Kanatsız Girdap Rüzgar Türbininin Tasarımı ve Sayısal Simülasyonu

Öz

Kanatsız Girdap Rüzgar Türbinleri (KGRT), akışın neden olduğu titreşimden elektrik üreten rüzgar enerjisi cihazlarıdır. Bu türbinler rotor, kanat ve rulman içermeden çalışır. Bu çalışmada 4 m/s düşük rüzgar hızında çalışmak üzere küçük ölçekli bir KGRT tasarlanmış ve sayısal olarak analiz edilmiştir. Önerilen tasarımda kılıf geometrisi kullanılmıştır: karbon fiber takviyeli polimer (CFRP) bir çubuk, içi boş dış direğin içine yerleştirilerek sabit bir örtüşme bölgesi üzerinden bu direğe bağlanmaktadır. Direk malzemesi olarak dört alternatif karşılaştırılmıştır: CFRP, cam fiber takviyeli polimer (GFRP), polilaktik asit (PLA) ve alüminyum 6061-T6. Her malzeme için birinci eğilme modunun hedef girdap dökülme frekansıyla eşleşmesi amacıyla direk uzunluğu ayarlanmıştır. Çalışma; modal, geçici ve harmonik sonlu elemanlar analizlerini iki ve üç boyutlu kararsız HAD simülasyonlarıyla birleştirmektedir. Kilitlenme aralığının belirlenmesi için bir hız taraması gerçekleştirilmiş; ön deformasyon değerlendirmesi olarak tek yönlü aerodinamik yük yapısal kontrolü uygulanmıştır. Malzeme seçenekleri modal etkin kütle, Scruton sayısı, salınım genliği, tepe çubuk gerilmesi ve tahmini enerji çıktısı üzerinden karşılaştırılmıştır. Elde edilen sonuçlar hibrit bir tasarım yaklaşımını desteklemektedir: CFRP çubuk ana eğilme rijitliğini sağlarken direk malzemesi aerodinamik, ataletsel, üretilebilirlik ve dayanıklılık ihtiyaçlarına göre bağımsız olarak seçilebilmektedir.

Anahtar Kelimeler

• vortex bladeless wind turbine
• girdap kaynaklı titreşim
• elektrik enerjisi
• lock-in
• CFD

Etik Beyan

Bu çalışma sayısal simülasyona dayanmaktadır; insan veya hayvan deneği içermediğinden etik kurul onayı gerekmemiştir.

Design and Numerical Simulation of a Vortex Bladeless Wind Turbine

Öz

Vortex Bladeless Wind Turbines (VBWTs) are wind energy devices that produce electricity from flow-induced vibration. They work without rotors, blades, or bearings. This study designs and numerically evaluates a small-scale VBWT for a low wind speed of 4 m/s. The proposed design uses a sleeve geometry, where a CFRP rod is placed inside a hollow outer mast and connected to it over a fixed overlap region. Four mast materials are compared: CFRP, GFRP, PLA, and aluminium 6061-T6. For each material, the mast length is adjusted so that the first bending mode matches the target vortex-shedding frequency. The study combines modal, transient, and harmonic finite element analyses with 2D and 3D unsteady CFD simulations. A velocity sweep is used to estimate the lock-in window, and a one-way aerodynamic-load structural check is used as a first deformation assessment. The material options are compared using modal effective mass, Scruton number, oscillation amplitude, peak rod stress, and estimated energy output. The results support a hybrid design approach: the CFRP rod provides the main bending stiffness, while the mast material can be selected according to aerodynamic, inertial, manufacturing, and durability needs.

Anahtar Kelimeler

• vortex induced vibration (VIV)
• vortex bladeless wind turbine
• energy harvesting
• lock-in
• CFD

Etik Beyan

This study is based on numerical simulation and does not involve human or animal subjects; ethical approval was not required.

Kaynakça

1. [1] Vortex Bladeless S.L., “Vortex Nano specifications and operating characteristics.” [Online]. Available: https://vortexbladeless.com.
2. [2] T. von Kármán, Aerodynamics: Selected Topics in the Light of Their Historical Development. Ithaca, NY, USA: Cornell University Press, 1954.
3. [3] C. H. K. Williamson and R. Govardhan, “Vortex-induced vibrations,” Annual Review of Fluid Mechanics, vol. 36, pp. 413–455, 2004, doi: 10.1146/annurev.fluid.36.050802.122128.
4. [4] T. Sarpkaya, “A critical review of the intrinsic nature of vortex-induced vibrations,” Journal of Fluids and Structures, vol. 19, no. 4, pp. 389–447, 2004, doi: 10.1016/j.jfluidstructs.2004.02.005.
5. [5 ] M. M. Bernitsas, K. Raghavan, Y. Ben-Simon, and E. M. H. Garcia, “VIVACE (Vortex Induced Vibration Aquatic Clean Energy): A new concept in generation of clean and renewable energy from fluid flow,” Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering, vol. 130, no. 4, Art. no. 041101, 2008, doi: 10.1115/1.2957913.
6. [6] D. J. Yáñez, “VIV resonant wind generators,” Vortex Bladeless, Technical Note, 2018. [Online]. Available: https://vortexbladeless.com/wp-content/uploads/2018/10/VortexGreenPaper_en.pdf.
7. [7] A. Chizfahm, E. A. Yazdi, and M. Eghtesad, “Dynamic modeling of vortex induced vibration wind turbines,” Renewable Energy, vol. 121, pp. 632–643, 2018, doi: 10.1016/j.renene.2018.01.038.
8. [8] Z. Mohamed, M. Soliman, M. Feteha, and E. Saber, “A novel optimal design approach for bladeless wind turbines considering mechanical properties of composite materials used,” Scientific Reports, vol. 15, Art. no. 1355, 2025, doi: 10.1038/s41598-024-82385-9.

9. [9 ] H. Kang, J. Kook, J. Lee, and Y.-K. Kim, “A novel small-scale bladeless wind turbine using vortex-induced vibration and a discrete resonance-shifting module,”Applied Sciences, vol. 14, no. 18, Art. no. 8217, 2024, doi: 10.3390/app14188217.
10. [10] E. González-González, D. J. Yáñez, S. Del Pozo, and S. Lagüela, “Optimizing bladeless wind turbines: Morphological analysis and lock-in range variations,” Applied Sciences, vol. 14, no. 7, Art. no. 2815, 2024, doi: 10.3390/app14072815.
11. [11] A. Ketata, L. Chelbi, H. Abid, and Z. Driss, “An experimental investigation of the dynamic response of bladeless vortex-induced vibration turbines using novel materials in a wind tunnel,” Engineering, Technology & Applied Science Research, vol. 15, no. 5, pp. 26612–26618, 2025, doi: 10.48084/etasr.12314.
12. [12] J. Breen, W. Mallik, and S. Adhikari, “Performance analysis and geometric optimization of bladeless wind turbines using wake oscillator model,” Renewable Energy, vol. 254, Art. no. 123549, 2025, doi: 10.1016/j.renene.2025.123549.
13. [13] A. M. Elsayed and M. B. Farghaly, “Theoretical and numerical analysis of vortex bladeless wind turbines,”Wind Engineering, vol. 46, no. 5, pp. 1408–1426, 2022, doi: 10.1177/0309524X221080468.
14. [14] M. M. Zdravkovich, “Scruton number: A proposal,” Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, vol. 10, no. 3, pp. 263–265, 1982, doi: 10.1016/0167-6105(82)90002-1.
15. [15] P. W. Bearman, “Circular cylinder wakes and vortex-induced vibrations,” Journal of Fluids and Structures, vol. 27, no. 5–6, pp. 648–658, 2011, doi: 10.1016/j.jfluidstructs.2011.03.021
16. [16] R. Chandra, S. P. Singh, and K. Gupta, “Damping studies in fiber-reinforced composites – a review,” Composite Structures, vol. 46, no. 1, pp. 41–51, 1999, doi: 10.1016/S0263-8223(99)00041-0.
17. [17 ] R. D. Blevins, Flow-Induced Vibration, 2nd ed. Malabar, FL, USA: Krieger, 2001.
18. [18] F. R. Menter, “Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications,” AIAA Journal, vol. 32, no. 8, pp. 1598–1605, 1994, doi: 10.2514/3.12149.
19. [19] B. M. Sumer and J. Fredsøe, Hydrodynamics Around Cylindrical Structures, Rev. ed. Singapore: World Scientific, 2006, doi: 10.1142/6248.
20. [20] J. Wu, Y. Zhu, and C. Li, “Experimental investigation of fatigue capacity of bending-anchored CFRP cables,” Polymers, vol. 15, no. 11, Art. no. 2483, 2023, doi: 10.3390/polym15112483.
21. [21] W. Cui, X. Chen, C. Chen, L. Cheng, J. Ding, and H. Zhang, “Very high cycle fatigue (VHCF) characteristics of carbon fiber reinforced plastics (CFRP) under ultrasonic loading,” Materials, vol. 13, no. 4, Art. no. 908, 2020, doi: 10.3390/ma13040908.