CFD model of a vertical-axis wind turbine in open-jet wind-tunnel

During the last years, there has been a resurgence of interest regarding vertical axis wind turbines and numerous universities and research institutions have performed extensive research activities and developed numerous designs based on several aerodynamic computational models. These models are very important to deduce optimum design parameters and also to predict turbine performance. In this thesis, a CFD model of an open-jet wind tunnel is realized to study the performance of a vertical axis wind turbine. The problem is solved using a CFD solver, based on actuator line approach, implemented at Politecnico di Milano in the open-source framework OpenFOAM. To compare the results obtained in the open-jet wind tunnel, several simulations are run considering different possible wind turbine installations: an ideal installation where the turbine is immersed in uniform flow, a more realistic installation where the turbine is placed on the ground and an installation inside the same wind tunnel but with a closed test section. Furthermore, two models for end effects are implemented to consider the blade tip losses in the prediction of the wind turbine performance. Before the insertion of the wind turbine, the open-jet wind tunnel is tested with a well consolidated turbulence model and a comparison with the available experimental data is made to assess the boundary conditions employed.

L'energia eolica è senza dubbio un settore in forte espansione; negli ultimi anni l'interesse verso l'eolico è cresciuto in maniera esponenziale tanto che molti governi hanno mandato segnali di grande attenzione verso tale fonte di energia. Per questo motivo, diverse università e istituti di ricerca hanno speso molte energie nella ricerca e nella progettazione di tali turbine, basandosi su modelli aerodinamici di varia natura. Questi modelli sono fondamentali per dedurre parametri ottimali necessari per la progettazione e per predirre le prestazioni della turbina. In questa tesi, è stato realizzato un modello di una galleria del vento a getto libero in modo da studiare come variano al suo interno le prestazioni di una turbina eolica ad asse verticale di tipo H-Darrieus. Per simulare la turbina, si è utilizzato un solutore sviluppato dal Politecnico di Milano all'interno del software open-source OpenFOAM.Per poter valutare nel miglior modo possibile le prestazioni all'interno della galleria del vento a getto libero, si sono effettuate simulazioni considerando diverse modalità di installazione della turbina: un installazione ideale in spazio aperto dove la turbina non è influenzata dalle pareti e il flusso è uniforme, un installazione più realistica dove la turbina è installata a terra e un installazione all'interno della stessa galleria del vento ma con camera chiusa. Inoltre, sono stati implementati all'interno del solutore due modelli che permettono di considerare le perdite di estremità delle pale nella previsione delle prestazioni. Prima di inserire la turbina eolica, la galleria del vento è stata testata con un modello di turbolenza tipicamente utilizzato nel campo della fluidodinamica computazionale. Inoltre è stato effettuato un confronto con i dati sperimentali disponibili della galleria del vento in modalità getto libero per valutare le condizioni al contorno utilizzate.