Airfoil selection for a small-scale vertical axis wind turbine : a numerical study

This thesis is conducted with methods to select an airfoil for a small-scale vertical axis wind turbine to operate at relatively low tip-speed ratios. With the application of Computational Fluid Dynamics (CFD), the aerodynamic performance of the selected airfoil is then compared to the commonly used NACA 0018 airfoil. Our approach is to focus on the tangential force employed in the selection of the airfoil. To do so, an approach was developed using MATLAB software to use NACA four-digit algorithm to generate the geometry of the airfoil and, then by the implementation of Xfoil V6.99 to the code, the values of tangential force coefficient for a range of angles of attack are then predicted. These values are then compared to the NACA 0018 airfoil. The airfoil that yields the highest tangential force coefficient at a range of angles of attack is chosen. The selected airfoil is then used to model an H-type Vertical Axis Wind Turbine (VAWT), which is then used for CFD simulations. The results show that the power coefficient of the turbine equipped with the selected airfoil exceeds that of equipped with NACA 0018 for a lower rotational rate (TSR < 3), and the maximum relative growth rate of 56% occurs at the tip-speed ratio of 1. Keywords: vertical axis wind turbine, wind power, H-rotor, CFD simulations, airfoil designÍ þessari ritgerð er sett fram aðferðafræði til að velja vængsnið fyrir lítinn, lóðréttan vindhverfil sem vinnur á lágum snúningshraða. Með því að beita aðferðum tölulegrar straumfræði, eru loftfræðilegir eiginleikar metnir og frammistaða vængsniðsins borin saman við vængsniðið NACA 0018 sem algengt er að nota í slíkum vindhverflum. Okkar aðferðafræði tekur sérstakt mið af þætti lyftikraftsins sem vængsniðið nær fram í stefnu ferils þess í hringhreyfingunni. Til að ná fram þessum upplýsingum, þá var þróað MATLAB algrím sem mótar öll möguleg vængsnið eftir fjögurra stafa NACA forskrift, og í framhaldi var Xfoil V6.99 forriti beitt til að reikna viðkomandi lyftikrafta fyrir nauðsynlegt svið af aðfallshornum. Þessi gildi voru síðan borin saman við gildi NACA 0018 vængsniðs. Farin var sú leið að velja það vængsnið sem gaf hæsta lyftikraftinn yfir valið svið aðfallshorna, sem endurspegla aðfallshorn er blaðið verður fyrir á hringhreyfingu sinni. Það vængsnið sem valið var með ofangreindri aðferð var síðan notað í hermun á H-gerð lóðrétts vindhverfils sem greindur var með aðferðum tölugrar straumfræði. Niðurstöður þeirrar greiningar sýnir að aflstuðull vindhverfilsins er meiri en sambærilegs vindhverfils þar sem vængsniði NACA 0018 er beitt við lægri hornhraða (TSR < 3), og mesti munur milli þessara tveggja hverfla gefur um 56% betri aflstuðul við lágan snúningshraða (TSR =1). Lykilorð: lóðréttur vindhverfill, vindorka, H-hverfill, Töluleg straumfræði, hönnun vængsniðsLandsvirkjun's Energy Research Fund of Iceland. (no. NÝR-04 – 2021