Optimization of a H-Darrieus turbine through parametric geometry based on Joukowsky transformation for low-TSR operational ranges

Abstract

The depletion of traditional fossil fuel resources due to increased energy usage has led to efforts to promote renewable energy sources such as wind energy. This study aims to identify the optimal profile for an operational range (TSR = 2.33, 2.64, and 3.09) in terms of performance through the numerical integration of the Cp-TSR curve by combining Computational Fluid Dynamics (CFD) with the Metamodel of Optimal Prognosis (MOP) response surface approach. Three parameters (a/b ratio, m, and pitch angle) are analyzed using the Joukowsky transformation parametrization methodology for symmetrical airfoils. The optimized turbine, performed using Gradient-based approaches, achieved a higher average Cp at each TSR compared to the traditional NACA 0021. Furthermore, a comparative analysis of non-dimensional velocity and pressure contour between the optimal and the original profile was conducted. The study demonstrated that the approach used in coupling CFD modeling and optimization tools is reliable, cost-effective, and appropriate for fluid flow phenomena for high-dimensional and computationally expensive CFD models at different TSR.

A depleção dos recursos tradicionais de combustíveis fósseis devido ao aumento do uso de energia tem levado a esforços para promover fontes de energia renovável, como a energia eólica. Este estudo visa identificar o perfil ótimo para uma faixa operacional (TSR = 2,33, 2,64 e 3,09) em termos de desempenho, por meio da integração numérica da curva Cp-TSR combinando a Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD) com a abordagem de superfície de resposta do Metamodelo de Prognóstico Ótimo (MOP). Três parâmetros (relação a/b, m e ângulo de inclinação) são analisados utilizando a metodologia de parametrização da transformação de Joukowsky para aerofólios simétricos. A turbina otimizada, realizada usando abordagens baseadas em Gradiente, alcançou um Cp médio mais alto em cada TSR comparado ao tradicional NACA 0021. Além disso, foi conduzida uma análise comparativa do contorno de velocidade e pressão adimensional entre o perfil ótimo e o original. O estudo demonstrou que a abordagem utilizada no acoplamento da modelagem CFD e ferramentas de otimização é confiável, custoefetiva e apropriada para fenômenos de fluxo de fluidos para modelos CFD de alta dimensão e computacionalmente caros em diferentes TSR.