Abstract The characteristics of the fluid–structure interaction on the flexible blades of a horizontal-axis water turbine are studied; this bioinspired technology features mechanical simplicity, performance and lifetime improvement, and low fish impact risk, all characteristics of a truly sustainable renewable energy exploitation. A surface-tracking method synchronized with force measurements was applied on a surrogate model of single-bladed, vertical-axis water turbine in a water channel. This allows for the characterization of the structural deformations and their link to the hydrodynamic forces, over a large range of turbine designs and operating points. It is shown that the phase angles of the maxima in blade deformation coincide with those of the load maxima on a rigid blade in identical flow conditions. The influence of the turbine’s tip/speed ratio on the blade deformation and blade load is investigated. With the chosen blade design, hydrofoil deformation is found to be maximum in the operating points where the performance improvement is maximized ( $$k_o=0.3$$ k o = 0.3 ). With lower values of reduced frequency (corresponding to lower rotation speed), fluid-induced forces dominate the fluid–structure interaction. Conversely, at higher frequencies, structural inertia dominates the interaction, and blade deformation is again reduced. Results suggest that the optimal blade rigidity may depend on the operating point; nevertheless the potential of the flexible-blade design is demonstrated through clear linking of fluid-induced forces and blade deformation in the complex flow conditions of the Darrieus water turbine. Graphic abstract

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Darrieus 垂直轴水轮机：仿生高柔性叶片轮廓的变形和力测量

摘要 研究了水平轴水轮机柔性叶片的流固耦合特性；这种仿生技术具有机械简单性、性能和寿命改进以及低鱼类撞击风险，这些都是真正可持续的可再生能源开发的所有特征。将与力测量同步的表面跟踪方法应用于水道中单叶片、垂直轴水轮机的替代模型。这允许在大范围的涡轮机设计和操作点上表征结构变形及其与水动力的联系。结果表明，在相同的流动条件下，叶片变形最大值的相位角与刚性叶片上的载荷最大值的相位角一致。研究了涡轮的叶尖/速度比对叶片变形和叶片载荷的影响。使用所选的叶片设计，发现在性能改进最大化的操作点（$$k_o=0.3$$ko = 0.3），水翼变形最大。随着频率的降低值（对应于较低的转速），流体引起的力主导着流固耦合。相反，在较高频率下，结构惯性在相互作用中占主导地位，叶片变形再次减少。结果表明，最佳叶片刚度可能取决于工作点；尽管如此，在 Darrieus 水轮机的复杂流动条件下，流体诱导力和叶片变形之间的明确联系证明了柔性叶片设计的潜力。图形摘要 发现水翼变形在性能改进最大化的操作点中最大（$$k_o=0.3$$ko = 0.3）。随着频率的降低值（对应于较低的转速），流体引起的力主导着流固耦合。相反，在较高频率下，结构惯性在相互作用中占主导地位，叶片变形再次减少。结果表明，最佳叶片刚度可能取决于工作点；尽管如此，在 Darrieus 水轮机的复杂流动条件下，流体引起的力和叶片变形之间的明确联系证明了柔性叶片设计的潜力。图形摘要 发现水翼变形在性能改进最大化的操作点中最大（$$k_o=0.3$$ko = 0.3）。随着频率的降低值（对应于较低的转速），流体引起的力主导着流固耦合。相反，在较高频率下，结构惯性在相互作用中占主导地位，叶片变形再次减少。结果表明，最佳叶片刚度可能取决于工作点；尽管如此，在 Darrieus 水轮机的复杂流动条件下，流体诱导力和叶片变形之间的明确联系证明了柔性叶片设计的潜力。图形摘要 随着频率的降低值（对应于较低的转速），流体引起的力主导着流固耦合。相反，在较高频率下，结构惯性在相互作用中占主导地位，叶片变形再次减少。结果表明，最佳叶片刚度可能取决于工作点；尽管如此，在 Darrieus 水轮机的复杂流动条件下，流体诱导力和叶片变形之间的明确联系证明了柔性叶片设计的潜力。图形摘要 随着频率的降低值（对应于较低的转速），流体引起的力主导着流固耦合。相反，在较高频率下，结构惯性在相互作用中占主导地位，叶片变形再次减少。结果表明，最佳叶片刚度可能取决于工作点；尽管如此，在 Darrieus 水轮机的复杂流动条件下，流体诱导力和叶片变形之间的明确联系证明了柔性叶片设计的潜力。图形摘要 结果表明，最佳叶片刚度可能取决于工作点；尽管如此，在 Darrieus 水轮机的复杂流动条件下，流体诱导力和叶片变形之间的明确联系证明了柔性叶片设计的潜力。图形摘要 结果表明，最佳叶片刚度可能取决于工作点；尽管如此，在 Darrieus 水轮机的复杂流动条件下，流体诱导力和叶片变形之间的明确联系证明了柔性叶片设计的潜力。图形摘要