Implementation and application of the actuator line model by OpenFOAM for a vertical axis wind turbine set on a University of Stavanger building roof

The following work takes place as part of a larger project at the University of Stavanger. The Smart Sustainable Campus & Energy Lab (SSCEL) project aims at creating a more sustainable campus area and at the same time at facilitating and fostering new research on smart renewable energy systems. For instance, a set of turbine will be installed on a university building roof. At least one of them will be a vertical axis wind turbine. They have not been selected yet. It has been decided therefore to empower the starting up of this realization, implementing a computational fluid dynamic model by OpenFOAM. It might help to understand the behaviour of the wind over the university building and the performance of the turbine. Implementation started using as frame an on-line available case that uses the Actuator Line Model. Despite its popularity with horizontal axis wind turbine, it is still rare for vertical axis wind turbine. It has great potential thanks to its good trade-off between time consumption and accuracy. This model has hence been modified according to the purpose. In particular this thesis results being quite unique since no scientific papers have been yet described its use outside the controlled surrounding of the laboratory. The case turbine is a H- Darrieus type. University did not have a proper 3D model of the campus, so meshing started with the creation and design of that. Model has been tested, trying to verify its use and suitability. The simulations help to understand the behaviour of the turbine with regard to the change of wind velocity, rotational speed and location of the turbine itself. They have been useful to comprehend the impact of the surrounding on the turbine. As part of the mentioned project there will be an experimental campaign where different local meteorological observations will be performed in order to compare model results with real data. In the meantime the model will be improved.

Il seguente lavoro trova luogo all’interno di un progetto in via di sviluppo presso l’Università di Stavanger (Norvegia). Al fine di realizzare una sezione dipartimentale dedita all’energia sostenibile, nel corso dell’anno 2018, tra le varie iniziative, un set di turbine verrà installato sul tetto di un edificio del campus. Di queste turbine, almeno una sarà ad asse verticale. Le turbine non sono ancora state selezionate. Si è voluto quindi in fase progettuale dotare l’Università di un modello basato sulla fluidodinamica computazionale da utlizzare con il pacchetto open-source OpenFOAM. Per implementarlo si è partiti da un modello già validato, disponibile on-line, basato sull’Actuator Line Model. Sebbene popolare per turbine ad asse orizzontale, è un modello ancora poco diffuso per l’asse verticale. Presenta però alte potenzialità, in quanto garantisce un buon compromesso tra tempo di elaborazione e affidabilità. Si è quindi modificato tale modello a seconda delle esigenze. In particolare questo elaborato risulta essere unico per il suo utilizzo, in quanto non risulta alcuna pubblicazione scientifica che descrive l’utilizzo delll’Actuator Line Model al di fuori di un ambiente controllato quale è il laboratorio. La turbina studiata è di tipo H-Darrieus. Si è dovuto inoltre progettare la mesh del campus, poichè l’università non aveva in dotazione alcuna rappresentazione dello stesso. Il modello è stato poi testato in modo da verificare il suo utilizzo e versatilità. Varie simulazioni effettuate hanno permesso di comprendere il comportamento della turbina al variare della velocità del vento, della velocità di rotazione e quale posizione potrebbe essere più idonea alla sua collazione. Sono servite anche a valutare l’impatto che l’ambiente ha sulla turbina stessa. Parte del progetto universitario sopra citato consiste nella dotazione di sistemi di rilevazioni misure. Il modello verrà quindi successivamente validato tramite prove empiriche.