Aerodynamic performance investigation of the use of slotted airfoils as a passive boundary layer control method for wind turbine applications

Abstract

[ES] En este proyecto de investigación se analiza la mejora de la eficiencia aerodinámica de un NACA 0012 y un NREL S809 mediante la implementación de una ranura optimizada como método de control pasivo de la capa límite. Durante la investigación, se realizó una revisión literaria para establecer las características de ranura más óptimas antes de su implementación en los perfiles alares. Después se construyeron cuatro perfiles alares: NACA 0012 sin ranurar, NACA 0012 ranurado, NREL S809 sin ranurar, NREL S809 ranurado y se realizaron pruebas experimentales en el túnel de viento de la Universidad de Bristol con un número de Reynolds de basado en la cuerda aerodinámica de los perfiles de 2.87x10^5. Las fuerzas aerodinámicas generadas por los perfiles aerodinámicos ranurados y sus respectivas configuraciones de referencia sin ranuras se obtuvieron a través de un sistema de equilibrio de fuerzas ATI. El perfil NACA 0012 con ranura y sin ranura se estudió desde ángulo de ataque= 0º hasta ángulo de ataque= 18º y el NREL S809 con ranura y sin ranura se examinó desde ángulo de ataque=0º hasta ángulo de ataque= 20º. Se compararon los coeficientes de sustentación y resistencia obtenidos, así como la relación sustentación-resistencia para las diferentes configuraciones de superficies aerodinámicas. El análisis de velocimetría de imágenes de partículas también se realizó utilizando un láser LaVision para determinar la velocidad y la vorticidad del flujo de aire alrededor de los perfiles alares estudiados y examinar si la inclusión de la ranura reduce la separación del flujo. Los resultados muestran que la ranura mejora la eficiencia aerodinámica de los perfiles para todos los ángulos de ataque y, aunque se observa una penalización en el coeficente de resistencia para ángulos de ataque altos, el perfil aerodinámico ranurado proporciona un mayor coeficiente de sustentación para todos los ángulos de ataque.

[EN] In this research project, the improvement of the aerodynamic efficiency of a NACA 0012 and a NREL S809 is analysed through the implementation of an optimized slot as a passive boundary layer control method. A literature review was performed to establish the most optimal slot characteristics before its implementation into the airfoils. The airfoils were constructed, and experimental tests were conducted in the University of Bristol wind tunnel at a chord-based Reynold’s number of 2.87x10^5. The aerodynamic forces generated by the slotted airfoils and their respective baseline unslotted configurations were obtained through an ATI force balance system. The slotted and unslotted NACA 0012 was studied from angle of attack= 0º to angle of attack = 18º and the slotted and unslotted NREL S809 was examined from angle of attack= 0º hasta to angle of attack = 20º hasta . The lift and drag coefficients as well as the lift-to-drag ratio were compared for the different airfoil configurations. Particle Imaging Velocimetry analysis was also performed utilizing a LaVision laser to determine the velocity and the vorticity of the airflow around the studied airfoil and examine if the slot inclusion reduces the flow separation. The results show that the slot improves the aerodynamic efficiency of the airfoil at all angles of attack and although a drag penalty is observed at high angles of attack, the slotted airfoil provides an increased lift coefficient for all of them.