................................................................... 11 
1.10 ARRANGEMENT/ORGANIZATION OF THE THESIS ..................................................... 11 
CHAPTER 2: LITERATURE REVIEW ............................................................................................ 13 
2.1 ANALYTICAL STUDY APPROACH OF H-DARRIEUS VAWT ........................................ 14 
2.1.1 Momentum Model .............................................................................................................. 14 
2.1.1.1 Single Streamtube Model ............................................................................................. 14 
2.1.1.2 Multiple Streamtube Model ......................................................................................... 14 
2.1.1.3 Double-multiple Streamtube model ............................................................................. 14 
2.1.2 Vortex Model ...................................................................................................................... 15 
2.1.3 Cascade Models .................................................................................................................. 16 

---

VII 
2.2 COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS SIMULATION ................................................... 16 
2.2.1 Considering Different Turbulence Models ......................................................................... 16 
2.2.1.1 k-ε model...................................................................................................................... 16 
2.2.1.2 k-ω (SST) model .......................................................................................................... 17 
2.2.1.3 Transition SST model .................................................................................................. 17 
2.3 COMBINED STUDIES (ANALYTICAL, CFD AND EXPERIMENTAL) ........................... 18 
CHAPTER 3: THEORY ..................................................................................................................... 20 
3.1 FINITE VOLUME METHOD- AN OVERVIEW.................................................................... 20 
3.2 COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS (CFD) .................................................................. 21 
3.2.1 Governing Equation ............................................................................................................ 21 
3.2.1.1 Mass Conservation ....................................................................................................... 21 
3.2.1.2 Momentum equation .................................................................................................... 22 
3.2.1.3 Energy Conservation .................................................................................................... 22 
3.2.1.4 Navier-Stokes Equations .............................................................................................. 23 
3.2.2 Finite Volume Method........................................................................................................ 24 
3.2.3 Turbulence Modelling ........................................................................................................ 25 
3.2.3.1 The K- ε Model ........................................................................................................... 26 
3.2.3.2 The K - ω Model ......................................................................................................... 27 
3.2.3.3 The Shear-Stress Transport (SST) Model .................................................................... 27 
3.3 WIND TURBINE TERMS ....................................................................................................... 28 
3.3.1 Tip Speed Ratio .................................................................................................................. 28 
3.3.2 Power Co-Efficient and Its Calculation .............................................................................. 28 
3.3 C
p
 Vs λ Curve ........................................................................................................................ 29 
CHAPTER 4: CFD SIMULATION ENVIRONMENT ..................................................................... 32 
4.1 FLUID-STRUCTURE INTERACTION................................................................................... 32 

---

VIII 
4.2 FEATURES OF THE EXPERIMENTAL ROTOR: ................................................................ 33 
4.3 DESIGNING THE TURBINE GEOMETRY ........................................................................... 34 
4.4 GENERATION OF MESH ....................................................................................................... 38 
4.5 SOLVER SETTINGS- FLUENT SETUP ................................................................................ 40 
4.5.1 The Sliding Mesh Approach ............................................................................................... 40 
4.6 SOLUTION SETUP .................................................................................................................. 41 
4.6.1 Boundary Conditions .......................................................................................................... 41 
4.6.2 Turbulence Model ............................................................................................................... 42 
4.6.3 Time Step Calculation ........................................................................................................ 42 
4.6.4 Reference Values and Power Coefficient ........................................................................... 43 
4.6.5 Solution Methods ................................................................................................................ 44 
4.6.6 Summary of the fluid domain simulation ........................................................................... 46 
CHAPTER 5: RESULTS AND DISCUSSIONS ............................................................................... 47 
5.1 MESH INDEPENDENCE STUDY .......................................................................................... 47 
5.2 TIME INDEPENDENCE STUDY ........................................................................................... 49 
5.3 VALIDATION OF SIMULATION WITH DATA PRESENT IN THE LITERATURE ........ 51 
5.3.1 C
p 
vs λ Curve ...................................................................................................................... 51 
5.4 VELOCITY FIELD PLOTS ..................................................................................................... 51 
CHAPTER 6: CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS ...................................................... 53 
6.1 SUMMARY OF THE WORK .................................................................................................. 53 
6.2 CONCLUSION ......................................................................................................................... 53 
6.3 RECOMMENDATION AND FUTURE WORKS ................................................................... 54 

---

IX