Experimental and Computational Study of the Aerodynamic Characteristics of a Darrieus Rotor with Asymmetrical Blades to Increase Turbine Efficiency Under Low Wind Velocity Conditions

2025

Толық мәтін Ашық қол жеткізу: Gold Метадеректер (CSL-JSON)
DOI 10.3390/asi8020049
Деректер сенімділігі 70 орташа
Бұл баға қалай есептеледі

Ол жазбаның өзінің тексерілетін белгілерінен құралады: мақаланың DOI-і бар ма, оның деректерін қанша тәуелсіз дереккөз растады, міндетті өрістер толтырылған ба және соңғы растау қаншалықты жаңа. Дереккөздер арасындағы алшақтық пен идентификатордың болмауы бағаны төмендетеді. 80-нен бастап мән жазбаның қосымша тексерусіз жарияланғанын, 60-тан 79-ға дейін — оның сенімділігі төмен күйде жарияланғанын және қолмен тексеру ұсынылатынын білдіреді. Редактор қолмен тексерген жазбаны қайта есептеу 90-нан төмен түсірмейді. Бұл — мақаланың өзіне емес, ол туралы деректерімізге берілген баға.

Аңдатпа

In this study, we conducted experimental and numerical investigations of a Darrieus rotor with asymmetrical blades, which has two structural configurations—with and without horizontal parallel plates. Experimental tests were conducted in a wind tunnel at various air flow velocities (ranging from 3 m/s to 15 m/s), measuring rotor rotation frequency, torque, and thrust force. The computational simulation used the ANSYS 2022 R2 Fluent software package, where CFD simulations of air flow around both rotor configurations were performed. The calculations employed the Realizable k-ε turbulence model, while an unstructured mesh with local refinement in the blade–flow interaction zones was used for grid generation. The study results showed that the rotor with horizontal parallel plates exhibits higher aerodynamic efficiency at low wind velocities compared to the no-plates rotor. The experimental findings indicated that at wind speeds of 3–6 m/s, the rotor with plates demonstrates 18–22% higher torque, which facilitates the self-start process and stabilizes turbine operation. The numerical simulations confirmed that horizontal plates contribute to stabilizing the air flow by reducing the intensity of vortex structures behind the blades, thereby decreasing aerodynamic drag and minimizing energy losses. It was also found that the presence of plates creates a directed flow effect, increasing the lift force on the blades and improving the power coefficient (Cp). In the case of the rotor without plates, the CFD simulations identified significant low-pressure zones and high turbulence regions behind the blades, leading to increased aerodynamic losses and reduced efficiency. Thus, the experimental and numerical modeling results confirm that the Darrieus rotor with horizontal parallel plates is a more efficient solution for operation under low and variable wind conditions. The optimized design with plates ensures more stable flow, reduces energy losses, and increases the turbine’s power coefficient. These findings may be useful for designing small-scale wind energy systems intended for areas with low wind speeds.