Actuator line method based on the effective velocity model for CFD simulations of vertical axis wind turbines

In this thesis a CFD solver, based on the Actuator Line model, has been developed and implemented in OpenFOAM in order to simulate the performances and the wake generated by vertical-axis wind turbines, in particular H-Darrieus rotors. This type of simulations allows to reduce the computational costs, in fact the wind turbine is not entirely modeled as in the fully-resolved CFD simulations but the effects of the interactions between air and blades are introduced directly in the Navier-Stokes equations as a source term. The validation of the solver, analyzing both turbine performances and wake, has been realized by comparing results with two aerodynamic models usually adopted in VAWT simulations: Double-Multiple Streamtube and Panel Model. From this first version of the solver, a second one has been developed that integrates an optimization of pitch angle during rotation in order to evaluate the effective improvements of turbine performances.

In questa tesi è stato sviluppato un solutore CFD, basato sul modello Actuator Line ed implementato in OpenFOAM, che permette di simulare sia le prestazioni che la scia generate da turbine eoliche ad asse verticale di tipo H-Darrieus. Questo tipo di simulazioni permette di ridurre i costi computazioni rispetto alle simulazioni CFD standard, infatti il dominio della simulazione non contiene il profilo della turbina ma gli effetti dell’interazione tra vento e turbina sono inseriti direttamente nelle equazioni di Navier-Stokes come termine sorgente. La validazione è stata effettuata confrontando sia le prestazioni della turbina che la scia con due modelli aerodinamici solitamente adottati nelle simulazioni di turbine Darrieus ossia Double-Multiple Streamtube e Panel Method. Dalla prima versione del codice ne è stata poi sviluppata una seconda che integra un’ottimizzazione dell’angolo di pitch lungo la rotazione allo scopo di indagare gli effettivi miglioramenti apportati alle prestazioni della turbina.