Multi-dimensional CFD simulation of a H-type Darrieus vertical axis wind turbine with OpenFOAM

A H-type Darrieus VAWT has been investigated with OpenFOAM . The CFD simulation has been the test-case for the application to an external-aerodynamics case of the lengthscale-based hybrid model DLRM (Dynamic Length-scale Resolution Model), which operates in URANS or ILES mode depending on the comparison of the modeled scales to what can potentially be resolved by the computational grid and time-step. For the simulation, the dynamic OpenFOAM solver pimpleDyMFoam for incompressible flows has been chosen, and the mesh has been realized with Pointwise. The rotor is composed by three untwisted blades, with dihedral NACA 0021 profiles, connected to the vertical mast by means of two horizontal supports. The wind velocity has been set to 14.2 m/s and the turbine rotates at 41.44 rad/s, which corresponds to a tip-speed ratio of λ = 1.5. This choice stems from the experimental inference that the turbine is very likely to stall for λ ≤ 2. Thus, it definitely represents a crucial condition for understanding the turbine behavior. In order to reproduce a non-confined environment (i.e. to avoid any blockage effect from the boundaries), a very extended domain has been considered, which results in a ≈ 45 M-cell mesh. Moreover, the domain has been split into an internal cylinder, integral with the turbine motion and very refined, and an outer domain, still and coarser. The interpolations of the results at the cylinder lateral surface have been then handled with an Arbitrary Mesh Interface. The final purpose of this work has been the comparison of the numerical results to already available experimental data from tests performed in the wind tunnel at Politecnico di Milano. Much attention has been paid to the analysis of the wake, in terms of fluid deceleration and deflection, in both the transversal and the longitudinal direction with respect to the flow stream. The main aerodynamic coefficients (lift, drag, power and torque) have been computed as well. As a result, a good agreement between the numerical solutions and the data from tests has been observed.

Oggetto del lavoro di tesi è l’analisi CFD di una turbina eolica ad asse verticale Darrieus di tipo H mediante il codice di calcolo OpenFOAM. La simulazione rappresenta il test-case per l’applicazione a casi di aerodinamica esterna del modello ibrido RANS/ILES DLRM (per esteso Dynamic Length-scale Resolution Model), che opera in modalità URANS o ILES sulla base di un confronto dinamico tra le scale modellate e quelle potenzialmente risolvibili. Per la simulazione è stato adottato il solutore dinamico incomprimibile pimpleDyMFoam, disponibile nella distribuzione ufficiale di OpenFOAM , mentre la griglia di calcolo è stata realizzata mediante il generatore di griglie Pointwise . Il rotore è composto da tre pale diedre dal profilo simmetrico NACA0021, a sezione uniforme, fissate all’asse centrale per mezzo di due piatti orizzontali. Il vento ha una velocità di 14.2 m/s e la turbina ruota a 41.44 rad/s, così da ottenere un rapporto di velocità periferica λ = 1.5. Questa scelta deriva dalle evidenze sperimentali sull’alta probabilità che la turbina vada in stallo per λ ≤ 2, condizione decisamente interessante per studiare il funzionamento della turbina. Per riprodurre un flusso d’aria non confinato (ovvero evitare effetti di bloccaggio per via del contorno), si è preso in considerazione un dominio molto esteso, corrispondente a ≈ 45 M di celle. Il dominio è stato poi suddiviso in due regioni: un cilindro che racchiude la turbina, rotante solidalmente con essa e con mesh più raffinata, e un dominio esterno, fisso e a minor risoluzione. L’interfaccia è gestita mediante una Arbitrary Mesh Interface, che opera un’interpolazione dei flussi delle variabili conservate attraverso le superfici di regioni di mesh adiacenti. Obiettivo del lavoro di tesi è stato il confronto dei risultati numerici con gli esiti già disponibili di test sperimentali condotti presso la galleria del vento del Politecnico di Milano. In particolare, è stato analizzato lo sviluppo della scia, trasversalmente e longitudinalmente rispetto al flusso indisturbato, sia in funzione del rallentamento che dell’angolo di imbardata assunto dopo l’impatto con la turbina. Sono state inoltre calcolate le forze agenti sulle pale del rotore, le coppie e le potenze prodotte e i coefficienti aerodinamici di drag e lift. Il risultato mostra una buona corrispondenza tra le misure sperimentali e i risultati numerici.