Abdel-Maksoud, Moustafa GomaaMoustafa GomaaAbdel-Maksoud1407799220000-0002-2323-1018Fernandes, Antonio CarlosAntonio CarlosFernandes0000-0001-6578-1985Padilha de Lima, João VictorJoão VictorPadilha de Lima2026-10-162026-10-162026Technische Universtität Hamburg (2026)https://hdl.handle.net/11420/65089This doctoral thesis investigates the stability, efficiency, and fatigue life of an innovative turbine designed to extract energy from renewable flow resources through theoretical, numerical, and experimental studies. The turbine is based on the phenomenon of torsional galloping with magnetic restoration, introduced here as a novel concept. Energy extraction is enabled by the unstable dynamic behaviour of the turbine; consequently, stabilisation of the oscillatory motion must be avoided. To exploit this instability efficiently, a magnetic restoring torque is incorporated into the system. This magnetic restoration allows the oscillation amplitude of the turbine to be controlled, thereby limiting excessive vortex shedding and reducing energy losses. A linearized and a non-linear mathematical model were developed and solved. Their predictions were compared with computational simulations and experimental measurements obtained in a current channel. The stability analysis classifies the system response into spiral sink, spiral source, source, and saddle-type solutions and demonstrates that the regions exhibiting the greatest instability coincide with those of highest efficiency. The damping associated with the power take-off system was identified as the dominant parameter, with an optimum value of 0.45. Under these conditions, a maximum efficiency of 56.8% was obtained for a blade limit angle of 30°, a/c = 0.75, and Re = 15 × 10⁴. This corresponds to 95.78% of the Betz limit of 59.3%, with an estimated fatigue life of approximately 21 years. The proposed turbine therefore represents a promising concept for energy generation in remote regions without access to conventional electricity infrastructure and may contribute to the diversification of renewable energy technologies. Finally, the applicability of the concept is investigated for a river in the Amazon Basin. The resulting plant configuration is shown to satisfy the local electricity demand using a relatively small number of turbines and at a lower cost than the alternative configurations considered. The numerical simulations were conducted at the Institute for Fluid Dynamics and Ship Theory (FDS) at Hamburg University of Technology (TUHH), while the experimental investigations were carried out at the Laboratory of Waves and Currents (LOC) at COPPE/UFRJ.Diese Dissertation untersucht die Stabilität, die Effizienz und die Ermüdungslebensdauer einer innovativen Turbine zur Energiegewinnung aus erneuerbaren Strömungsressourcen anhand theoretischer, numerischer und experimenteller Studien. Die Turbine basiert auf dem Phänomen des Torsionsgallopings mit magnetischer Rückstellung, das hier als neuartiges Konzept eingeführt wird. Die Energieentnahme wird durch das instabile dynamische Verhalten der Turbine ermöglicht; eine Stabilisierung der Schwingungsbewegung muss daher vermieden werden. Um diese Instabilität effizient zu nutzen, wird ein magnetisches Rückstellmoment in das System integriert. Diese magnetische Rückstellung erlaubt es, die Schwingungsamplitude der Turbine zu kontrollieren, wodurch eine übermäßige Wirbelablösung begrenzt und Energieverluste verringert werden. Ein linearisiertes und ein nichtlineares mathematisches Modell wurden entwickelt und gelöst. Ihre Vorhersagen wurden mit numerischen Simulationen und experimentellen Messungen in einem Strömungskanal verglichen. Die Stabilitätsanalyse klassifiziert die Systemantwort in Lösungen vom Typ Strudelsenke, Strudelquelle, Quelle und Sattelpunkt und zeigt, dass die Bereiche größter Instabilität mit denen höchster Effizienz zusammenfallen. Die mit dem Power-Take-off-System verbundene Dämpfung wurde als dominierender Parameter identifiziert, mit einem optimalen Wert von 0,45. Unter diesen Bedingungen wurde ein maximaler Wirkungsgrad von 56,8 % für einen Grenzwinkel der Schaufel von 30°, a/c = 0,75 und Re = 15 × 10^4 erreicht. Dies entspricht 95,78 % der Betz-Grenze von 59,3 %, bei einer geschätzten Ermüdungslebensdauer von etwa 21 Jahren. Die vorgeschlagene Turbine stellt somit ein vielversprechendes Konzept für die Energieerzeugung in abgelegenen Regionen ohne Zugang zu konventioneller Elektrizitätsinfrastruktur dar und kann zur Diversifizierung erneuerbarer Energietechnologien beitragen. Abschließend wird die Anwendbarkeit des Konzepts für einen Fluss im Amazonasbecken untersucht. Es wird gezeigt, dass die resultierende Anlagenkonfiguration den lokalen Strombedarf mit einer relativ geringen Anzahl von Turbinen und zu geringeren Kosten als die betrachteten Alternativkonfigurationen deckt. Die numerischen Simulationen wurden am Institut für Fluiddynamik und Schiffstheorie (FDS) der Technischen Universität Hamburg (TUHH) durchgeführt, die experimentellen Untersuchungen im Laboratory of Waves and Currents (LOC) der COPPE/UFRJ.enhttps://creativecommons.org/licenses/by/4.0/Torsional gallopingMagnetic restorationFlow-induced oscillationsHydrokinetic energy extractionStability analysisFatigue lifeTechnology::621: Applied PhysicsSocial Sciences::333: Economics of Land and Energy::333.7: Natural Resources, Energy and EnvironmentTechnology::627: Hydraulic EngineeringDoctoral Thesis10.15480/882.18656Sales Junior, Joel SenaJoel SenaSales JuniorEhlers, SörenSörenEhlers