I n t e r n at io n al  Jou r n al  of  A d van c e s  i n  A p p li e d  S c ie n c e s  ( I JA A S )   V ol .  14 , N o.  3 ,  S e pt e m be r   20 25 , pp.  894 ~ 906   I S S N :  2252 - 8814 ,  D O I :  10.11591/ ij a a s . v14. i 3 . pp894 - 906          894       Jou r n al  h om e page :  ht tp : // ij aas .i ae s c or e .c om   N u m e r i c al  st u d y of  n on - l i n e ar  t w i st e d  b l ad e s f or  t i d al  t u r b i n e s  i m p r ove m e n t       N u  R h ah id a A r in i 1 , P h il ip s  A d e  P u t e r a A t m oj o 1 , D e n i  S ap u t r a 1 , D e n d y S at r io 2   1 D e pa r t m e nt  of  M e c ha ni c a l  E ngi ne e r i ng a nd E ne r gy, P ol i t e kni k E l e kt r oni ka  N e ge r i  S ur a ba ya , S ur a ba ya , I ndone s i a   2 D e pa r t m e nt  of  O c e a n E ngi ne e r i ng, F a c ul t y of  M a r i ne  T e c hnol ogy, I ns t i t ut  T e k nol ogi  S e pul uh N ope m be r , S ur a ba ya , I ndone s i a       A r t ic le  I n f o     A B S T R A C T   A r ti c le  h is to r y :   R e c e iv e d  N ov 3, 2024   R e vi s e d  M a y 14, 2025   A c c e pt e d  J un 13, 2025       Despite  the  growing  demand  for  renewable   energy,  the  utilization  o f  tidal   energy  remains  underdeveloped  due  to  efficiency  limitations  in   t urbine  design.  Addressing  this  gap,   this  study   investigates  the   performa nce  of  horizontal - axis  tidal  turbines   (HATT)  by  comparing  two  foil  d esigns,  National  Advisory  Committee  for  Aeronautics  (NACA)   2415  and  O ptA,  to   optimize  energy  extraction  efficiency.  The   research  employs   comput ational  fluid  dynamics  (CFD)  simulations  using  OpenFOAM  to  evaluate  the  effects  of  foil  mod ifications  and  non - linear   twist  distributions  on  t urbine  performance  across  varying  tip  speed  ratios   (TSR).  The  results  indica te  that   the OptA f oil significan tly improves tur bine perf ormance , achievin g a  41.4%  increase   in  torque  and  a  40.2%  increase   in  power  coeffic ient  (C P )  at  TSR  5,  which  was  identified  as  the  optimal  operating  condition.  The  Opt A  foil  enhances  velocity   distri bution ,  reduces  flow  sep aration,  and  improves  vortex  behavior,  leading  to  greate r  efficiency   and  stability.  These   findings  c onfirm  that  foil  selection  and  blade  design  modifications   play  a  critical  r ole  in  HATT optimizati on.   K e y w o r d s :   C om put a ti ona l  f lu id  dyna m ic s   H or iz ont a l - a xi s  t id a l  tu r bi ne   N on - li ne a r  t w is te d f oi l   O c e a n r e ne w a bl e  e ne r gy   O pe nF O A M   This is an  open  acce ss artic le unde r the  CC BY - SA   license.     C or r e s pon di n g A u th or :   N u R ha hi da  A r in i   D e pa r tm e nt  of  M e c ha ni c a l  E ngi ne e r in g a nd E ne r gy ,  P ol it e kni k E le kt r oni ka  N e ge r i  S ur a ba ya   St . R a ya  I T S – P E N S   C a m pus , S ukol il o, S ur a ba ya  60111, E a s t  J a va , I ndone s ia   E m a il :  a r in i@pe ns .a c .i d       1.   I N T R O D U C T I O N   T he   gl oba l  e ne r gy  de m a nd   c ont in ue s   to   r is e ,  a s   hi ghl ig ht e d  b y  da ta   f r om   th e   I nt e r na ti ona l  E ne r gy   A ge nc y  ( I E A ) .  A c c or di ng  to   th e   I E A ' s   r e por t,   e ne r gy c ons um pt io n  pe r   c a pi ta   in c r e a s e d   f r om   3.2  to   3.4  M W h  in   2021,  w it h  f ur th e r   gr ow th   e xpe c te d  in   th e   c om in g  ye a r s   [ 1 ] .  A s   a   de ve lo pi ng  c ount r y,  I ndone s ia   is   a ls o  e xpe r ie nc in g  not a bl e   in c r e a s e s   in   e ne r gy  de m a nd.  I n  2018,   pe r   c a pi ta   e le c tr ic it y  c on s um pt io n  s to od  a t     1.06  M W h,  r is in g   to   1.09  M W h  by   2020  [ 2] .  C ur r e nt ly ,  c on ve nt io na l  s te a m   pow e r   pl a nt s   s uppl y   62%   of   I ndone s ia ' s   e le c tr ic it y  [ 3] .  H ow e ve r ,  th e s e   pl a nt s   a r e   s e t   to   be   pha s e d   out   by  2060,  w hi le   th e   s ha r e   of   r e ne w a bl e   e ne r gy  r e m a in s   lo w ,  a c c ount in g  f or   onl y   13.09%   f a r   f r om   th e   23%   r e ne w a bl e   e ne r gy  ta r ge t  f o r   2025  [ 4] .  T hi s   e m pha s iz e s   th e   ur ge nt   ne e d  to   de ve lo p  r e ne w a bl e   e ne r gy  s our c e s ,  s uc h  a s   ti da l  tu r bi ne s ,  to   m e e t  f ut ur e  e ne r gy de m a nds  i n a  s u s ta in a bl e  m a nn e r .   T id a l  e ne r gy  of f e r s   s ig ni f ic a nt   pot e nt ia l  f or   ha r ne s s in g  r e ne w a bl e   pow e r   th r ough  hor iz ont a l - a xi s   ti da l  tu r bi ne s   ( H A T T s ) ,  w hi c h   a r e   ge n e r a ll y  pr e f e r r e d  ove r   ve r ti c a l  a xi s   ti da l  tu r bi ne s   ( V A T T s )   due   to   th e ir   s upe r io r   pe r f or m a nc e .  H ow e ve r ,   th e   te c hnol ogy  r e m a in s   unde r de ve lo pe d,  a nd   it s   e f f ic ie nc y  s ti ll   la gs   be hi nd  th a t  of   w in d  e ne r gy.  S e ve r a l  s tu di e s   ha ve   in ve s ti ga te d   va r io us   m e th ods   to   e nha nc e   H A T T   pe r f or m a nc e .   A c c or d in g  to   M y e r s   a nd  B a h a j  [ 5] ,  p e r f or m a n c e   i m pr ove m e nt s   c a n  be   br oa dl y  c a te g or iz e d  in to   t w o   a ppr oa c he s :  c ont r ol   s y s te m  opt im i z a ti on a n d f lu id  d yna m i c s  r e f i ne m e nt . C o nt r ol - ba s e d e n ha n c e m e nt s  f oc u s  on   opt im iz in g  s y s te m s   s u c h  a s   ya w   c ont r ol   to   m a xi m i z e   e n e r gy   e xt r a c ti o n,  a s   de m on s tr a t e d  b y  D ong  e t  al .  [ 6] .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I nt  J  A dv A ppl  S c i     I S S N :   2252 - 8814       N um e r ic al   s tu dy  of  non - li ne ar  t w is te d bl ad e s  f or  t id al  t ur bi ne s   i m pr ov e m e nt   ( N u R hahi da A r in i)   895   O n  th e   ot he r   ha nd,   f lu id   dyna m ic s   r e f in e m e nt   pr im a r il y  in vol ve s   m odi f ic a ti ons   to   f oi l  de s ig n ,   s u c h  a s     B oudi s   e t  al .  [ 7]   a n a ly z ed   pr e s s ur e   di s tr ib ut io n  to   im pr ove   e ne r gy  e xt r a c ti on.  A   ke y   f a c to r   in f lu e nc in g  tu r bi ne   e f f ic ie nc y  is   th e   f oi l  pr of il e ,  w hi c h  di r e c tl y  im pa c ts   th e   li f t  a nd  dr a g  f or c e s   a c ti ng  on  th e   bl a de s .   G ounda r   a nd  A hm e d  [ 8]   e m pha s iz e d  th a t   th e   li f t - to - dr a g  r a ti o  i s   a f f e c te d  by  bot h  th e   f oi l  s ha pe   a nd  th e   a ngl e   of  a tt a c k, l e a di ng t o s ig ni f ic a nt  va r ia ti ons  i n t ur bi ne  pe r f or m a nc e  ba s e d on the s e  de s ig n pa r a m e te r s .   T he   s e l e c ti on  of   a n  opt im a l  f oi l  is   a   c r it ic a l  f a c to r   in   tu r bi ne   e f f ic ie nc y.  V a r io us   s tu di e s   ha ve   b e e n   c onduc te d  to   de te r m in e   th e   m os t  s ui ta bl e   f oi l  f or   H A T T   a ppl ic a ti ons .  T e f e r a   e t  al .  [ 9]   c om pa r e d  m ul ti pl e   N a ti ona l  A dvi s or y  C om m it te e   f or   A e r ona ut ic s   ( N A C A )   f oi ls   a nd  c onc lu de d  th a t  th in ne r   pr of il e s ,  s uc h  a s   N A C A   23012,   pe r f or m   be tt e r   due   to   im pr ove d  pr e s s ur e   di s tr i but io n.  A li pour   e t  al .  [ 10]   c ont r a di c te d   th e s e   f in di ngs ,  de m ons tr a ti ng  th r ough  c om put a ti ona l  f lu id   dyna m ic s   ( C F D )   s im ul a ti ons   a nd   e xpe r im e nt a l  va li da ti on  th a t  N A C A   4412  a c hi e ve s   a   hi ghe r   pow e r   c oe f f i c ie nt   ( C P ) ,  e ve n  a ppr oa c hi ng  th e   B e tz   li m it .   M e a nw hi le ,  G r a y  e t  al .  [ 11 ]   in tr oduc e d  a   m odi f ie d  f oi l,   G R 4510,  w hi c h  out pe r f or m e d  bot h   N A C A   4412  a nd   N A C A   2412,  r e in f or c in g  th e   hypothe s is   th a t  pr e s s ur e   di s tr ib ut io n  a lo ng  th e   c hor d  l e ngt h  e nha n c e s   tu r bi ne   pe r f or m a nc e .  T he s e   s tu di e s   s ugge s t  th a t  th in ne r   f oi ls   m a y  i m pr ove   e f f ic ie nc y,  in c lu di ng  N A C A   2415  f o r   be tt e r  t id a l  tu r bi ne  a ppl ic a ti ons .   T he   N A C A   2415   a ir f oi l ,   w hi c h   is   w id e ly  us e d  i n  c ur r e nt  t ur bi n e   de s ig n s ,  i s  a   r e la ti v e ly   s im pl e ,   li n e a r   f oi l  th a t  pr ovi d e s   a   b a la nc e   be t w e e n  li f t  a nd dr a g.   H ow e ve r ,  it s  pe r f or m a n c e   i s   li m it e d   in   t e r m s  of   m a xi m iz in g  e f f ic ie n c y,  p a r ti c ul a r ly   und e r   va r yi n g  f lo w   c on di ti on s   or   w he n  opt im iz e d  f or   s p e c if ic   tu r bi ne   op e r a ti ng  poi nt s .   I n c ont r a s t,  t he  i n tr oduc ti on of  n on - li ne a r  t w i s t e d f oi l s  r e pr e s e nt s  a   s ig ni f i c a n t  a dv a n c e m e nt  by of f e r in g gr e a t e r   f le xi bi li ty  i n bl a de   de s ig n.  N on - li n e a r  t w is t  a ll o w s  f or   a dj u s tm e nt s  i n t he   a ngl e  of  a tt a c k a lo ng t h e  l e n gt h of  t h e   bl a de ,  opt im iz in g   th e   hydr o dyna m ic   p e r f or m a n c e   f or   di f f e r e nt   por ti on s   of   th e   bl a d e   a nd  a c r o s s   di f f e r e nt   ope r a ti ng  c ond it io n s .   T hi s   m od if ic a t io n   c a n  he lp   r e duc e   f lo w   s e pa r a ti on,   l e s s e n  v or ti c it y  in   th e   w a ke ,   a n d  e nha n c e   th e   li f t - to - dr a g  r a t io   a t  v a r yi ng  ti p  s pe e d  r a ti o s   ( T S R s ) ,  l e a di ng  to   im pr ov e d  e ne r g y  e xt r a c ti on  a nd   ove r a ll   tu r bi ne   pe r f or m a nc e .  N on - li n e a r   twi s te d   f oi l s   ha v e   th e   p ot e nt ia l   to   de li v e r   b e tt e r   p e r f or m a n c e ,   pa r ti c ul a r ly   i n  c om pl e x   or   tu r bu le nt   f l ow   c ondi ti ons ,  c om pa r e d  to   t he   f ix e d,  li ne a r   c h a r a c te r i s ti c s   of   th e     N A C A   2 415   a ir f oi l.   H ow e ve r ,   a dopt in g   n on - li ne a r   twi s ts   in   tu r bi ne   bl a d e   de s ig n   u s in g   N A C A   2 415   ha s   not   be e n  f ul ly   u nde r s to od ,  e s pe c ia ll y  in   th e   a ppl ic a ti on   of   H A T T .  T he   a dopt i on  r e pr e s e nt s   a   k e y  a r e a   of   r e s e a r c h  a nd  de ve lo p m e nt ,   br id gi ng  t he   pe r f or m a nc e   ga p  be t w e e n  e xi s ti ng  tu r bi ne   pr of i le s   a nd  n e xt - g e ne r a ti on  d e s i gns   opt im iz e d  f or   hi gh e r   e f f ic ie nc y.   T hi s   s tu dy   a im s   t o  br id ge   th is   ga p  b y  nu m e r ic a ll y   e v a lu a ti ng  a nd   c om pa r in g  N A C A  2415  a n d i t s  m odi f i c a ti on u s in g  non - li n e a r  t w is t s  f or   im pr ovi ng H A T T  pe r f or m a nc e .   R e c e nt   s tu di e s   ha ve   s how n  th a t  a s ym m e tr ic   f oi ls   c a n  e nh a n c e   tu r bi ne   pe r f or m a nc e ,  pa r ti c ul a r ly   w he n  in c or por a ti ng  bl a de   twi s ti ng  a lo ng  th e   s pa nw is e   le ngt h  [ 12] ,  [ 13] .  S un   e t  al .  [ 14 ]   de m ons tr a te d  th a t  a   twi s te d  N A C A   2415  f oi l  s ig ni f ic a nt ly   im pr ove d  e f f ic ie nc y.  H ow e ve r ,  it s   e f f e c ti ve ne s s   in   pr a c ti c a l  H A T T   a ppl ic a ti ons   ha s   not   ye t  be e n   de te r m in e d.  T he   f lu id   be ha vi or   a r ound  th e   tu r bi ne   bl a de s   us in g  th is   pr of il e   r e qui r e s   f ur th e r   e va lu a ti on  to   c onf i r m   it s   im pa c t  on  pow e r   ou tp ut .  T hi s   r e s e a r c h  in ve s ti g a te s   th e   im pa c t  of   non - li ne a r   twi s ti ng  on  th e   p e r f or m a nc e   of   th e   H A T T   bl a de   u s in g  th e   N A C A   2415   f oi l,   c ont r ib ut in g  nove l  in s ig ht s  i nt o opti m iz in g t id a l  tu r bi ne  e f f ic ie nc y.   C o ndu c t in g  ph ys ic a l  e x pe r im e nt s   f or   ti da l  e ne r gy  r e s e a r c h  i s   of te n  c o s tl y  a nd  r e q ui r e s   s pe c i a li z e d   e qu ip m e n t.  T o ov e r c om e   t hi s   c ha ll e ng e , C F D   i s   w id e ly  us e d  to  pr e di c t  tu r bi ne  pe r f or m a n c e  a c c ur a te ly . S e ve r a l   s t udi e s   e m pl o yi n g  C F D   f or   H A T T   a n a l ys i s   ha ve   y ie ld e d   s ig ni f i c a nt   r e s ul t s   [ 15 ] – [ 1 7] .   C om pa r e d  t o  pr o pr i e t a r y   s of tw a r e ,   O pe nF O A M   pr o vi de s   gr e a t e r   f l e xi bi li ty   i n   c us to m iz in g  s o lv e r s   f or   t id a l   tu r bi ne   a p pl i c a ti o n s ,   m a k in g   it   a  s ui t a b le  c h oi c e   f or   t hi s  s tu dy  [ 18] .  O pe nF O A M   a ll o w s   f or  d e t a il e d s i m ul a t io n s  of   r e a l - w or ld  e n vi r onm e n ta l  c on di t io ns ,  pr ovi di n g  v a lu a b le   in s i ght s   i nt o  tu r bi n e   b e h a v io r   be f o r e   l a r ge - s c a le   im p le m e nt a ti o n.  A lt ho ugh   e a r li e r   s tu di e s   h a v e   f o c u s e d  on  t he   in f lu e n c e   of   a ir f o il   t yp e s   a n d  li n e a r   t w i s t  a n gl e s ,  t he y  h a v e   n ot   t hor oug hl y  e xp lo r e d  t h e   hy dr o dyn a m ic   i m pl ic a t io n s   of   a ppl yi n g  no n - l in e a r   twi s t  a lo ng  t he   bl a d e   s p a n.  T he   f in d in gs   f r om   th i s   s t udy  a i m   t o  e nh a n c e   th e   de s i gn  opt im i z a ti on  of   ti da l  t ur bi ne s ,  c ont r ib u ti n g  t o  th e   pr o gr e s s   of   r e n e w a bl e   e n e r g y  s ol ut i on s  i n  I nd on e s i a   a n d  s u ppor ti n g  br o a d e r   e f f o r t s  t ow a r d  a  m or e   s us ta in a bl e   gl ob a l  e n e r g y f ut u r e .       2.   D E S I G N  O F  H O R I Z O N T A L - A X I S  T I D A L  T U R B I N E  B L A D E   D e s ig ni ng  a  H A T T  bl a d e  i nvol ve s  s e ve r a l  ke y f a c to r s , i nc lu di ng f lu id  m e c ha ni c s  ( a e r odyna m ic s  a nd  hydr odyna m ic s ) ,  m a te r ia l  s e le c ti on,  a nd  s tr uc tu r a l  in te gr i ty .   T he   de s ig n  of   a   H A T T   bl a de   is   a im e d  a t  opt im iz in g  it s   e f f ic ie nc y  in   e xt r a c ti ng  e n e r gy  f r om   ti da l  c ur r e nt s .  T he   bl a d e   de s ig n  m us t   a c c ount   f or   th e   c om pl e x f lo w  dyna m ic s  of  w a te r , s im il a r  t o t he  de s ig n of  w in d  tu r bi ne  bl a de s ,   but  w it h di f f e r e nc e s  i n de ns it y,  f lo w   c ha r a c te r is ti c s ,  a nd  e nvi r onm e nt a l  f a c to r s .  F r om   a  f lu id   m e c ha ni c s   poi nt   of   vi e w ,  th e   m a i n   c ons id e r a ti ons   a nd  th e   ke y  de s ig n  obj e c ti ve s   in c lu de   m a xi m iz i ng  e ne r gy  e xt r a c ti on  a nd  m in im iz in g  d r a g  a nd   f lo w   s e pa r a ti on.  T hi s   w il l  be   s tr ongl y   in f lu e nc e d   by   bl a de   g e o m e tr y.  B la de   ge om e tr y  pl a ys   a   s ig ni f ic a nt   r ol e   in   th e   pe r f o r m a nc e   of   a   ti da l  tu r bi ne .  O ne   pa r a m e te r   o f   bl a de   ge om e tr y  th a t   is   im po r ta nt   is   th e   f oi l   pr of i le .   T he  s e l e c ti on of  f oi l  is  c r uc ia l  f or  t he  l if t  a nd dr a g c ha r a c te r is ti c s  t hus  i nf lu e nc e  H A T T  p e r f or m a nc e .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I S S N :   2252 - 8814   I nt  J  A dv A ppl  S c i ,  V ol .  14 , N o.  3 ,  S e pt e m be r   20 25 :  894 - 906   896   2.1. S e le c t io n  of  f oi l  p r o f il e s   f or   h or iz on t al - axi s  t id al   t u r b in e   T he   s e le c ti on  of   a n  a ppr opr i a te   f oi l  is   c r it ic a l  f or   e nha nc in g  t ur bi ne   p e r f or m a n c e .   N A C A   24 15  i s   c hos e n  f or   it s   f a vor a b le   hydr o dyn a m ic   c ha r a c te r i s ti c s ,  p a r ti c u la r ly   it s   s up e r io r   li f t - to - dr a g  r a t io ,  m a k in g  it   w e ll - s ui te d  f or   ti da l  a ppl i c a ti ons   [ 1 9] .  T he   N A C A   2415  a ir f oi l  f e a tu r e s   a   m ode r a te   c a m b e r   a n d  a   th in   pr of il e ,   w hi c h   he l ps   r e du c e   f lo w   s e pa r a ti on   a nd   im pr ov e   e ne r gy  e xt r a c ti on   e f f i c ie n c y.   I ts   s h a p e   a l lo w s   f or   be tt e r   pe r f or m a n c e   in   f lu c tu a ti ng   f lo w   c o ndi ti on s  c om m o nl y  f ound   in  t id a l  e nvi r o nm e nt s .   H o w e v e r ,  th e  e f f ic i e nc y   of   th e  H A T T   c a n  be  f ur th e r  o pt im iz e d b y m odi f yi ng t h e  f oi l  pr of il e  t o be t te r   s ui t  s p e c if ic  op e r a ti on a l  c ondi ti ons .   N on - li ne a r   twi s t  is   in c or por a te d  in to   th e   N A C A   2415  a ir f oi l,   r e s ul ti ng  in   th e   O pt A   d e s ig n  pr opos e d  by  R ot or   a nd  H e f a z i   [ 16 ] .  T hi s   m odi f ie d  a ir f oi l  a im s   to   m in i m iz e   c a vi ta ti on,  a   c r it ic a l  f a c to r   in   unde r w a te r   a ppl ic a ti ons   w he r e   bubble   f or m a ti on  c a n  de gr a de   e f f ic ie nc y  a nd  le a d  to   bl a de   e r os io n.  T he   O pt A   a ir f oi l   f e a tu r e s   a   m or e   c om pl e x   twi s t  di s tr ib ut io n,  de s ig ne d   to   opt im i z e   th e   a ngl e   of   a tt a c k   a c r os s   th e   le ngt h  of   th e   bl a de . T hi s  t w is t  he lp s  m a in ta in  opt im a l  hydr odyna m ic  pe r f or m a nc e , r e duc in g f lo w  s e pa r a ti on a nd i nc r e a s in g  li f t  a t  di f f e r e nt   r a di a l  s e c ti ons   of   th e   bl a de ,  e s pe c ia ll y  unde r   v a r yi ng  ti da l  c ur r e nt   s pe e ds .  A ddi ti ona ll y,  th e   in c r e a s e d s ur f a c e   r oughne s s   of   th e   O pt A   f oi l  im pr ove s   bounda r y  la ye r   c ont r ol ,  e nha nc in g  pe r f or m a nc e   unde r   f lu c tu a ti ng  f lo w   c ondi ti ons   by  r e duc in g  th e   li ke li hood  of   f l ow   de ta c hm e nt   a nd  tu r bul e nt   f lo w   ne a r   th e   s ur f a c e .  I n  th is   s tu dy,  bot h  th e   N A C A   2415   a nd  O pt A   f oi ls   a r e   a ppl ie d  a nd  c om p a r e d  in   a   H A T T .   T he   c om pa r is on  in c lu de s   a n  e va lu a ti on  of   pe r f o r m a nc e   unde r   v a r yi ng  T S R   a nd  f lo w   c ondi ti ons .  A   vi s ua l   c om pa r is on  of   th e   f oi ls   i s   pr e s e nt e d  in   F ig ur e   1,   il lu s tr a ti ng  th e   ke y  di f f e r e nc e s   in   pr of il e   a nd   de s ig n   m odi f ic a ti ons .  F ig ur e   1( a )   s how s   th e   c om pa r is on  be twe e n  th e   N A C A   2415  w in g  pr of il e   a nd  th e   m odi f ie d  w in g  pr of il e ,  F ig ur e   1( b )   s how s   th e   tu r bi ne   de s ig n  ge om e tr y,  a nd  F ig ur e   1( c )   s how s   th e   di s tr ib ut io n  of   twi s t  a ngl e   a nd  c hor d  le ngt h  of   th e   bl a de .   F r om   F ig ur e   1( a ) ,  it   c a n  be   s e e n  th a t  th e   O pt A   a ir f oi l  in c or por a te s   s pe c if ic   f e a tu r e s   s uc h  a s   a n  in c r e a s e d  th ic kne s s   ne a r   th e   r oot   a nd  a   ta pe r e d  de s ig n  to w a r ds   th e   ti p,  w hi c h  a ll ow s   f or   a   be tt e r   di s tr ib ut io n  of   lo a d s   a lo ng  th e   bl a de .   T he s e   m odi f ic a ti ons   a r e   e s p e c ia ll y  u s e f ul   f or   unde r w a te r  t ur bi ne s , a s  t he y r e duc e  t h e  r is k of  c a vi ta ti on w hi le   m a in ta in in g hi gh C P s  i n l ow - f lo w  c ondi ti ons .         ( a )         ( b)   ( c )     F ig ur e  1.   V is ua l  c om pa r is on of  t he  f oi ls  of   ( a )   c om pa r is on be twe e n  N A C A  2415  f oi l  a nd modi f ie d f oi l  [ 16] ,  ( b)   tu r bi ne  de s ig n ge om e tr y ,  a nd  ( c )   di s tr ib ut io n of  t w is t  a ngl e   a nd c hor d l e ngt h of  bl a de   [ 18]       2.2.    B la d e  ge om e t r y an d  t w is t  d is t r ib u t io n  i n   h or i z on t a l - axi s  t id al  t u r b in e   I n  th e   de s ig n  of   a   H A T T ,  bl a de   ge om e tr y  a nd  twi s t  di s tr ib ut io n  pl a y  ke y  r ol e s   in   de te r m in in g   e f f ic ie nc y  a nd  pe r f or m a nc e .  B la de   g e om e tr y  r e f e r s   to   th e   ove r a ll   s ha pe   a nd  di m e n s io ns   of   th e   bl a d e ,  w hi c h   di r e c tl y  in f lu e nc e   it s   hydr odyna m ic   pe r f or m a nc e .  K e y  pa r a m e t e r s   in c lu de   bl a de   le ngt h,  c hor d  le ngt h,  ti p  a nd   r oot   de s ig n,  a nd  a s pe c t  r a ti o.  T w i s t  di s tr ib ut io n,  on  th e   ot he r   ha nd,  is   c r it ic a l  a s   it   a f f e c ts   th e   a ngl e   of   a tt a c k  a nd  hydr odyna m ic   e f f ic ie nc y  a c r os s   th e   bl a de   s pa n.  P r ope r   bl a de   twi s ti ng  opt im iz e s   th e   a ngl e   of   a tt a c k,  r e duc in g  f lo w   s e pa r a ti on  a nd  m a xi m iz in g  e ne r gy  c a pt ur e .  T he   twi s t  a ngl e   is   c a r e f ul ly   di s tr ib ut e d  to   m a in ta in   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I nt  J  A dv A ppl  S c i     I S S N :   2252 - 8814       N um e r ic al   s tu dy  of  non - li ne ar  t w is te d bl ad e s  f or  t id al  t ur bi ne s   i m pr ov e m e nt   ( N u R hahi da A r in i)   897   a n  opt im a l  li f t - to - dr a g  r a ti o  a lo ng  th e   bl a de ’ s   le ngt h,  e ns ur in g  e f f ic ie nt   e ne r gy  c onve r s io n  [ 17] .  F or   H A T T s ,  non - uni f or m   twi s t  is   c om m onl y  us e d  to   a da pt   th e   bl a de ' s   p e r f or m a nc e   to   va r yi ng  r a di a l  f lo w   c ondi ti ons .  W hi le   s om e   tu r bi ne   de s ig ns   us e   a  c ons ta nt   twi s t,   w he r e   th e   a n gl e   of   a tt a c k  r e m a in s   th e   s a m e   a lo ng  th e   e nt ir e   bl a de ,  th is   is   le s s   e f f e c ti ve   f or   ti da l  tu r b in e s   due   to   va r ia bl e   f lo w   c ha r a c te r is ti c s .  I n  a   non - li ne a r   twi s t  de s ig n,   th e  a ngl e  of  a tt a c k i s  a dj us t e d a lo ng t he  bl a de , w it h a  hi ghe r  a n gl e  ne a r  t he  r oot  a nd a  r e duc e d a ngl e  a t  th e  t ip ,   e ns ur in g opti m a l  hydr odyna m ic  pe r f or m a nc e  a c r os s  t he  e nt ir e  l e ngt h.   T he   N A C A   2415  a ir f oi l,   w he n  a ppl ie d  to   H A T T   bl a de s ,   m us t  be   opt im iz e d  in   t e r m s   of   bot h  ge om e tr y  a nd  twi s t  di s tr ib ut io n  to   e ns ur e   m a xi m um   e ne r gy  e xt r a c ti on  f r om   th e   ti da l  f lo w   w hi le   m a in ta in in g   s ta bl e   ope r a ti on.  T he   twi s t  di s tr ib ut io n  on  th e   N A C A   2415  is   s pe c if ic a ll y  de s ig ne d  to   a ll ow   th e   bl a de   to   ope r a te  e f f ic ie nt ly  a c r os s  va r yi ng t id a l  f lo w  c ondi ti ons . T ypi c a ll y, t he  t w is t  a ngl e  i nc r e a s e s  t ow a r d t he  r oot  t o   m a tc h  th e   lo w e r   w a te r   ve lo c it ie s   ne a r   th e   hub,  w hi le   th e   twi s t   a ngl e   de c r e a s e s   to w a r d  th e   ti p  to   r e duc e   th e   a ngl e   of   a tt a c k  a nd  m in im iz e   dr a g  a t  hi ghe r   ve lo c it ie s ,  w he r e   th e   w a te r   f lo w   is   f a s te r .  T hi s   opt im a l  twi s t   di s tr ib ut io n  ba la nc e s   li f t  ge n e r a ti on  a nd  dr a g  r e du c ti on.  E xc e s s iv e   twi s ts   n e a r   th e   ti p  c a n  c a us e   hi gh  dr a g,  w hi le   in s uf f ic ie nt   twi s t  ne a r   th e   r oot   c a n  le a d  to   f lo w   s e pa r a ti on  a nd  r e duc e d  li f t.   T he   twi s t  di s tr ib ut io n  f o r   N A C A   2415  in   a   H A T T   d e s ig n  is   c a r e f ul ly   opt im iz e d  to   a c c o unt   f or   th e   va r yi ng  f or c e s   a nd  f lo w   ve lo c it ie s   a lo ng  th e   bl a de   s p a n.  I n  th is   s tu dy,  C F D   s im ul a ti ons   a r e   us e d  to   e va lu a t e   di f f e r e nt   twi s t  pr of il e s   a nd  m a xi m iz e   e f f ic ie nc y  w hi le   m in im iz in g  lo s s e s .  N on - li ne a r   twi s ts   r e duc e   th e   li ke li hood  of   f lo w   s e pa r a ti on  a t  th e   bl a de ’ s   ti p  a nd  he lp   m a in ta in   a   s ta bl e   li f t - to - dr a g  r a ti o  und e r   di f f e r e nt   ope r a ti ng  c ondi ti ons ,  e ns ur in g  th e   tu r bi ne  pe r f or m s  e f f e c ti ve ly  a c r os s  a  r a nge  of  T S R s .   T he   f unda m e nt a l  ge om e tr ic   bl a de   pr of il e   in   th is   s tu dy  is   de r iv e d  f r om   th e   tu r bi ne   de s ig n  de ve lo pe d  by  S un  e t  al .   [ 14] ,   w hi c h  ut il iz e s  t he   in ve r s e  bounda r y e le m e nt   m e th od  ( I B E M )  t he or y.  F ig ur e  1 ( b)  i ll us tr a te s   th e   ge om e tr ic   H A T T   m od e l  in c or por a ti ng  th e   m odi f ie d  N A C A   2415  f oi l,   de s ig n e d  us in g  I B E M   th e or y  ( F ig ur e   1 ) .  T he   tu r bi ne   r ot or   c ons is ts   of   th r e e   bl a de s ,  opt im iz e d  f or   m a xi m u m   e f f ic ie nc y,  w it h  a   s pa nw is e   le ngt h of  1.55 me te r s . T he  s p e c if ic  t w is t  di s tr ib ut io n i s  de ta il e d  in  F ig ur e  1( c ) .     2.3.    P e r f or m an c e  e val u at io n  m e t r ic s   P e r f or m a nc e   e va lu a ti on  m e tr ic s   a r e   pa r a m e te r s   f or   a s s e s s in g   th e   e f f ic ie nc y  a nd  e f f e c ti ve ne s s   of   H A T T s .  T he s e   m e tr ic s   he lp   qua nt if y  how   w e ll   th e   tu r bi ne   i s   c a pt ur in g  e ne r gy  f r om   ti da l  f lo w s ,  a nd  th e y  a r e   us e d  to   opt im iz e   tu r bi ne   de s ig n  a nd  ope r a ti ona l  s tr a te gi e s .  K e y  pe r f or m a nc e   e va lu a ti on  m e tr ic s   c om m onl y   us e d  f or   H A T T s   a r e   T S R ,  C P ,  a nd   to r que   c oe f f ic ie nt   ( C T ) ,   w hi c h  a r e   u s e d  in   th i s   s tu dy.  T S R ,  w hi c h  r e pr e s e nt s  t he  r a ti o of   th e  t a nge nt ia l  s pe e d of  t he  bl a de  t ip   to  t h e  i nl e t  ve lo c it y ( U ,  i n m e te r s  pe r  s e c ond)   [ 20] .  T he  T S R   e qua ti on i s  e xpr e s s e d i n ( 1) .     = .   ( 1)     =  0 . 5  3   ( 2)     = 0 . 5  2   ( 3)     W he r e   R   a nd    de not e   th e   tu r bi ne   r a di us   ( in   m e te r s )   a nd  a ngul a r   s pe e d  ( in   r a di a ns   pe r   s e c ond) ,   r e s pe c ti ve ly .  R   r e m a in s   c ons ta nt   th r oughout  th e   a na ly s i s .  S in c e   th e   in le t   v e lo c it y  is   s e t  to   2  m / s ,  r e f le c ti ng  ty pi c a l  ti da l  f lo w   c ondi ti ons   f ound  in   I ndone s ia n  w a te r s ,  th e   va lu e   of     w il l  be   a dj us te d  f or   T S R   va r ia ti on  a c c or di ngl y.   T w o  ot he r   ke y  pe r f or m a nc e   in di c a to r s   a r e   th e   C P   a nd  C T .  T he   C T   m e a s ur e s   th e   to r que   ge ne r a te d  by  th e   tu r bi ne   bl a de s   r e la ti ve   to   th e   to r que   th a t  w oul d  be   pr oduc e d  by  a n  id e a l  tu r bi ne .  T hi s   m e tr ic   is   u s e f ul   f or   unde r s ta ndi ng  th e   m e c ha ni c a l  f or c e s   th a t  dr iv e   th e   ge n e r a to r   a nd  c onve r t  r ot a ti ona l  m ot io n  in to   e le c tr ic a l  pow e r .  W he r e a s   C P   m e a s ur e s   how   e f f ic ie nt ly   th e   tu r bi ne   c on ve r ts   th e   ki ne ti c   e ne r gy  of   th e   t id a l  f lo w   in to   m e c ha ni c a l  pow e r .  T he   C P   is   de f in e d  a s   th e   r a ti o  of   th e   a c tu a l  pow e r   e xt r a c te d   by  th e   tu r bi ne   to   th e   th e or e ti c a l  m a xi m um   pow e r   a va il a bl e   in   th e   ti da l   f lo w .  T he   m a xi m um   va lu e   of   C P   i s   of te n  r e f e r r e d  to   a s   th e   B e tz   li m it   f or   w in d  tu r bi ne s ,  but   f o r   ti da l  tu r b in e s ,  th is   va lu e   is   lo w e r   due   to   th e   di f f e r e nt   c ha r a c te r is ti c s   of   w a te r   f lo w   a nd  r e s is ta nc e .  A   hi ghe r   C P   in di c a t e s   be tt e r   pe r f or m a nc e   a nd  e ne r gy  e xt r a c ti on  e f f ic ie nc y.  C P   a nd  C T   a r e   d e f in e d  a s   in   ( 2)   a nd   ( 3) .  W he r e   T   is   th e   to r que ,  A   is   th e   s w e pt   a r e a ,  a nd  ρ  i s   th e   de ns it y   of   w a te r ,  w hi c h i s  1000   kg/ m ³ .       3.   M E T H O D   T he   tu r bi ne   de s ig n  in   th is   s tu dy  c ons is ts   of   two  di s ti nc t  c onf ig ur a ti ons :  one   ba s e d  on  th e     N A C A   2415  f oi l  a nd  th e   ot he r   on   a   m odi f ie d   N A C A   2415  f oi l  w it h   a   non - li ne a r   twi s t  a lo ng  th e   bl a de   ( r e f e r r e d  to   a s   O pt A ) ,  a s   s how n  in   F ig ur e   1 ( c ) .  T he   N A C A   2415  f oi l  is   c hos e n  due   to   it s   w e ll - e s ta bl is he d   hydr odyna m ic   c ha r a c te r is ti c s ,  in c lu di ng  a   f a vor a bl e   li f t - to - dr a g  r a ti o,  w hi le   th e   O pt A   d e s ig n  in c or por a te s   a   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I S S N :   2252 - 8814   I nt  J  A dv A ppl  S c i ,  V ol .  14 , N o.  3 ,  S e pt e m be r   20 25 :  894 - 906   898   non - li ne a r   twi s t  to   opt im iz e   e ne r gy  e xt r a c ti on  by  a dj us ti ng  t he   a ngl e   of   a tt a c k  a lo ng  th e   bl a de   s p a n.  T h e   ge ne r a te d t ur bi ne  m ode ls , r e pr e s e nt in g both f oi l  c onf ig ur a ti ons , a r e  i m por te d i nt o O pe nF O A M , a  w id e ly  us e d   C F D   s of twa r e ,  f or   de ta il e d  num e r ic a l  s im ul a ti ons .  T he s e   s im ul a ti ons   a r e   pe r f or m e d  us in g  th e   pi m pl e F O A M   s ol ve r ,  w hi c h  is   s ui ta bl e   f or   tr a ns ie nt ,  in c om pr e s s ib le   f lo w   a na ly s is   in   tu r bom a c hi ne r y  a ppl ic a ti ons .  A   ve lo c it y  in le t  of   2  m /s   is   a ppl ie d  a s   th e   in f lo w   c ondi t io n  to   s im ul a te   r e a li s ti c   ti da l  f lo w   ve lo c it ie s   in   a   m a r in e   e nvi r onm e nt .  T he   pe r f or m a nc e   of   bot h  tu r bi ne   de s ig ns   is   s ys te m a ti c a ll y  e va lu a te d  a c r os s   a   r a nge   of   T S R   va lu e s , w hi c h i s  c r uc ia l  f or  unde r s ta ndi ng t he   tu r bi ne s '  ope r a ti o na l  e f f ic ie nc y unde r  di f f e r e nt   f lo w  c ondi ti ons .   T he s e   s im ul a ti on s   pr ovi de   va lu a bl e   in s ig ht s   in to   th e   e f f e c t  of   a ir f oi l  ge om e tr y   a nd  twi s t  di s tr ib ut io n  on   th e   tu r bi ne ' s  pow e r  out put , t or que , a nd ove r a ll  hydr odyna m ic  pe r f o r m a nc e . A ddi ti ona ll y, t he  s tu dy a im s  t o a s s e s s   th e   in f lu e nc e   of   va r yi ng  T S R   va lu e s   on  th e   tu r bi ne s ’   a bi li ty   to   e xt r a c t  e ne r gy  f r om   th e   ti da l  f lo w ,  ul ti m a te ly   c ont r ib ut in g t o t he  opt im iz a ti on of  H A T T s .   T he   num e r ic a l  m e th odol ogy  in   th is   s tu dy  c ove r s   f lo w   e qua ti ons ,  tu r bul e nc e   m ode l s ,  m e s hi ng  s tr a te gy ,   a nd s e tt in g up bounda r y c ondi ti ons   ( B C ) . D e f in in g t he s e  pa r a m e te r s  a ll ow s   th e   pi m pl e F O A M  s ol ve r   to   a c c ur a te ly   m ode l  th e   c a s e   in   tr a ns ie nt   a nd  in c om pr e s s ib l e   s im ul a ti on.  A ddi ti ona ll y,  pi m pl e F O A M   is   c hos e n  f or   it s   a bi li ty   to   ha ndl e   uns te a dy   f lo w   c ondi ti ons ,   w hi c h   a r e   ty pi c a l   in   ti da l   tu r bi ne   a ppl ic a ti on s   w he r e   th e  f lo w  ve lo c it y c a n f lu c tu a te  w it h t he  t id a l  c yc le s . T he  nume r i c a l  pa r a m e te r s  a r e  de ta il e d  a s  f ol lo w s .       3.1.     F lo w  e q u at io n s   T he   dyna m ic   f lu id   m ode l  s ol ve s   th e   N a vi e r - S to ke s   ( N S )   a n d  th e   c ont in ui ty   e qua ti ons .  T he   N S   e qua ti on ,   w hi c h  gove r ns   f lu id   f lo w   w it hi n  th e   dom a in   m ode l ,   is   ta c kl e d  us in g  th e   f in it e   vol um e   m e th od   ( F V M )  w it hi n O pe nF O A M  s ol ve r s . T h e s e   e qua ti ons  a r e  r e pr e s e nt e d i n ( 4)  a nd ( 5) .      = 0   ( 4)     ( )  + ( ) = −  + ( 2  − )   ( 5)     W he r e     r e pr e s e nt s   th e   m e a n  ve lo c it y  c om pone nt ,    de not e s   th e   m e a n  pr e s s ur e ,    s ig ni f ie s   th e   ki ne m a ti c   vi s c os it y, a nd    s ig ni f ie s  t he  R e ynol ds   s tr e s s  t e ns or .    T he s e   e qu a ti on s   a r e   s ol ve d  in   a   c oupl e d  m a nne r   t o  pr e di c t   ve lo c i ty ,  pr e s s ur e ,  a nd  o th e r   f lo w   pa r a m e te r s  a t  e a c h c om put a ti on a l  poi nt  i n t he  dom a in . S p e c if i c a ll y, t he  e qua ti ons   a r e  s ol ve d us in g t he   pr e s s ur e   im pl ic it   m e t hod  w it h   s p li tt in g   of   ope r a to r s   f or   pr e s s ur e - li nk e d  e qua ti on s   ( P I M P L E )   a lg or it h m .  T h e   P I M P L E   a lg or it hm   c om b in e s   tw o  c l a s s i c a l  m e th o ds :   th e   pr e s s ur e   im pl ic it   w it h  s pl it ti ng  of   ope r a to r s   ( P I S O )   a l gor it hm   a nd  th e   s e m i - im pl ic it   m e th od  f or  pr e s s ur e - li nk e d  e qua ti ons   ( S I M P L E )   a lg or it h m . T hi s   hy br id   a ppr oa c h a ll ow s   f or  e f f ic ie nt  t im e - s t e ppi n g i n t r a ns ie nt  s im ul a ti o ns ,  w hi l e  e ns ur i ng both  s t a bi li ty  a nd  a c c ur a c y.   T he   P I M P L E   a lg or it hm   w or ks   by  it e r a ti ng  be twe e n  pr e s s ur e   a nd  ve lo c it y  c or r e c ti ons   w it hi n  e a c h   ti m e   s te p.  T h e   pr im a r y  s te p s   in c lu de   a   pr e s s ur e   pr e di c ti on,  f ol lo w e d  by  a   c or r e c ti on  of   bot h  th e   ve lo c it y  a nd   pr e s s ur e   f ie ld s ,  a ll ow in g  f or   th e   pr e s s ur e - ve lo c it y  c oupl in g  to   be   r e s ol ve d.  T he   a lg or it hm   us e s   m ul ti pl e   it e r a ti ons   w it hi n  e a c h  ti m e   s t e p,  im pr ovi ng  a c c ur a c y,  pa r ti c ul a r ly   in   uns te a dy  a nd  tu r bul e nt   f lo w   s im ul a ti ons ,   w hi c h  a r e   c om m on  in   ti da l  tu r bi ne   a ppl ic a ti ons .  I n   th e   c ont e x t  of   ti da l  tu r b in e s ,  w he r e   f lo w   c ondi ti ons   c a n  va r y  dyna m ic a ll y,  th e   P I M P L E   a lg or it hm   e ns ur e s   th a t  th e   f lo w   r e m a in s   in c om pr e s s ib le , c a pt ur in g  tu r bul e nc e   a nd  a c c ur a te ly   s im ul a ti ng  th e   tu r bi ne ’ s   in te r a c ti on  w it h  th e   ti da l  f lo w .  T hi s   it e r a ti ve   pr oc e s s   e n a bl e s   s ta bl e   a nd  e f f ic ie nt   s im ul a ti ons ,  m a ki ng  it   w e ll - s ui te d  f or   m ode li n g  th e   c om pl e x  f lo w   be h a vi or   a r ound  tu r bi ne   bl a de s  unde r  r e a li s ti c  t id a l  c ondi ti ons .     3.2.    T u r b u le n c e  m od e l   I n  C F D   s im ul a ti ons ,  tu r bul e nc e   m ode ls   a r e   c onc e pt s   to   a c c ur a t e ly   c a pt ur e   th e   be ha vi or   of   tu r bul e nt   f lo w s ,  w hi c h  a r e   c om m onl y  e nc ount e r e d  in   m a ny  e ngi ne e r in g  a ppl ic a ti ons ,  in c lu di ng  ti da l  tu r bi ne   s im ul a ti ons .  T ur bul e nc e   m ode l s   pr ovi de   a   w a y  to   a ppr oxi m a te   th e   e f f e c ts   of   tu r bul e nt   e ddi e s   a nd  ot he r   c ha ot ic   f lo w   s tr uc tu r e s   on  th e   f lu id   f lo w .  T ur bul e nc e   m ode ls   a r e   ne c e s s a r y  be c a u s e   s ol vi ng  th e   NS   e qu a ti ons   di r e c tl y  f or   tu r bul e nt   f lo w s   w oul d  r e qui r e   pr ohi b it iv e ly   hi gh  c om put a ti ona l  r e s our c e s .  C om m on  tu r bul e nc e   m ode ls   us e d  in   ti da l  tu r bi ne  s im ul a ti ons   in c lu de   th e   k - e ps il on  ( k - ε )   a nd  k - om e ga   ( k - ω )   m ode ls .  B ot h  of   th e s e   m ode ls   be lo ng  to   th e   R e ynol ds - a ve r a ge d  N a vi e r - S to ke s   ( R A N S )   c a te gor y  of   tu r bul e nc e   m ode ls .  T he y  a r e   r e f e r r e d  to   a s   two - e qua ti on  R A N S   m ode ls   b e c a u s e   th e y  s ol ve   two  a ddi ti ona l  tr a ns por t  e qua ti ons :  one   f or   tu r bul e nt   ki ne ti c   e ne r gy  ( k)   a nd  th e   ot h e r   f or   e it he r   th e   di s s ip a ti on  r a te   ( ε )   in   th e   k - ε   m od e l  or   th e   s pe c if ic   di s s ip a ti on  r a te   ( ω )   in   th e   k - ω   m ode l.   T he s e   m od e ls   s im pl if y  th e   tu r bul e nc e   pr obl e m   by  a ve r a gi ng  th e   f lu c tu a ti ng  f lo w   qua nt it ie s ,  a ll ow in g  th e m   to   e f f e c ti ve ly   r e p r e s e nt   ti m e - a ve r a ge d  tu r bul e nt   f lo w   be ha vi or   i n   s im ul a ti ons   w hi le   s ti ll   c a pt ur in g  th e   pr im a r y  e f f e c ts   of   tu r bul e nc e   on  th e   f lu id   m ot io n.  I n  th is   s tu dy,  th e   k - ε  tu r bul e nc e   m ode l  is   e m pl oye d  be c a us e   it   is   w e ll - s ui te d  f or   id e nt if yi ng  is s ue s   r e la te d  to   f lu id   f lo w   th r ough  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I nt  J  A dv A ppl  S c i     I S S N :   2252 - 8814       N um e r ic al   s tu dy  of  non - li ne ar  t w is te d bl ad e s  f or  t id al  t ur bi ne s   i m pr ov e m e nt   ( N u R hahi da A r in i)   899   c om pl e x  ge om e tr ie s   [ 21] .  T he   m ode l' s   a bi li ty   to   ha ndl e   f ul ly   de ve lo pe d  tu r bul e nt   f lo w s   e f f ic ie nt ly   m a ke s   it   id e a l  f or   s im ul a ti ng  th e   in te r a c ti ons   b e twe e n  th e   ti da l  f lo w   a nd  th e   tu r bi ne   bl a de s ,   w hi c h  in vol ve   in tr ic a te   ge om e tr ic a l  f e a tu r e s .  A ddi ti ona ll y,  th e   k - ε   m ode l  s tr ik e s   a   b a la nc e   be twe e n  a c c ur a c y  a nd  c om put a ti ona l   e f f ic ie nc y,  m a ki ng  it   a   pr a c ti c a l  c hoi c e   f or   th e   a na ly s is   of   tu r bul e nt   f lo w   c ha r a c te r is ti c s   in   th e   c a s e   of   m a r in e   hydr odyna m ic  l oa ds ,   in c lu di ng t he  c a s e  of  t id a l  tu r bi ne  pe r f o r m a nc e  i n t hi s  s tu dy. F e r z ig e r   e t  al .   [ 22]   s how e d  k – ε  t ur bul e nt  m ode l  in  ( 6) . T he  e ddy vis c os it y of  t ur bul e nc e  i s   de te r m in e d a s  i n ( 7) .       (  )  + ( ) = 1 − 2 2 + (  )   ( 6)     = √ = 2   ( 7)     T hi s   m ode l  c ont a in s  fi ve  pa r a m e te r s ;  th e  m os t  c om m onl y us e d  va lu e s  f or  t he m  a r e :     = 0 . 09 ; 1 = 1 . 44 ; 2 = 1 . 92 ; = 1 . 0 ; 3 = 1 . 3       W he r e   k  r e pr e s e nt s   th e   in te ns it y  of   th e   tu r bul e nc e   a nd  is   a s s o c ia te d  w it h  th e   e ne r gy  c ont a in e d  in   tu r bul e nt   e ddi e s ,   w hi le   ε   r e pr e s e nt s   th e   r a te   a t  w hi c h  tu r bul e nt   ki ne ti c   e ne r gy  is   c onv e r te d  in to   th e r m a l  e ne r gy  due   to   vi s c ous   f or c e s .  T he   k - ε   m ode l  is   s ui ta bl e   f or   m ode r a te   to   hi gh  R e ynol ds   num be r   f lo w s   a nd  is   of te n  us e d  in   in dus tr ia l  a ppl ic a ti ons .  I t  is   pa r ti c ul a r ly   e f f e c ti ve   f or   f lo w s   w it h  f ul ly   de ve lo pe d  tu r bul e nc e   but   m a y  no t   pe r f or m  w e ll  f or  l ow - R e ynol ds - num be r  f lo w s  or  f lo w s  w it h s ig ni f ic a nt  s e pa r a ti on or  r e c ir c ul a ti on.     3.3.    M e s h in g   I n C F D  s im ul a ti on s ,   m e s hi ng   i s  a   c r it i c a l  s t e p   t ha t  in v ol v e s  di s c r e ti z i ng   th e  c o m p ut a ti o na l  dom a i n i nt o  s m a ll   c e ll s ,   a l lo w in g  t he   s o lv e r   t o  a ppr oxi m a t e   t h e   f lu id   f l ow   e qu a t io ns   num e r ic a ll y.  F or   s im ul a ti ng  H A T T   us in g  O p e nF O A M ,  m e s hi ng  i s   pa r ti c ul a r l y  im por t a nt   b e c a us e   o f   th e   c om p le x  g e om e tr y  a nd  th e   n e e d  f or   hi g h  a c c ur a c y  i n  c a p tu r i ng  f l ow   be ha vi o r   a r oun d  th e   t ur bi ne   bl a d e s   a nd  w it hi n  th e   s ur r oun di n g  f lu id   d om a i n.  T h e   f ir s t  s t e p   in   t he   m e s hi ng  pr o c e s s   i s   de f in in g   t he   c om p ut a ti on a l   do m a in ,   w hi c h   i s   t yp ic a ll y  a   la r ge   v ol u m e   of   w a t e r   th r o ug h  w hi c h  t he   ti d a l  f lo w   w i ll   p a s s .  T hi s   d om a in   in c l ude s   th e   in le t  ( w he r e   t he   ti d a l  f lo w   e nt e r s ) ,  t h e   r e gi on   a r ou nd t h e  t ur b in e  bl a d e s , a n d  t h e   o ut l e t   w he r e  t h e   f lo w  e xi t s .  T h e  ne xt  s t e p   i s   to   im por t   t he   g e om e tr y of   th e  H A T T ,   w hi c h  i n c lu de s   t he   t ur bi ne  bl a d e s ,   hu b,   i n to   t he  c o m p ut a ti o na l  dom a i n.   I n  t hi s  s tu dy ,   th e  m od e l  do e s   not   i nc lu de   s upp or ti ng  s tr uc tu r e s .  T he   ov e r a ll   c om put a t io n a l  dom a in ,   i nc lu d in g  th e   H A T T ,   is   de pi c t e d  in     F ig ur e  2 . F r om   F i gur e   2, i t  c a n  b e   s e e n  th a t  t he  C F D  d om a in  i s  c on s tr u c t e d  f r om   tw o r e gi on s ,   w h ic h a r e  r ot a ti ng   a nd   s t a ti on a r y   z on e s .   T h e   s t a ti on a r y   z on e   i s   r e pr e s e nt e d   b y  a   r e c ta ngu la r   f o r m   w it h  tw o  d i s ti nc t   c e ll   s iz e s ,   a s   s e e n i n   F ig ur e  2( a ) ,   w h e r e a s   F i gur e   2( b)  s ho w s   t he  c ir c ul a r   r e gi o n ,   w h ic h r e pr e s e nt s   t he   r ot a r y   z on e .  T h e   r e gi o n  th a t  i nt e r s e c t s   be tw e e n  t he   s ta ti o na r y  a n d  r o ta r y  z o ne s   is   th e   i nt e r f a c e   c e l ls .  S m a ll e r   c e l l  s i z e s   a r e   e m pl o ye d  a r o und  th e   bl a d e   t o  e nh a n c e   s im ul a t io n  a c c ur a c y ,   t hu s   a f f e c t i ng  to   r e s u lt ’ s   pr e c i s io n.  H o w e ve r   s m a l le r   s iz e   pr od uc e s   a   hi g h  n um b e r   of   ge ne r a t e d   c e l ls ,   w hi c h   s tr o ngl y  i nf lu e nc e s   t h e   c om put a ti on a l   e f f or t .  T h e   de s ir e d   m e s h   i n   th is   pa pe r   w a s   ge ne r a t e d   us in g  th e   C F M e s h   s of tw a r e .   T h e   s of t w a r e   e n a b le s   e f f i c i e nt   pa r a ll e l iz a t io n   us in g   s h a r e d  m e m or y  pa r a ll e li z a ti o n  ( S M P )   a nd  di s tr ib u te d  m e m or y  pa r a ll e li z a ti o n  w it h  m e s s a g e   p a s s i ng   in t e r f a c e   ( M P I )   [ 23] .  T h e   r o ta t in g  m e s h  i s   de ve lo p e d   w i th   th e   f un c t io n   of   a   d yn a m i c   m e s h  li br a r y  in   O p e nF O A M .   T h e   li br a r y  pr ov id e s   a n  i nt e r f a c e   c r e a t io n   to   s e t  a   s ur f a c e   bo un da r y  b e t w e e n   r ot a t in g   a nd   s t a ti on a r y   z on e s ,   a s  s h ow n  i n  F i gur e  2( c ) . T he   H A T T   m od e l  is   l oc a t e d i n s i de   th e   r ot a ti ng z o ne . T he   c e ll s   in s i de   th e  z o n e   r ot a t e  a lo ng w it h  t he  t ur bi n e   r o to r   r ot a ti on.   I n a   m e s hi n g  pr o c e s s ,  o ne  s hou ld  e n s u r e  t h a t  t he  g e n e r a te d  m e s h  i s   of   go od  qu a li ty .   T hi s   c a n  be   ob ta in e d  by  e v a l ua ti n g  th e   c he c k in g   m e s h  f e a tu r e   ( c h e c k M e s h) .  T he   out c om e   y ie l d s   a   t ot a l   of   3 16 ,89 4   c e ll s   w it h  ne gl i gi bl e   e r r o r .   D e t a il e d   m e s h   pr op e r t ie s   a r e   o ut l in e d   i n  a   m e s h   s t a ti s t ic   s h ow n  i n  T a b le   1 ,  a l on g  w it h  th e   m e s h   q ua li t y  a s s e s s m e n t  de r iv e d   f r o m   t he   c h e c k M e s h  c om m a nd   i n  O p e nF O A M .     T he   pr e s e nt e d  T a bl e   1  e lu c id a te s   th a t  th e   ge ne r a te d   c e ll s   pr e d om in a nt ly   c ons is t   of   he xa he dr a   w it h  1,196,560  c e ll s   in   to ta l.   T he   s tr uc tu r e d  na tu r e   of   th e s e   c e ll s ,  a s   s uppor te d  by   th e   r e f e r e nc e   pr ovi de d  by   K um a r   e t  al .  [ 24] ,  is   known  to   e nha nc e   a c c ur a c y  a nd   s ta bi li ty   in   s im ul a ti on  out c om e s .  W it h  th i s   a bunda n c e   of   c e ll s ,  a n   e f f e c ti ve   s im ul a ti on  s e tu p  c a n  b e   e s ta bl is he d.  M or e ove r ,  m in im iz in g  s ke w ne s s   v a lu e s   e ns ur e s   im pr ove d  m e s h  qua li ty ,  th e r e by  c ont r ib ut in g  to   m or e   r e li a bl e   s im ul a ti on  r e s ul ts .  M e a nw hi le ,  th e   r ot a r y  z one   a s s um e s   a   c yl in dr ic a l  f or m ,  w it h   a   ti ght e r   m e s h  c onf ig ur a ti on  a im e d  a t  e li m in a ti ng  a ny   ga p s   be tw e e n  th e   s ta ti ona r y a nd r ot a r y z one s . C yc li c  a r bi tr a r y  m e s h i nt e r f a c e  ( c y c li c A M I )  i s  a ppl ie d a t  th e  c yl in dr ic a l  in te r f a c e   s e c ti on  to   f a c il it a te   s e a m le s s   in te r a c ti on  be twe e n  th e   s ta ti on a r y  a nd  r ot a r y  z one s .  C om m uni c a ti on  a c r os s   to pol ogi c a ll y  di f f e r e nt   pa tc he s   is   m a d e   pos s ib le   vi a   a r bi tr a r y  m e s h  in te r f a c e   ( A M I )   c yc li c   pa tc he s ,  w hi c h   bui ld   in te r pol a ti on  w e ig ht s   ba s e d  on  th e   f r a c ti ona l  ove r la p  of   f a c e s   on   e a c h  s id e   of   th e   li nke d  p a tc h  [ 19] .  T h e   BC   ha s   s e ve r a l  s e tt in gs  ba s e d on r e f e r e nc e s   [ 21] , [ 25] , [ 26] .    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I S S N :   2252 - 8814   I nt  J  A dv A ppl  S c i ,  V ol .  14 , N o.  3 ,  S e pt e m be r   20 25 :  894 - 906   900       ( a )     ( b)       ( c )     F ig ur e   2 . F r ont   vi e w  of  m e s h ge ne r a ti on   of   ( a )  doma in  m e s h ,  ( b )  c yl in de r  w it h dyna m ic  m e s h ,   a nd    ( c )  c om put a ti ona l  dom a in  w it h  BC       T a bl e  1. M e s h  q ua li ty   E l e m e nt   V a l ue   C e l l   1 , 196 , 560   M a x c e l l  ope nne s s   3.18609e - 16   M a x a s p e c t  r a t i o   7.29071   M e s h non - or t hogona l i t y  a ve r a ge   2.99293   M a x s ke w n e s s   2.5264       3.4.    B ou n d ar y c on d it io n   I n  C F D   s im ul a ti ons   of   H A T T   us in g  O pe nF O A M ,  B C   gove r n s   th e   be ha vi or   of   th e   f lo w   a t  th e   bounda r ie s   of   th e   c om put a ti ona l  dom a in .  D e f in in g   a ppr opr ia te   B C   is   e s s e nt ia l  f or   a c c ur a te   r e s ul ts ,   th us   e ns ur in g  th a t  th e   in te r a c ti on  b e twe e n  th e   ti da l  c ur r e nt   a nd  th e   t ur bi ne   is   m ode le d  c or r e c tl y.  T ypi c a l  B C   u s e d  in   H A T T   s im ul a ti ons   a r e   in le t  B C ,  out le t  B C ,  w a ll   BC ,   a nd  B C   f or   th e   dyna m ic   m e s h.  T he   dyna m ic   m e s h  is   e m pl oye d t o ha ndl e   th e   in te r f a c e  m e s h b e twe e n  th e   s ta ti ona r y   a nd r ot a r y z one s .    T he   c om put a ti ona l  dom a in   of   th e   th r e e - di m e ns io na l  tu r bi ne   is   il lu s tr a te d  in   F ig ur e   2 ( c ) .  A s   e xpl a in e d,  th e   dom a in   is   de ve lo pe d  f r om   two   s ubdoma in s :  th e   s ta ti ona r y  z one   a nd  th e   r ot a r y  z one .  T he   s ta ti ona r y  z one   r e pr e s e nt s   th e   r e gi on  of   th e   dom a in   th a t  r e m a in s   f ix e d,  w hi le   th e   r ot a r y   z one   c or r e s ponds   to   th e   a r e a   w he r e   th e   bl a de   r ot a ti on  oc c ur s .  T he   dyna m ic   m e s h  e m pl oys   c yc li c A M I   te c hni que s   to   s e a m le s s ly   c onne c t  th e   s ta ti ona r y  a nd   r ot a r y  z one s .   T he   s ta ti ona r y  dom a in   f e a tu r e s   a   le ngt h  of   9D   w it h   D   a s   th e   tu r bi ne   di a m e te r .  T hi s   is   c ha r a c te r iz e d  by  a n  e lo nga te d  box  s ha pe   w he r e   th e   e xt e nde d  dow ns tr e a m   r e gi on  is   lo c a te d.   T he   in le t  z on e   is   d e s ig na te d  by   a   ve lo c it y  in le t,  w it h  di m e ns io n s   of   3D   in   bot h  le ngt h  a nd   w id th .  C onve r s e ly ,  th e   out le t  is   de f in e d  a s   a   pr e s s ur e   out le t   w it h  s p e c if ie d  in le t   di m e ns io ns .   S ym m e tr y   p la ne   c ondi ti ons   a r e   im pos e d  on  th e   s id e s .  O n  th e   ot he r   ha nd,  th e   r o ta r y  dom a in   e x hi bi ts   a   di a m e te r   of   1.5D   a nd  a   le ngt h  of   1D ,   pos it io ne d w it hi n a  3D  i nl e t  f or m . T he  bl a de   BC   i s  c ha r a c t e r iz e d by a  w a ll  w it h no - s li p c ondi ti ons .   A   d yna m ic   m e s h  is   us e d  in   th e   C F D   s im ul a ti on  of   H A T T   to   a c c ur a te ly   r e pr e s e nt   th e   tu r bi ne ' s   m ot io n  a nd  th e  s ur r ounding  f lu id   f lo w .  S in c e   H A T T s   in vol ve   r ot a ti ng  bl a de s   in te r a c ti ng  w it h  ti da l   c ur r e nt s , a     w e ll - de s ig ne d  m e s h   c a pt ur e s   th e   dyn a m ic   m ove m e nt   of   th e   bl a de s   a nd   th e   f lo w   f ie ld   e f f ic ie nt ly ,  m in im iz in g  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I nt  J  A dv A ppl  S c i     I S S N :   2252 - 8814       N um e r ic al   s tu dy  of  non - li ne ar  t w is te d bl ad e s  f or  t id al  t ur bi ne s   i m pr ov e m e nt   ( N u R hahi da A r in i)   901   c om put a ti ona l  c os t  a nd  in a c c ur a c ie s .  I n  th is   a ppr oa c h,  onl y  th e   r e gi on  s ur r ounding  th e   tu r bi ne   m ove s ,  r a th e r   th a n t he  e nt ir e  c om put a ti ona l  dom a in .       4.   R E S U L T S  A N D  D I S C U S S I O N   R e s ul ts   of   th e   H A T T   C F D   s im ul a ti on  a r e   de te r m in e d  a f te r   de f in in g  th e   f lo w   e qua ti ons ,  tu r bul e nc e   m ode l,  m e s hi ng s tr a te gy, a nd  BC . T h e  pi m pl e F O A M  s ol ve r  i te r a ti ve ly  s ol ve s  t he  f lu id  f lo w  e qua ti ons  u s in g a   time - s te ppi ng a ppr oa c h, m a ki ng a dj us tm e nt s  t o t he  ve lo c it y, pr e s s ur e , a nd t ur bul e nc e  f ie ld s  a t  e a c h t im e  s te p.  T he   s im ul a ti on  is   r un  a c r os s   a   r a nge   of   T S R s   to   e v a lu a te   th e   t ur bi ne   pe r f or m a nc e   unde r   di f f e r e nt   ope r a ti n g   c ondi ti ons .  B y  v a r yi ng  th e   T S R ,  th e   opt im a l  ope r a ti ng  poi nt   c a n  be   de te r m in e d  f or   e a c h  tu r bi ne   de s ig n  ( N A C A   2415  a nd  O pt A )   a nd  th e ir   pe r f or m a nc e   in   te r m s   of   pow e r   ge ne r a ti on,  to r que ,  a nd  e f f ic ie nc y.  O th e r   te c hni que s   to   pr e di c t  th e   pe r f or m a nc e   in   te r m s   of   pow e r   ge ne r a ti on,  to r que ,  a nd  e f f ic ie nc y  a r e   to   a na ly z e   th e   ve lo c it y  c ont our ,   w hi c h  is   de ta il e d  in   th e   f ol lo w in g  s e c ti on.  V e lo c it y  c ont our   a na ly s is   is   a   pow e r f ul   vi s ua li z a ti on  te c hni que   f or   unde r s t a ndi ng  f lu id   dyna m ic s ,  a s   it   he lp s   to   in te r pr e t  c om pl e x  f lo w   f ie ld s   a nd   hydr odyna m ic  f or c e s . B y us in g c ont our  pl ot s , t he  t hr us t  a nd po w e r  c a n be  a na ly z e d.     4.1.    V e lo c it y  c on t ou r  an al ys is   V e lo c it y  c ont our   pl ot s   pr ovi de   c r it ic a l  in s ig ht s   in to   th e   f lo w   c ha r a c te r is ti c s   a r ound  th e   tu r bi ne   bl a de s   a nd   th e   s ur r ounding  f lu id .  T he s e   pl ot s   a r e   a n  e s s e nt ia l   to ol   f or   unde r s ta ndi ng  how   th e   ti da l  c ur r e nt   in te r a c ts   w it h  th e   r ot a ti ng  tu r bi ne   a nd  how   th e   tu r bi ne   e xt r a c ts   e ne r gy  f r om   th e   f lu id   f lo w .  V e lo c it y  c ont our s   a ll ow   f or   th e   vi s ua li z a ti on  of   th e   s pe e d  a nd  di r e c ti on  of   th e   f lu id   a t  di f f e r e nt   poi nt s   in   th e   H A T T   bl a de s ,  hi ghl ig ht in g  r e gi ons   of   hi gh  a nd  lo w   f lo w   ve lo c it ie s .  B y  a na ly z in g  th e   c ont our s   ne a r   th e   bl a de s ,  it   i s   pos s ib le   to   obs e r ve   how   th e   f lo w   a c c e le r a te s ,   de c e le r a t e s ,  or   c h a nge s   di r e c ti on  due   to   th e   pr e s e nc e   of   th e   bl a de s .  T he   ve lo c it y c ont our  a ls o he lp s  t o i de nt if y  a r e a s  of  t he  f lo w  w he r e  t he  ve lo c it y i s  s ig ni f ic a nt ly  r e duc e d, i ndi c a ti ng   r e gi ons  w he r e  t he  t ur bi ne  bl a de s  a r e   e xt r a c ti ng e ne r gy f r om  t he  f lu id .   I n  r e gi ons   w he r e   th e   f lo w   de ta c he s   f r om   th e   bl a de   s ur f a c e ,  th e   ve lo c it y  dr ops   s ig ni f ic a nt ly ,  le a di ng   to   f lo w   s e pa r a ti on.  V e lo c it y   c ont our s   c a n  he lp   id e nt if y  th e s e   a r e a s   a nd  vi s ua li z e   th e   e xt e nt   of   s e pa r a ti on,  w hi c h  c a n  c a us e   dr a g  a nd  r e duc e   th e   e f f ic ie nc y   of   th e   tu r bi ne .   B y  e x a m in in g  th e   ve lo c it y   c ont our s   f or   f lo w   s e pa r a ti on,  bl a de   ge om e tr y ,   a nd  twi s t  di s tr ib ut io n  c a n  be   opt im iz e d  to   r e duc e   th e s e   e f f e c ts ,  im pr ovi ng  th e     li f t - to - d r a g r a ti o  a nd ove r a ll  e f f ic ie nc y. T he  ve lo c it y c ont our s  c a n hi ghl ig ht  t he s e  vor ti c e s  i n  th e   w a ke   r e gi on ,   w hi c h  is   c a us e d  by  s e pa r a ti on.  B y  a na ly z in g  th e   ve lo c it y  c ont our s ,  phe nom e na   c a n  be   id e nt if ie d,  w hi c h  is   e s s e nt ia l  f or   unde r s ta ndi ng  how   th e   tu r bi ne   i m pa c ts   th e   s ur r o undi ng  f lo w   f ie ld   a nd  ha r ne s s e s   e ne r gy.  T hi s   a ls o  a s s e s s e s   how   qui c kl y  th e   f lo w   r e c ove r s   a f te r   pa s s in g  th r ough  th e   tu r bi ne   a nd  how   th e   vo r ti c e s   a nd  w a ke   a f f e c t  ot he r   tu r bi ne s   in   a   pot e nt ia l  t id a l  f a r m   a r r a nge m e nt .  I f   th e   ve lo c it y  di s tr ib ut io n  a c r os s   th e   bl a de s   is   une ve n,  it   m a y   in di c a te   a r e a s   w he r e   bl a d e   de s ig n  or   twi s t  di s tr ib ut io n  c a n  be   im pr ove d  to   e nh a nc e   pe r f or m a nc e .  O ne   c a n  id e nt if y  a r e a s   w he r e   f lo w   s ta gna ti on  oc c ur s   or   w he r e   th e   f lu id   is   e f f ic ie nt ly   c ha nne le d  th r ough  th e   r ot or ,  c ont r ib ut in g  to   pow e r   ge ne r a ti on.  T he   v e lo c it y  c ont our   of   va r io us   T S R   on  e a c h  f oi l  a s   a  r e s ul t  of  s im ul a ti ons  i n t hi s  s tu dy  is   s how n i n F ig ur e  3.   F ig ur e s   3( a )   a nd   3( b)   s ho w   t he   f lo w   be ha vi or   in   th r e e   di f f e r e nt   T S R s   ( T S R = 4,   5,   a nd   6)   in   th e   s ur r oundi ng s   of   tu r bi ne s   u s in g  N A C A   2415  a nd  O pt A   bl a d e s ,   r e s p e c ti ve ly . T h e   ti da l  ve lo c it y  f or   bot h  m ode l s   is   2   m / s ,   w hi c h  i s   a s s u m e d   to   be   B C   a t  t he   f lu id   in le t .  P e r f o r m a nc e   c om pa r i s on   of   tu r bi n e   ( F ig ur e   4) ,  t h e   vor ti c e s   in   F ig ur e s   4( a )   a nd  4( b)   c a n  b e   a n a ly z e d  b y  obs e r vi ng  t he   f lo w   c ha r a c te r i s ti c s   b e hi nd  th e   tu r bi n e s .  A t   T S R   4,   bot h   f oi l s   e xhi bi t   f lo w   s e pa r a ti on ,   w hi c h   c a n  b e   s e e n   f r om   th e   f lu i d  d e ta c hm e nt   a t  th e   d ow nf lo w   r e gi on,   but   th e r e   is   no   s i gni f ic a nt   di s r upt iv e   f lo w   vi s i bl e   in   th e   f ig ur e .  T hi s   s u gge s t s   t ha t   N A C A   2415   m a in ta i ns   s ta bl e   f lo w   c o ndi ti o ns   a t  lo w e r   T S R   va lu e s .  T hi s   in di c a t e s   th a t  th e   tu r b in e   u s in g  N A C A   2 415  ha s   s im il a r   f lo w   ph e nom e n a   in   lo w   ti da l  s pe e d t o O pt A ,   th u s   it   i s  l i ke ly   th a t   bot h   p e r f or m a n c e s  a r e  m uc h   m or e   th e   s a m e . A s  t he   T S R  i nc r e a s e s  f r om  4 t o 6 , c h a nge s  i n v or te x f or m a ti on b e c om e  m or e   pr onoun c e d . A t  lo w e r   T S R   va lu e s ,   bot h   de s ig ns   e xh ib it  s ta bl e   f lo w ,   but   a s  T S R   in c r e a s e s ,   t he   di f f e r e n c e  i n  f lo w  s e p a r a ti o n  b e c om e s   m or e   not ic e a bl e ,  le a di ng  to   in c r e a s e d  tu r bul e nc e   a nd  e ne r g y  di s s ip a ti on,  pa r ti c ul a r l y  in   th e   N A C A   2 415  de s ig n.  F lo w   s e p a r a ti o n  in   th e   d ow n s tr e a m   f lo w   r e gi on   is   m or e   di s ti nc t  a nd   s tr o nge r   in   N A C A   2415   c om pa r e d  to   O pt A . I n  c on tr a s t,  O p tA  s how s   a  t hi c ke ne d f l ui d  s tr e a m , i n di c a ti ng mor e   e f f ic i e nt   e ne r g y c a pt ur e .   A t  T S R  5, a  not ic e a bl e  di f f e r e nc e  e m e r ge s  be twe e n t he  O pt A  a nd N A C A  2415 tur bi ne s . T he  N A C A   2415  tu r bi ne   be gi ns   to   e xpe r ie nc e   di s r upt iv e   f lo w ,   li ke ly   c a u s e d  by  f lo w   s e pa r a ti on  a t  th e   bl a de ' s   tr a il in g   e dge .  I n  c ont r a s t,   th e   O pt A   tu r bi ne   e xhi bi t s   s m oot he r   f lo w   be ha vi or ,  w it h  m in im a l  s e pa r a ti on  a lo ng   th e   bl a de .  T hi s   f in di ng  a li gns   w it h  th e   duc te d   tu r bi ne   c onc e pt ,  w hi c h  a im s   to   s tr e a m li ne   th e   f lo w   be hi nd  th e   tu r bi ne   bl a de s .  R e s e a r c h  c ondu c te d  by  R a hm a ti a n  e t  al .  [ 27]   on  duc te d  tu r bi ne s   de m ons tr a te d  th a t  a ddi ng  a   duc t  s tr uc tu r e   s ig ni f ic a nt ly   im pr ove s   C P   by  m in im iz in g  tu r bul e nc e   a nd   opt im iz in g  w a k e   f lo w   c h a r a c te r is ti c s .  A s   T S R   in c r e a s e s ,  th e   di s r upt iv e   f lo w   be c om e s   m or e   pr om in e nt .  A t  T S R   6,  th e   vor te x  f or m a ti on  is   e vi de nt   a lo ng  th e   bl a de   s ur f a c e   in   bot h  f oi ls .   W hi le   O pt A   m a in ta in s   be tt e r   vor te x  c ont r ol   a nd  e xp e r ie nc e s   le s s   di s r upt io n  th a n  N A C A   2415,  s om e   de gr e e   o f   tu r bu le nc e   s ti ll   oc c ur s ,  r e duc in g  ove r a ll   tu r bi ne   e f f ic ie nc y  a t   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I S S N :   2252 - 8814   I nt  J  A dv A ppl  S c i ,  V ol .  14 , N o.  3 ,  S e pt e m be r   20 25 :  894 - 906   902   hi gh T S R  va lu e s . E f f ic ie nt  vor te x c ont r ol  i s  c r uc ia l  f or  m a in ta in in g s m oot h e ne r gy e xt r a c ti on a nd mi ni m iz in g   pow e r   lo s s e s . T he   r e du c e d  vor te x s he ddi ng  in   th e   O pt A   tu r bi ne   s ugge s t s   th a t   m odi f ic a ti ons   to   f oi l  de s ig n  a nd   f lo w   c ondi ti oni ng  s tr a te gi e s   c a n   s ig ni f ic a nt ly   e nha n c e   ov e r a ll   t ur bi ne   pe r f or m a nc e .  O ve r a ll ,  th e   O pt A   tu r bi ne   e xhi bi ts   a   m or e   s ta bl e   di s tr ib ut io n  a nd  im pr ove d  vor te x  c ont r o l  c om pa r e d  to   N A C A   2415,  le a di ng  to   hi ghe r   e f f ic ie nc y  a nd  r e duc e d  e ne r gy  lo s s e s .  T he s e   f in di ngs   e m ph a s i z e   th e   r ol e   of   f oi l  m odi f ic a ti ons   in   opt im iz in g  ti da l  tu r bi ne  pe r f or m a nc e  unde r  va r yi ng ope r a ti ona l  c ondi ti ons .                 T S R  4   T S R  5   T S R  6   ( a )           T S R  4   T S R  5   T S R  6   ( b)     F ig ur e   3 . V e lo c it y c ont our  be twe e n ( a )  N A C A  2415 a nd ( b)  O pt A  t ur bi ne         ( a )         ( b)   ( c )     F ig ur e  4. P e r f or m a nc e  c om pa r is on of   th e   tu r bi ne  of  ( a )  t or que  a t  T S R  5, ( b)  C P   tu r bi ne  i n di f f e r e nt  T S R , a nd   ( c )  pow e r  i s  pr oduc e d a t  di f f e r e nt  T S R s       I t  w a s   ob s e r v e d  t ha t  gr e a te r   t w i s t  di s tr i bu ti o n  in   t h e   O p tA  b la de   de s ig n  i s   a s s oc ia t e d  w it h  a   r e du c ti on   in   v or t ex   f or m a t io n . T h e  a p pr o a c h u s e d  i n  t hi s  s tu dy   c on s i s t e n tl y s ho w e d s i gni f ic a n tl y   b e tt e r  a b il i ty  t o m a i nt a i n  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I nt  J  A dv A ppl  S c i     I S S N :   2252 - 8814       N um e r ic al   s tu dy  of  non - li ne ar  t w is te d bl ad e s  f or  t id al  t ur bi ne s   i m pr ov e m e nt   ( N u R hahi da A r in i)   903   f lo w   v e lo c i ty   in   th e   do w n s tr e a m   a r e a   a s   th e   t w i s t   a ngl e   in c r e a s e d,   e s pe c i a l ly   a t   T S R   v a l ue s   of   5  a n d  6 .   T he s e   f in di ngs   i ndi c a te   t ha t  th e   c om bi na t io n  of   e f f e c ti v e   f lo w   c ondi ti oni ng  a nd  opt im i z e d  bl a d e   ge om e tr y  i n  th e   O pt A  d e s i gn pr o vi de s   a  s ubs ta nt i a l  b e ne f it  i n  e nha nc in g t id a l  e n e r gy c onve r s io n  e f f ic i e n c y.   A t  hi g he r   T S R ,  th e   pe r f or m a n c e   d if f e r e n c e s   b e t w e e n  t he   N A C A   2 41 5  a nd   O pt A   f o il s   be c o m e   m or e   a pp a r e n t.  A s   th e  T S R   i nc r e a s e s ,  th e   f lo w   dy n a m i c s   a r ou nd t h e   t ur bi ne  bl a d e s   c ha ng e , p a r ti c u la r ly  a t  t h e   tr a il in g   e dg e   of   th e   bl a d e .   I n  th e   c a s e   of   th e   O pt A   f oi l ,  th e   v e l oc it y   a t   t he   tr a il in g   e dg e   dr o ps   m or e   s ig ni f i c a nt ly   c om pa r e d  to   t h e   N A C A   2 415  f oi l .  T hi s   r e d uc ti o n  i n  v e lo c i ty   in di c a t e s   a   m or e   e f f ic ie nt   e n e r gy  e x tr a c t io n   pr o c e s s   b e c a u s e   th e   t ur bi ne  bl a d e s   r ot a t e   w i th   a  hi gh e r   s pe e d  a t  s lo w i ng  dow n   th e   f l ow , c o nv e r t in g  m or e   ki ne ti c   e n e r g y f r om   th e  t i da l  c ur r e nt  i nt o m e c ha ni c a l  e ne r gy f or  r ot a t io n .  H ow e v e r , a t  th e  l e a di ng  e dg e  o f  bo th  f o il s ,  th e   ve l oc it y  pr of il e s   r e m a in   l a r g e l y  s im il a r ,  s u gg e s ti ng  t ha t  t he   i ni ti a l  f lo w   in te r a c ti on  w it h  th e   bl a d e s   i s   n ot   s i gni f ic a n tl y   a f f e c t e d by   th e   f oi l   d e s ig n a t  hi gh e r  T S R s .   T h e   k e y  di f f e r e nc e  l i e s   in   h ow   th e   f oi l s  h a nd le   th e   f lo w   a s   i t  m ov e s   a l ong   t he   bl a d e   to w a r d s   th e   t r a i li n g  e d ge .  I n  O p tA ,  t he   th ic ke r   f l ow   n e a r   t he   tr a il in g   e dg e   in di c a te s   im pr o v e d   e ne r gy   c a pt u r e ,  s ugg e s t in g   t ha t   th e   f oi l' s   d e s ig n  a nd   tw i s t   di s t r ib ut i on   o pt im iz e   t he   i nt e r a c t io n   be t w e e n t he  f lu id  a nd  th e   bl a de   s ur f a c e .  T h i s  r e s ul t s  i n  a  b e tt e r  c o nve r s io n  of  t i da l  e n e r g y i nt o  r o ta t io na l  e n e r gy .   T he   e nh a nc e d  p e r f or m a nc e   of   th e   O pt A   f oi l  c a n  be   a tt r ib ut e d  to   it s   a bi li ty   to   m a in ta in   a   m or e   f a vor a bl e   li f t - to - dr a g  r a ti o  a nd  m in im iz e   f lo w   s e pa r a ti on,  pa r ti c ul a r ly   a t  hi ghe r   T S R s . T hi s  a ll ow s   th e   tu r bi ne   to   ope r a te   m or e   e f f ic ie nt ly ,  ge ne r a ti ng  m or e   to r que   a nd  pow e r .  T he   e f f ic ie nc y  in   c onve r ti ng  ti da l  e ne r gy  to   m e c ha ni c a l  pow e r   le a ds   to   a   m or e   s ta bl e   a nd  c ons is t e nt   tu r bi ne   ope r a ti on,  w hi c h  is   c r uc ia l  f or   th e   lo ng - te r m   vi a bi li ty  of  t id a l  e ne r gy s ys te m s .     4.2. P e r f or m an c e  an al ys is   I n  th is   s tu dy,  tu r b in e   pe r f or m a nc e   is   a na ly z e d  ba s e d  on  to r que   a nd  C P ,  a s   th e s e   pa r a m e te r s   di r e c tl y  im pa c t  th e   e ne r gy  e xt r a c ti on  e f f ic ie nc y  of   th e   tu r bi ne .  T or q ue   is   a   f unda m e nt a l  pe r f or m a nc e   m e tr ic   th a t   de te r m in e s   th e   m e c ha ni c a l  pow e r   out put   of   th e   tu r bi ne .  C om pa r is on  of   pe r f or m a nc e   a c r os s   va r io us   pa r a m e te r s   is   il lu s tr a te d  in   F ig ur e   4.  F ig ur e   4( a )   pr e s e nt s   a   d e ta il e d  c om pa r is on  of   th e   to r que   hi s to r y  f or   bot h   th e  N A C A  2415 a nd O pt A  t ur bi ne s .   I t  c a n  be   obs e r ve d  th a t  th e   to r que   p e a k  oc c ur s   a t  0.1  s e c ond s ,  m a r ki ng  th e   ons e t  of   th e   s im ul a ti on.  T hi s   pe a k  r e pr e s e nt s   a n  in it ia l  pe r io d  of   in s ta bi li ty   c a us e d  by  t he   tu r bi ne ’ s   in e r ti a   a nd  it s   in te r a c ti on  w it h   th e   f lu id   f lo w   be f or e   tr a ns it io ni ng  in to   a   s te a dy  s ta te .  T hi s   tr a ns ie nt   be ha vi or   hi ghl ig ht s   th e   dyna m ic   na tu r e   of   tu r bi ne  ope r a ti on, whe r e  hi ghe r  i ni ti a l  to r que  i s  ge ne r a te d due  t o t he  i nt e r pl a y of  m e c ha ni c a l  f or c e s  w it hi n t he   s ys te m .  T he   in it ia l  pe a k   to r que   of   th e   N A C A   2415  tu r bi ne   is   1.28  kN m ,  w hi le   th e   O pt A   tu r bi ne   e xhi bi ts   a   hi ghe r  pe a k of  1.81 kNm, r e pr e s e nt in g a  41.4%  i nc r e a s e  i n t or q ue  out put  f or  t he  O pt A  t ur bi ne .   T he   in c r e a s e   in   to r que   f or   th e   O pt A   tu r bi ne   c a n  be   a tt r ib ut e d  to   it s   m odi f ie d  f o il   s ha pe ,  w hi c h  e nha nc e s   li f t  w hi le   m in im iz in g  dr a g - in duc e d  lo s s e s .  T hi s   im pr ove m e nt   r e s ul ts   in   gr e a te r   m om e nt um   tr a ns f e r   f r om   th e   f lu id   to   th e   tu r bi ne   bl a de s ,  in c r e a s in g  th e   m e c ha ni c a l  pow e r   out put .   A s   th e   s im ul a ti on  pr og r e s s e s ,   th e   to r que   gr a dua ll y  s ta bi li z e s .  B y  0.3  s e c onds ,  th e   tu r bi ne   be gi ns   to   tr a ns it io n  to w a r ds   a   s te a dy  s ta te ,  w it h   th e   to r que   de c r e a s in g  s li ght ly   a s   s ta bi li ty   is   a tt a in e d.  A t  1  s e c ond,  th e   to r que   out put   f ul ly   s ta bi li z e s .  T he   s ta bi li z a ti on  of   to r que   a f te r   1  s e c ond  in di c a te s   th a t  th e   tu r bi ne   r e a c he s   a   c ons is te nt   r ot a ti ona l  s ta te ,  di r e c tl y  in f lu e nc in g t he  C P   va lu e s  a c r os s  di f f e r e nt  T S R s .  T he  s t a bl e  t or que  e ns ur e s  a  m or e  e f f ic ie nt  e ne r gy c onve r s io n   pr oc e s s ,  r e f le c te d  in   th e   hi ghe r   C P   v a lu e s   a c hi e ve d  by  th e   O pt A   tu r bi ne .  A ddi ti ona ll y,  th e   to r que   va lu e s   in di c a te   th a t  th e   N A C A   2415  f oi l  a ls o  po s s e s s e s   s e lf - s ta r ti ng  c a pa bi li ti e s ,  w hi c h  a li gn s   w it h  th e   f in di ngs   of   B e r i  a nd Y a o i n t he ir  s tu dy on ve r ti c a l  a xi s  t ur bi ne s  ( V A T s )   [ 2 8] .   M e a nw hi l e ,  F ig ur e   4( b)   il lu s tr a te s   th e   C P   v a lu e s   of   bot h  th e   O pt A   a nd  N A C A   2 415  tu r bi n e s   a c r o s s   di f f e r e nt   T S R , r a ngi ng f r om  3 t o 6.  T he   gr a ph  in  F ig ur e  4( b)  de pi c ts   th e   C P   c h a r a c te r i s ti c s  ov e r  on e  f ul l  tu r bi ne   r ot a ti on.   A t   a   d e s i gn  f l ow   r a te   of   2  m /s ,   th e  O pt A   tu r bi ne   c on s i s te nt ly   e x hi bi t s   h ig he r   C P   va l ue s  a c r o s s  a ll  T S R   r a nge s .   A s   th e   T S R   i nc r e a s e s ,  t he   C P   va l ue   a l s o   in c r e a s e s   unt il   r e a c hi n g  T S R   5.   T hi s   i nc r e a s e   is   a tt r i but e d   to   th e   tu r bi n e ' s   r is i ng  a n gul a r  ve lo c it y, w hi c h  e n ha n c e s   e ne r gy e xt r a c ti on t hr ough   r ot a ti o n. T S R  5  is  i de nt if ie d a s   th e   opt im a l  de s ig n  p oi nt , a s   in d ic a te d  by  t he   hi g he s t  C P   va l ue s   r e c or d e d. T he   O pt A   tu r bi ne   r e a c h e s  a   C P   va l ue   of   0.303,  o ut pe r f or m i ng  th e   N A C A   24 15  tu r bi n e ,  w hi c h  a c h ie ve s   a   C P   v a lu e   of   0.210 .  T hi s   r e f le c ts   a   40. 2%   in c r e a s e  i n C P   f or  t he  O pt A  t ur bi n e . T h e  s i gni f ic a nc e  of  T S R  5 a s  t he  p e a k p e r f or m a n c e  poi nt  c a n be  a tt r i but e d   to   th e   b a la nc e   b e twe e n   r ot a ti ona l   s pe e d  a nd   in f lo w   v e lo c it y,  w h ic h   m a xi m iz e s   e ne r gy   e x tr a c ti on  w hi l e   a voi di n g  e x c e s s i ve   dr a g  f or c e s   th a t  r e du c e   e f f i c ie n c y  a t  hi gh e r   T S R s .  H ow e ve r ,  a s   T S R   r e a c h e s   6,  bot h   tu r bi ne s   e xp e r ie n c e   a   s i gni f ic a nt   de c li ne   in   p e r f or m a n c e ,   in di c a ti ng   th a t  t he y   h a ve   s ur pa s s e d   th e ir   opt i m a l   ope r a ti ng c ondi ti o ns .  T he   C P   e v a lu a ti on i s  d ir e c t ly  r e l a te d t o p o w e r  pr od uc ti o n, a s   s ho w n i n F i gur e   4( c ) .   T ur bi n e   pow e r   pr odu c ti on  v a r ie s   a c r os s   di f f e r e nt   T S R   va l ue s ,   a s   s how n  in   F i gur e   4( c ) .  T h e   O pt A   tu r bi ne   d e m on s tr a te s   s upe r io r   pow e r   ge ne r a ti on  a c r o s s   a ll   T S R   r a nge s ,  r e in f or c in g  it s   im pr ove d   pe r f or m a nc e   ove r   N A C A   2415 .  H o w e v e r ,  ot he r  s tu di e s   on  N A C A   241 5  f oi l s   a ppl i e d  to   D a r r i e us - t ype  V A T s   ha ve  a c hi e ve d  pe a k  C P   va lu e s  of  0.40 9 a t  T S R   1.75 w it h a   w in d  s pe e d of  7 m / s  a nd a   C P   of  0.36  a t  4 m / s   [ 29] .  W hi l e  pr e vi ous   s tu di e s   ha v e   s h ow n  N A C A   241 5  a c hi e vi ng  hi g h  C P   v a lu e s   i n  D a r r ie u s - ty p e   V A T s ,  t he s e   r e s ul t s   m a y  not   di r e c tl y  tr a n s la t e   to   H A T T   a ppl i c a ti o ns   d ue   to   di f f e r e n c e s   in   f lo w   m e c ha ni c s .  T he   p e r f or m a n c e   of     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.