Publication: Unsteady Aerodynamics of Delta Kites applied to Airborne Wind Energy Systems
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Publication date
2023-10
Defense date
2024-02-09
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Abstract
Airborne wind energy (AWE) is an emerging field within the wind power sector that aims at harvesting energy or gain traction from tethered aircraft flying at high altitudes. Aerodynamics becomes one of its critical areas due to its influence on both the flight physics and the energy generation process during typical figure-of-eight and circular trajectories. Despite the dynamic nature of these maneuvers, unsteady aerodynamics remains nearly unexplored in AWE. This dissertation studies the aerodynamics of a two-line rigid-framed delta kite applied to AWE with the objective of improving the aerodynamic understanding and preparing models to be combined with dynamic and control software. The contents are classified into two main blocks: the first focuses on numerical unsteady aerodynamics, and the second involves the preparation and testing of a small-scale AWE testbed aimed at the aerodynamic characterization of kites. The first block investigates the aerodynamics of the delta kite through numerical
simulation with particular emphasis on the unsteady behavior. A fast unsteady potentialflow aerodynamic tool (UnPaM) was firstly benchmarked against experimental data from a previous flight test campaign. The estimated state vector included the kinematic state of the kite (aerodynamic velocity vector and angular rates, among others) and the aerodynamic force and moment coefficients about the kite center of mass. The recorded kite kinematics was prescribed in UnPaM and the resulting numerical aerodynamic coefficients were compared with the experimental counterparts. The inviscid tool was able to reproduce the order of magnitude and trend of the experimental lift and lateral force coefficients versus the angle of attack and sideslip angle, respectively. The drag coefficient was underestimated by UnPaM, which ignores viscous drag and flow separation. Although the numerical and experimental moment coefficients were in the same order, the comparison was cumbersome due to experimental uncertainties. Moreover, steady, quasi-steady and unsteady potential-flow effects were compared by performing three independent simulations with UnPaM. The quasi-steady assumption, which considers the full kite kinematics but neglects wake roll-up, among others, resulted sufficient for this case study. A further post-processing of the former experimental data and new flow visualization data of the delta kite suggested dynamic stall phenomenology induced by periodic changes in the angle of attack. These evidences inspired a numerical study on dynamic stall by using three unsteady aerodynamic tools at different levels of approximation and computational cost. The first is the potential-flow tool UnPaM presenting the lowest fidelity. The second tool is the open-source computational fluid dynamics (CFD) code SU2 configured to solve the Reynolds-averaged Navier-Stokes equations closed with the k − ! SST turbulence model. The third, with a fidelity level between UnPaM and SU2, is a semi-empirical dynamic stall tool based on the Leishman-Beddoes model that combines attached flow through UnPaM with a phenomenological module. The latter consists of three ordinary differential equations with free empirical parameters that were fine tuned with CFD data from SU2. The periodic kite kinematics was imposed in the three tools and the aerodynamic coefficients were compared among one another and the experimental results. UnPaM was unable to reproduce dynamic stall due to its inherent inviscid nature. The CFD and semi-empirical tools provided very consistent lift and drag coefficients versus the angle of attack curves that qualitatively matched the experimental hysteresis behavior. Moreover, a leading-edge vortex that periodically forms and detaches on the kite extrados was identified from CFD data corroborating experimental flow visualizations. Finally, a preliminary analysis of aerostructural deflections revealed that dynamic stall and fluid-structure interaction may work collaboratively causing stronger hysteresis cycles. The second block of this dissertation focuses on the development and testing of a small-scale AWE infrastructure for aerodynamic, dynamic and control characterization of two-line and three-line kites. The testbed consists of a rigid-framed delta kite and a ground control unit on the air and ground segments, respectively. The kite avionics includes an inertial measurement unit, a magnetometer, two differential GNSS receivers and a flow visualization system. The latter was used to record surface tufts covering the kite extrados. The control unit has lateral steering and reel-in/reel-out capabilities through an automatic linear actuator and a winch. Moreover, it is equipped, among others, with load cells, a wind station and a novel visual motion tracking system. The latter is based on three cameras and an artificial neural network and has the capability of reconstructing the kite position and course angle. The results of a five-min flight were used to characterize the control of the delta kite and ground control unit. Linear correlations between the time derivative of the course angle and the delayed steering input and differential tether tension were identified. The dispersion between the time derivative of the course angle and the differential tether tension was lower, suggesting that such a variable may be adequate to close the control loop. The reconstructed kite position and course angle by the visual motion tracking system presented a good agreement with independent onboard data. Moreover, the three-camera system proved robust due to its nearly continuous operation (99.9% of the time), opening the possibility of using it as a redundant observation or backup system for the avionics.
La energía eólica aerotransportada (AWE, por sus siglas en inglés) es un campo emergente dentro del sector de la energía eólica que tiene como objetivo generar energía o ganar tracción a partir de aeronaves amarradas a tierra que vuelan a gran altitud. La aerodinámica es una de sus áreas críticas debido a su influencia tanto en la física del vuelo como en el proceso de generación de energía durante trayectorias típicas en forma de ocho y círculos. A pesar de la naturaleza dinámica de estas maniobras, la aerodinámica no estacionaria permanece prácticamente inexplorada en el campo AWE. Esta tesis estudia la aerodinámica de una cometa en delta de dos líneas aplicada a AWE con el objetivo de mejorar el conocimiento aerodinámico y preparar modelos para ser combinados con software dinámico y de control. Los contenidos se dividen en dos bloques principales: el primero se centra en aerodinámica numérica no estacionaria y el segundo lleva a cabo la preparación y ensayo de un banco de pruebas para AWE a pequeña escala cuyo propósito es la caracterización aerodinámica de cometas. El primer bloque investiga la aerodinámica de la cometa en delta a través de simulación numérica, con énfasis en el comportamiento no estacionario. Una herramienta aerodinámica potencial no estacionaria rápida (UnPaM) se comparó inicialmente con datos experimentales de una campaña de pruebas de vuelo previa. El vector de estado estimado incluía el estado cinemático de la cometa (vector velocidad aerodinámica y velocidades angulares, entre otros) y los coeficientes de fuerza y momentos erodinámicos alrededor del centro de masas de la cometa. La cinemática medida de la cometa se prescribió en UnPaM y se compararon los coeficientes aerodinámicos numéricos resultantes con sus equivalentes experimentales. La herramienta no viscosa pudo reproducir el orden de magnitud y la tendencia de los coeficientes de sustentación y fuerza lateral experimentales en función del ángulo de ataque y el ángulo de resbalamiento, respectivamente. El coeficiente de arrastre fue subestimado por UnPaM, que ignora el arrastre viscoso y la separación del flujo. Aunque los coeficientes de momento numéricos y experimentales tenían el mismo orden de magnitud, la comparación resultó complicada debido a incertidumbres experimentales. Además, se compararon los efectos de flujo potencial estacionario, cuasiestacionario y no estacionario mediante tres simulaciones independientes con UnPaM. La asunción cuasiestacionaria, que considera la cinemática completa de la cometa pero ignora, entre otras cosas, el enrollamiento de la estela, resultó suficiente para este caso de estudio. Un posterior procesamiento de los datos experimentales y nuevos datos de visualización del flujo de la cometa en delta sugirió fenómenos de entrada en pérdida dinámica inducidos por cambios periódicos en el ángulo de ataque. Estas evidencias inspiraron un estudio numérico sobre la entrada en pérdida dinámica utilizando tres herramientas aerodinámicas no estacionarias a diferentes niveles de aproximación y costo computacional. La primera es la herramienta de flujo potencial no estacionario UnPaM, que presentaba la menor fidelidad. La segunda herramienta es el código de dinámica de fluidos computacional (CFD) de código abierto SU2 configurado para resolver las ecuaciones de Navier-Stokes promediadas en Reynolds cerradas con el modelo de turbulencia k−! SST. El tercero, con un nivel de fidelidad entre UnPaM y SU2, es una herramienta semiempírica de entrada en pérdida dinámica basada en el modelo Leishman-Beddoes que combina el flujo adherido a través de UnPaM con un módulo fenomenológico. Este último consiste en tres ecuaciones diferenciales ordinarias con parámetros empíricos libres que se ajustaron con datos de CFD de SU2. La cinemática periódica de la cometa se impuso en las tres herramientas y se compararon los coeficientes aerodinámicos entre las tres herramientas y con los resultados experimentales. UnPaM no pudo reproducir la entrada en pérdida dinámica debido a su naturaleza no viscosa. Las herramientas CFD y semiempíricas proporcionaron coeficientes de sustentación y arrastre muy consistentes en función del ángulo de ataque que coincidieron cualitativamente con el comportamiento de histéresis experimental. Además, se identificó un vórtice en el borde de ataque que se forma y desprende periódicamente en el extrados de la cometa en los datos CFD, corroborando las visualizaciones del flujo experimentales. Finalmente, un análisis preliminar de las deflexiones aeroestructurales reveló que la entrada en pérdida dinámica y la interacción fluido-estructura puede que trabajen colaborativamente causando ciclos de histéresis más intensos. El segundo bloque de esta tesis se centra en el desarrollo y ensayo de una infraestructura AWE a pequeña escala para la caracterización aerodinámica, dinámica y de control de cometas de dos y tres líneas. El banco de ensayos consta de una cometa delta de estructura rígida y una unidad de control en tierra en los segmentos de aire y tierra, respectivamente. La aviónica de la cometa incluye una unidad de medición inercial, un magnetómetro, dos receptores GNSS diferenciales y un sistema de visualización del flujo. Este último se utilizó para grabar una serie de mechones que cubrían el extrados de la cometa. La unidad de control tiene capacidades de dirección lateral y enrollado/desenrollado a través de un actuador lineal automático y un carrete. Además, está equipada, entre otros, con células de carga, una estación meteorológica y un novedoso sistema visual de seguimiento de movimiento. Este último se basa en tres cámaras y una red neuronal artificial y tiene la capacidad de reconstruir la posición de la cometa y el ángulo de curso. Los resultados de un vuelo de cinco minutos se utilizaron para caracterizar el control de la cometa delta y la unidad de control en tierra. Se identificaron correlaciones lineales entre la derivada temporal del ángulo de curso y versiones retrasadas de la entrada de control lateral y tensión diferencial de las líneas. La dispersión entre la derivada temporal del ángulo de curso y la tensión diferencial de las líneas retrasada fue menor, lo que sugiere que esta variable puede ser adecuada para cerrar el lazo de control. La posición y el ángulo de curso de la cometa reconstruidos por el sistema visual de seguimiento de movimiento presentaron una buena concordancia con datos independientes a bordo. Además, el sistema de tres cámaras demostró ser robusto debido a su operación casi continua (99.9% del tiempo), abriendo la posibilidad de utilizarlo como sistema de observación redundante o de respaldo para la aviónica.
La energía eólica aerotransportada (AWE, por sus siglas en inglés) es un campo emergente dentro del sector de la energía eólica que tiene como objetivo generar energía o ganar tracción a partir de aeronaves amarradas a tierra que vuelan a gran altitud. La aerodinámica es una de sus áreas críticas debido a su influencia tanto en la física del vuelo como en el proceso de generación de energía durante trayectorias típicas en forma de ocho y círculos. A pesar de la naturaleza dinámica de estas maniobras, la aerodinámica no estacionaria permanece prácticamente inexplorada en el campo AWE. Esta tesis estudia la aerodinámica de una cometa en delta de dos líneas aplicada a AWE con el objetivo de mejorar el conocimiento aerodinámico y preparar modelos para ser combinados con software dinámico y de control. Los contenidos se dividen en dos bloques principales: el primero se centra en aerodinámica numérica no estacionaria y el segundo lleva a cabo la preparación y ensayo de un banco de pruebas para AWE a pequeña escala cuyo propósito es la caracterización aerodinámica de cometas. El primer bloque investiga la aerodinámica de la cometa en delta a través de simulación numérica, con énfasis en el comportamiento no estacionario. Una herramienta aerodinámica potencial no estacionaria rápida (UnPaM) se comparó inicialmente con datos experimentales de una campaña de pruebas de vuelo previa. El vector de estado estimado incluía el estado cinemático de la cometa (vector velocidad aerodinámica y velocidades angulares, entre otros) y los coeficientes de fuerza y momentos erodinámicos alrededor del centro de masas de la cometa. La cinemática medida de la cometa se prescribió en UnPaM y se compararon los coeficientes aerodinámicos numéricos resultantes con sus equivalentes experimentales. La herramienta no viscosa pudo reproducir el orden de magnitud y la tendencia de los coeficientes de sustentación y fuerza lateral experimentales en función del ángulo de ataque y el ángulo de resbalamiento, respectivamente. El coeficiente de arrastre fue subestimado por UnPaM, que ignora el arrastre viscoso y la separación del flujo. Aunque los coeficientes de momento numéricos y experimentales tenían el mismo orden de magnitud, la comparación resultó complicada debido a incertidumbres experimentales. Además, se compararon los efectos de flujo potencial estacionario, cuasiestacionario y no estacionario mediante tres simulaciones independientes con UnPaM. La asunción cuasiestacionaria, que considera la cinemática completa de la cometa pero ignora, entre otras cosas, el enrollamiento de la estela, resultó suficiente para este caso de estudio. Un posterior procesamiento de los datos experimentales y nuevos datos de visualización del flujo de la cometa en delta sugirió fenómenos de entrada en pérdida dinámica inducidos por cambios periódicos en el ángulo de ataque. Estas evidencias inspiraron un estudio numérico sobre la entrada en pérdida dinámica utilizando tres herramientas aerodinámicas no estacionarias a diferentes niveles de aproximación y costo computacional. La primera es la herramienta de flujo potencial no estacionario UnPaM, que presentaba la menor fidelidad. La segunda herramienta es el código de dinámica de fluidos computacional (CFD) de código abierto SU2 configurado para resolver las ecuaciones de Navier-Stokes promediadas en Reynolds cerradas con el modelo de turbulencia k−! SST. El tercero, con un nivel de fidelidad entre UnPaM y SU2, es una herramienta semiempírica de entrada en pérdida dinámica basada en el modelo Leishman-Beddoes que combina el flujo adherido a través de UnPaM con un módulo fenomenológico. Este último consiste en tres ecuaciones diferenciales ordinarias con parámetros empíricos libres que se ajustaron con datos de CFD de SU2. La cinemática periódica de la cometa se impuso en las tres herramientas y se compararon los coeficientes aerodinámicos entre las tres herramientas y con los resultados experimentales. UnPaM no pudo reproducir la entrada en pérdida dinámica debido a su naturaleza no viscosa. Las herramientas CFD y semiempíricas proporcionaron coeficientes de sustentación y arrastre muy consistentes en función del ángulo de ataque que coincidieron cualitativamente con el comportamiento de histéresis experimental. Además, se identificó un vórtice en el borde de ataque que se forma y desprende periódicamente en el extrados de la cometa en los datos CFD, corroborando las visualizaciones del flujo experimentales. Finalmente, un análisis preliminar de las deflexiones aeroestructurales reveló que la entrada en pérdida dinámica y la interacción fluido-estructura puede que trabajen colaborativamente causando ciclos de histéresis más intensos. El segundo bloque de esta tesis se centra en el desarrollo y ensayo de una infraestructura AWE a pequeña escala para la caracterización aerodinámica, dinámica y de control de cometas de dos y tres líneas. El banco de ensayos consta de una cometa delta de estructura rígida y una unidad de control en tierra en los segmentos de aire y tierra, respectivamente. La aviónica de la cometa incluye una unidad de medición inercial, un magnetómetro, dos receptores GNSS diferenciales y un sistema de visualización del flujo. Este último se utilizó para grabar una serie de mechones que cubrían el extrados de la cometa. La unidad de control tiene capacidades de dirección lateral y enrollado/desenrollado a través de un actuador lineal automático y un carrete. Además, está equipada, entre otros, con células de carga, una estación meteorológica y un novedoso sistema visual de seguimiento de movimiento. Este último se basa en tres cámaras y una red neuronal artificial y tiene la capacidad de reconstruir la posición de la cometa y el ángulo de curso. Los resultados de un vuelo de cinco minutos se utilizaron para caracterizar el control de la cometa delta y la unidad de control en tierra. Se identificaron correlaciones lineales entre la derivada temporal del ángulo de curso y versiones retrasadas de la entrada de control lateral y tensión diferencial de las líneas. La dispersión entre la derivada temporal del ángulo de curso y la tensión diferencial de las líneas retrasada fue menor, lo que sugiere que esta variable puede ser adecuada para cerrar el lazo de control. La posición y el ángulo de curso de la cometa reconstruidos por el sistema visual de seguimiento de movimiento presentaron una buena concordancia con datos independientes a bordo. Además, el sistema de tres cámaras demostró ser robusto debido a su operación casi continua (99.9% del tiempo), abriendo la posibilidad de utilizarlo como sistema de observación redundante o de respaldo para la aviónica.
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Mención Internacional en el título de doctor.
Tesis por compendio de publicaciones.
Keywords
Airborne wind energy, Automatic testbed, Dynamic stall, Rigid-framed delta kite, Unsteady aerodynamics, Visual motion tracking system, Energía eólica aerotransportada, Banco de ensayos automático, Entrada en pérdida dinámica, Cometa en delta de estructura rígida, Aerodinámica no estacionaria, Sistema visual de seguimiento de movimiento