Development and implementation of an aeroacoustic module for wind turbine noise prediction

The present thesis work focused on developing and implementing an aeroacoustic code for wind turbine noise prediction through semi-empirical frequency based methods. The noise analysis tool has been included in Cp-Max, the framework in use for wind turbine simulation and design. Frequency based methods consider contributions of different noise sources: turbulent boundary layer - trailing edge and turbulent inflow noise have been taken into account, and most of the models present in the literature were included in the aeroacoustic module. Turbulent boundary layer - trailing edge noise has been computed according to Brooks, Pope, Marcolini (BPM) and TNO model, while turbulent inflow noise is calculated through Amiet and Lowson models. Anisotropy of boundary layer can be considered for the TNO model according to Bertagnolio, and the software Xfoil was included for turbulent boundary layer characterization. Validation of the noise sources implemented is performed through direct comparison with experimental results from different researches, and discrepancies among models have been investigated, particularly between BPM-TNO and Amiet-Lowson. The aeroacoustic tool implemented have been tested on a 3.6MW wind turbine model, where it has shown the ability of predicting reasonable results and reproducing typical trends of wind turbine noise spectra. No validation of the code has been possible, due to unavailability of detailed wind turbine and noise measurements data.

Il presente lavoro di tesi, si è concentrato sullo sviluppo e l'implementazione di un codice aeroacustico per il calcolo del rumore prodotto da generatori eolici, attraverso l'impiego di metodi in frequenza. Lo strumento sviluppato è stato incluso in Cp-max, il framework utilizzato dal Politecnico di Milano per la simulazione ed il design di aerogeneratori. I metodi in frequenza considerano il contributo al rumore fornito da diverse sorgenti acustiche: il codice sviluppato tiene in conto di turbulent boundary layer - trailing edge noise ed il turbulent inflow noise, includendo molti dei modelli attualmente in uso nella letteratura per la previsione di tali contributi. Il calcolo del turbulent boundary layer - trailing edge noise è reso possibile attraverso l'inclusione dei modelli Brooks, Pope, Marcolini (BPM) e TNO, mentre il turbulent inflow noise è dato dai modelli di Amiet e di Lowson. Nel modello TNO è stata inclusa la possibilità di tenere in conto dell'anisotropia dello strato limite turbolento, come riportato da Bertagnolio, ed il software Xfoil è stato utilizzato per il calcolo degli strati limite turbolenti. Le implementazioni delle varie sorgenti sono state validate attraverso la comparazione con risultati sperimentali provenienti da differenti fonti; i modelli sono inoltre stati confrontati tra loro, al fine di valutarne le discrepanze, specialmente tra i modelli BPM-TNO e Amiet-Lowson. Il codice aeroacustico implementato è stato in fine veri ficato su un modello di aerogeneratore da 3.6MW, ed è stata dimostrata l'effettiva capacità dello strumento di prevedere risultati ragionevoli e di riprodurre correttamente tendenze tipiche di emissioni acustiche di aerogeneratori. Una validazione del modulo non è stata possibile, a causa della mancanza in letteratura dei dettagliati dati geometrici, operativi ed acustici necessari al funzionamento del codice.