Two-dimensional URANS modeling of an H-type darrieus wind turbine

Recent developments in wind energy have led to a reconsideration of vertical axis wind turbines for microgeneration and off-shore wind farms. Within the context of the need to increase the efficiency and competitiveness of the existing prototypes, this thesis aims at simulating the complex aerodynamics of a real-scale H-rotor by means of CFD modeling, and by assessing the numerical results by virtue of a detailed comparison with existing experimental data. The benchmark for the analysis consists in an experimental campaign carried out at the Politecnico di Milano wind tunnel in open chamber configuration and low turbulence (<1%). The H-rotor is equipped with three straight NACA 0021 blades and has a swept area of 1,5 m2. Torque and power are measured with a torque-meter mounted on the pole and an encoder, respectively. Velocity and turbulence intensity of the turbine’s wake are evaluated using hot-wire anemometry on two planes located downstream of the turbine. Wind speeds ranging from 6 to 16 m/s have been tested to cover all relevant operating conditions, with a constant angular velocity of 400 rpm. The CFD investigation is carried out with the commercial software tool ANSYS® Fluent adopting a two-dimensional URANS approach. In particular, the turbine’s performance in terms of power, generated wake and dynamic stall are evaluated using the SST k − omega and the Spalart Allmaras turbulence models. The numerical model is validated through an analysis of the influence of the domain extension and time-step on the aerodynamic phenomena. CL and CD curves are subsequently compared to experimental data found in literature. Tip speed ratios of 3,3, 2,4 and 1,5 representing high load, optimal Cp and low load, respectively, are tested. Both models are used in standard form and with curvature correction. Finally, the numerical results are discussed and compared to the experimental data. The best results in terms of torque generation and wake prediction are found at lambda = 2,4, thanks to the limited onset of dynamic stall and a fully turbulent flow condition around the blades. At lambda = 1, 5 only moderate agreement with the experimental data is found, because strong tip vortexes are neglected. At lambda = 3,3 the URANS models perform the poorest, due to the partially laminar flow in the boundary layer and an excessive turbulence dissipation rate.

Recenti sviluppi dell’energia eolica hanno portato a una rivalutazione delle turbine eoliche ad asse verticale per la microgenerazione e nei parchi eolici off-shore. Nel tentativo di aumentare l’efficienza e la competitività dei prototipi esistenti, il presente lavoro di tesi si prefigge lo scopo di modellizzare la complessa aerodinamica di un rotore ad H tramite l’impiego della CFD, validando i risultati numerici mediante un confronto con dati sperimentali ricavati in precedenza. Il benchmark dell’analisi consiste in una campagna sperimentale condotta all’interno della galleria del vento del Politecnico di Milano nella configurazione a getto libero e a bassa turbolenza (<1%). Il rotore ad H è equipaggiato con tre pale NACA 0021 verticali ed è caratterizzato da un’area spazzata di 1,5 m2. I valori della coppia e della potenza sono ricavati rispettivamente con un misuratore di coppia montato sull’albero e un encoder. La velocità e l’intensità di turbolenza della scia della turbina sono calcolati impiegando tecniche di anemometria a filo caldo su due piani a valle della turbina. La velocità del flusso è compresa tra 6 e 16 m/s e permette di esaminare le più rilevanti condizioni di funzionamento, mantenendo costante la velocità angolare a 400 rpm. Lo studio CFD è realizzato tramite il codice commerciale ANSYS® Fluent adottando un approccio URANS bidimensionale. In particolare, la prestazione della turbina in termini di potenza, scia generata e stallo dinamico è valutata usando i modelli di turbolenza SST k−omega e Spalart-Allmaras. Il modello numerico è validato analizzando l’influenza dell’estensione del dominio e del passo temporale sui fenomeni aerodinamici. Successivamente si confrontano le curve di CL e CD con le curve sperimentali tratte dalla letteratura. Vengono esaminate le condizioni di funzionamento più rilevanti con tre rapporti di velocità di punta: 3,3 (basso carico), 2,4 (Cp ottimale) e 1,5 (alto carico). Entrambi i modelli vengono usati in configurazione standard e con la correzione di curvatura. Infine, risultati numerici vengono discussi e confrontati con i dati sperimentali. I migliori risultati in termini di generazione di coppia e predizione della scia vorticosa vengono trovati per lambda = 2,4, grazie alla limitata nucleazione dello stallo dinamico e al regime di flusso pienamente turbolente attorno alle pale. Per lambda = 1,5 i risultati sono solo moderatamente soddisfacenti, in quanto vengono trascurati forti vortici d’estremità. Per lambda = 3,3 i modelli URANS risultano inadeguati, a causa dello strato limite parzialmente laminare e un eccessivo rateo di dissipazione dell’energia cinetica turbolenta.