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Dynamic stall on an airfoil undergoing VAWT blade angle of attack variations

Résumé

Vertical axis wind turbines have several attractive features in the context of energy production in urban areas, but the inherent aerodynamic complexity of the flow around them has challenged their development on a larger scale. They generally operate at low tip speed ratios, where dynamic stall occurs on the blades. The vortex shedding associated with dynamic stall causes highly transient and heavy stress cycles that reduce the aerodynamic performance and increase the risk of fatigue and failure. The flow around an airfoil undergoing VAWT blade angle of attack variations was investigated using particle image velocimetry and force measurements. The formation of vortices and the lift force were studied for different tip speed ratios. A special focus was put on the effect of the asymmetry of the motion. The role of dynamic stall vortices on aerodynamic coeffients was evidenced by comparing experimental data to analytical predictions obtained from Theodorsen's model. For the lowest equivalent tip speed ratio clockwise and counter clockwise rotating dynamic stall vortices formed on the airfoil with increasing and decreasing angle of attack. The asymmetry in motion lead to an asymmetry in size of the clockwise and counter-clockwise vortices. As the asymmetry in motion has a strong effect on the flow behaviour, the local pitch rate was proposed as a governing parameter. The increase of extrema with increasing pitch rate varies for increasing and decreasing angle of attack, indicating an additional influence of the history of the flow development.

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Portance (aérodynamique)
La portance aérodynamique est la composante de la force subie par un corps en mouvement dans un fluide qui s'exerce perpendiculairement à la direction du mouvement (au vent relatif). Cela concerne les aérodynes (engins plus denses que l'air). lang=fr |vignette |304x171px Un corps placé dans un écoulement d'air (ou d'eau) subit une force aérodynamique (ou hydrodynamique). Pour l'analyse, on décompose cette force en une composante parallèle au vent relatif : la traînée (voir aussi Aérodynamique), et une composante perpendiculaire au vent relatif : la portance.
Tourbillon marginal
thumb|150px|right|Traces de condensation dues au tourbillon marginal aux extrémités des ailes d'un F-15E après un ravitaillement en vol Le tourbillon marginal (en anglais wingtip vortex ou au pluriel wingtip vortices) est le tourbillon qui se crée à l'extrémité d'une aile ou d'une pale d'un avion produisant de la portance. Il est aussi appelé Tourbillon de Prandtl. Le tourbillon marginal s'explique par le mouvement de l'air passant de la zone de surpression (intrados) vers la zone de dépression (extrados), et par la déflexion de l'écoulement vers le bas qui en résulte.
Décrochage (aérodynamique)
vignette|alt="Décrochage"|Écoulement sur un profil à forte incidence décollé à l'extrados lors du décrochage. En aérodynamique, le décrochage est la perte de portance d’un avion ou d'une surface (aile, pale de rotor, voilier) due à un angle d'incidence trop important (supérieur à l'incidence de décrochage) En vol à trajectoire verticale constante (vol horizontal par exemple), le décrochage d'un avion survient lorsque la vitesse passe en dessous de sa vitesse minimale (dite vitesse de décrochage), d'où le nom de « perte de vitesse » qui lui était donné aux débuts de l'aviation.
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