umu.sePublications
Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Computational Fluid Dynamic Analysis of Effects of Local Geometry & Bathymetry on Tidal Turbine Performance
Umeå University, Faculty of Science and Technology, Department of Physics.ORCID iD: 0000-0001-7012-0882
2013 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesis
Abstract [en]

The power output from tidal turbines is examined due to the influences of bathymetry effects and beforehand believed beneficial arrays of tidal turbines. Additionally the velocity profile behaviour over bathymetry differences is investigated by applying a 1/7th power law approximating the inlet velocity profile. This report describes the complete work from the beginning of building up bathymetry and multi device models, through serious analysis of interesting results achieved. The models are built in the commercial software of ANSYS DesignModelerTM and further simulated by using the CFD code of ANSYS FluentTM 14.5. The turbine(s) is approximated by an actuator disk(s) and the method of porous media conditions. The turbulence model applied is the RANS k-ω SST.The project consists of two preliminary studies (the model study and the mesh study) and two main studies (the multi device study and the bathymetry study). The main studies are done in parallel to each other independently, examining which parameters that have influence of the total power output. However the studies are aiming in the same direction of the end goal; the gained knowledge is to be used for bonding the studies into one in future work.The multi device study focuses on the parameter of lateral and longitudinal spacing between several deployed turbines, and investigates mainly 4 configurations consisting of 4 numbers of turbines each. Two additional configurations are investigated which consists of 3 respective 5 number of turbines. The inlet boundary conditions are set to total pressure inlet. No bathymetry is added.The bathymetry study focuses on the parameter of how bathymetry differences, designed from an exact defined gaussian curve, influences the total power output from the turbines. The bathymetry differences are varied with a bump and a trough of two different dimensions, 3 [m] and 6 [m] respectively. Additionally the bathymetry study considers the velocity profiles behaviour over bathymetry differences through the 1/7th power law profile applied at the inlet boundary condition. In total the bathymetry study consists of 14 models; 4 flat models, 6 bump models and 4 trough models with and without turbine respectively.The results from the multi device study strongly indicate that both lateral and longitudinal spacing is important for setting up configuration patterns. It is shown that at several lateral spacing dimensions, a velocity increase between the turbines occur, which could be used in a beneficial purpose for a second row of turbines.The result from the bathymetry study indicates that placing a turbine on top of a bump contributes to a higher power output, while placing a turbine in a trough indicates that, due to flow separation the attack velocity into the turbine becomes remarkable low and gives a much lower power output. Furthermore it is concluded that already at bathymetry differences of 3 [m] of magnitude, the velocity behaviour and total power output is influenced. Particularly there are interesting results shown for the trough models of 6 [m] of magnitude while separation phenomena occurs with a large influence of the turbines ability of power delivery.The results from the velocity profile investigation shows interesting results of non-symmetric behaviour over bathymetry differences, which are important results for future elaboration set ups. The non-symmetric behaviour is, notable, much larger at 6 [m] of magnitude comparing with 3 [m].Additionally a large work is done on analysing the theoretical number of maximal power outtake possible. There are to date no theoretical number determined for the maximum power coefficient Cp for under water turbines, corresponding to the known Betz’s limit valid above water surface i.e. used in wind industry. The concluded results are determined to be left out as an open discussion in Appendix inside this report.

Abstract [sv]

Effektuttaget från tidvattenturbiner undersöks i två olika studier. En turbin är placerad i olika bathymetriska förhållanden och dess influens av effektuttaget utreds. En parallell turbinpark-studie av effektuttag utförs med flera turbiner placerade i olika mönster. Även hastighetsprofilens beteende studeras över batymetrin genom att approximera hastighetsprofilen vid inloppet med en exponentialfunktion med potens 1/7. Den här rapporten beskriver en komplett studie från design av de uppbyggda modellerna till analys av intresanta resultat. Allt arbete är utfört i mjukvaruprogrammet Ansys Design modeler samt Ansys Fluent 14.5. Turbinerna är approximerade med hjälp av de så kallade aktuator diskar som i sin tur motsvarar metoden av porös media i Ansys Fluent 14.5. Turbulensmodellen som används genom hela studien är RANS k-ω SST.Projektet består av två förstudier (modellstudie och mesh-studie) och två huvudstudier (turbinepark-studie och batymetri-studie). Huvudstudierna utförs parallellt och oberoende av varandra där syftet är främst att ta reda på vilka parametrar som influerar det totala effektuttaget. Studierna ämnar samla tillräcklig kunskap för att i framtiden kunna sammanstråla till en enda studie.Trubinpark-studien fokuserar på att underska inverkan av att variera det logitudinella och det latterala avståndet mellan turbinerna. Huvudsakligen består parkerna av 4 turbiner placerade i 4 konfigurationer samt två extra konfigurationer med 3 respektive 5 stycken turbiner. I turbinpark-studien är ingen batymetri definierad.I batymetri-studien är fokus ämnad till att ta reda på hur mycket batymetri-förhållanden influerar det totala effektuttaget. Batymetrin är designad genom exakta definierade datapunkter beskrivna ur definitionen av en gaussisk kurva. batymetrin varieras med gropar och kullar med dimensioner av 3 respektive 6 meter. I batymetri-studien undersöks också hur hastighetsprofilen påverkas av batymetrin. Totalt består batymetri-studien av 14 designade modeller; 4 med platt botten för referenser, 6 modeller med kulle samt 4 modeller med gropar.Resultaten från turbinpark-studien indikerar starkt att både laterala och longitudinella avstånd är mycket viktiga att beakta vid designen av parken. Studien visar att vid vissa laterala avstånd kan en hastighetsacceleration mellan turbinerna uppstå, vilket kan utnyttjas till ett högre effektuttag i nästa rad av turbiner.Resultaten från batymetristudien indikerar att det alltid är lönande i effekt att placera en turbin på en kulle medan att placera en trubin i en grop är förödande redan vid dimensioner kring 3 meter. Vid placering av turbinen i en6 meter djup grop är det mycket tydligt att effektuttaget blir lågt på grund av att en negativ tryckgradient uppstår. Vidare kan det också konstateras att redan vid 3 meter är påverkan på både effektuttag och hastihetsprofil så stort att det inte går att negligera.Resultaten kring utredandet av hastighetsprofilens påverkan av batymetrin visar ett osymmetriskt beteende över batymetrin, vilket är viktiga resultat för framtidens tester i laboratorium. Det visar att man inte kan modellera ett bra nog scenario med en platt botten. Det osymmetriska beteendet är klart mycket större med magnituden 6 meter när vi jämför med 3 meter.Till sist i denna rapport analyseras det teoretiska värdet av maximalt effektuttag. Det finns inte idag något teoretiskt värde för vattenturbiner som motsvarar det som finns för vindturbiner, känd under benämningen Betz’s limit. Resultaten av denna analys är lämnad som en öppen diskussion i Appendix.

Place, publisher, year, edition, pages
2013. , 83 p.
Keyword [en]
Tidal power
Keyword [sv]
Tidvattenturbiner
National Category
Other Physics Topics
Identifiers
URN: urn:nbn:se:umu:diva-73403OAI: oai:DiVA.org:umu-73403DiVA: diva2:631417
Subject / course
Examensarbete i teknisk fysik
Educational program
Master of Science Programme in Engineering Physics
Presentation
2013-06-05, Umeå, 09:00
Supervisors
Examiners
Available from: 2013-07-26 Created: 2013-06-20 Last updated: 2013-07-26Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text

Search in DiVA

By author/editor
Bergström, Christina
By organisation
Department of Physics
Other Physics Topics

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 135 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf