Analisi parametrica multidimensionale di una turbina Savonius a due principi nell'ambiente di sviluppo OpenFOAM

In this thesis work, a CFD study was conducted in order to characterise the dynamic behavior of a Savonius vertical axis wind turbine. All simulations were executed using a completely OpenSource code, OpenFOAM. Both two-dimensional and full three-dimensional case have been developed in order to provide a suitable tool for designing new geometric adaptations for this rotor. The initial task was to get a lightweight and industrially manageable numerical model, even with limited resources; to this end, several strategies have been investigated for the optimization of the discretization grid, obtained through the snappyHexMesh tool. Unsteady simulations are carried out at different TSR (tip speed ratio), varying angular speed of rotor at constant wind speed; the adopted RANS turbulence model is k-ω SST. The two-dimensional model was compared with experimental data available in the literature, obtained through a campaign of experimental tests in wind tunnel. It was also verified the possibility of exploiting this approximated case to optimize the performance of the rotor, through variations of its geometry. Using a rotor with two semi-circular buckets, a new strategy was developed in order to increase power. The turbine performance have been improved with approaching the blades. The three-dimensional model has been useful for a better understanding of the fluid dynamics of the turbine, highlighting the limitations of the simple two-dimensional case. It was also evaluated the influence of the rotor height on flow dynamics of the turbine and its power coefficient. As part of future development and expansion of micro wind generation, the purpose is to investigate the possibility of creating a wind farm, studying the interaction between the rotors. Machines are posed in a linear array, varying the number, the mutual distance and the incident direction of the wind.

Il presente lavoro di tesi è stato incentrato sulla simulazione CFD del comportamento dinamico di una turbina di tipo Savonius attraverso un codice di calcolo completamente opensouce (OpenFOAM). Al fine di fornire un valido strumento per la progettazione di nuovi adattamenti, è stato sviluppato sia un caso bi-dimensionale sia uno completo tri-dimensionale. L’obiettivo iniziale è stato ottenere uno strumento leggero e industrialmente applicabile anche con risorse limitate; in questa ottica sono state ricercate numerose strategie per l’ottimizzazione della griglia di calcolo, ottenuta attraverso lo snappyHexMesh. Sono svolte unicamente simulazioni instazionarie con turbina rotante a diversi TSR; il modello di turbolenza adottato è RANS k-ω SST. Il modello bi-dimensionale è stato coparato con i dati sperimentali presenti in letteratura, ottenuti tramite una campagna di prove sperimentali in galleria del vento. É stata anche verificata la possibilità di sfruttare questo caso approssimato per ottimizzare le prestazioni del rotore attraverso variazioni della sua geometria. Impiegando un rotore con due principi semi-circolari, è stata elaborata una nuova strategia per l'incremento della potenza, avvicinando trasversalmente le pale. Il modello tridimensionale è stato utile per una migliore comprensione della fluidodinamica della turbina, evidenziando le limitazioni del più semplice caso bi-dimensionale. É stata valutata anche l'influenza dell'altezza del rotore sia sulla dinamica dei flussi della turbina sia sul coefficiente di potenza della macchina. Nell’ottica di sviluppi futuri ed espansione della micro generazione eolica, si è desiderato indagare la possibilità di creare un parco eolico di Savonius, studiando l’interazione fra rotori. É stato scelto di disporre le macchine in una schiera lineare variandone il numero, la mutua distanza e la direzione incidente del vento.