An integrated numerical test rig for wind tunnel experiments on floating offshore wind turbines

The aim of this thesis work deals with the development of a numerical model in Adams/AdWiMo/Simulink environment able to reproduce the experimental tests on floating offshore wind turbines made in the wind tunnel. The thesis was carried out under the European Community funded LIFES50+ projects, whose purpose is the study and the development of offshore wind turbine systems (10 MW) to be installed in water depths higher than 50 meters. The numerical model developed in Adams/AdWiMo environment is composed of a scaled wind turbine, with a length scaling factor of 1/75, and an hexapod robot for the handling of the system, designed and realized by Politecnico di Milano. A set of static and unsteady (imposed sinusoidal motion) simulations has been carried out in order to validate the numerical model, comparing the results, in terms of Thrust force, both with the data obtained from another simulation environment, FAST, and with the ones obtained in the wind tunnel. In the second part, the model has been exported in Simulink environment in order to perform a co-simulation for testing it trough a hydrodynamical simplified system (2 degrees of freedom, the surge and the pitch). All the issues were analyzed in detail, both the ones related to the torque control of the turbine rotor and the ones related to the effective measurement of the aerodynamic force. The latter must be calculated purifying the inertial and gravitational contribution due to the scaled model, which has different mass and inertia parameters than the reference one. Numerous simulations were carried out with the numerical model obtained (decay tests at different wind conditions, regular and irregular sea states with and without wind) in order to validate the final system, comparing the results with the experimental tests realized in the wind tunnel and in the ocean basin.

Lo scopo del seguente lavoro di tesi consiste nello sviluppare un modello numerico in ambiente Adams/AdWiMo/Simulink capace di riprodurre le prove sperimentali, effettuate in galleria del vento, atte a testare una turbina eolica galleggiante. La tesi è stata svolta nell'ambito del progetto LIFES50+, finanziato dall'Unione Europea, il cui scopo è lo studio e lo sviluppo di sistemi eolici offshore (10 MW) galleggianti, da installare in acque profonde (più di 50 m di profondità). Il modello numerico sviluppato in ambiente Adams/AdWiMo è composto da una turbina eolica scalata, con fattore di scalatura 1/75, e da un robot esapode per la movimentazione del sistema, progettato e realizzato da Politecnico di Milano. Sono state effettuate quindi prove statiche e a moto imposto atte a validare il modello numerico, confrontando i risultati ottenuti, in termini di forza di Thrust, sia con con i dati ottenuti da un altro ambiente simulativo, FAST, sia con quelli ottenuti in galleria del vento. Si è poi passati a una co-simulazione in ambiente Simulink, dove si è testato il sistema attraverso un modello idrodinamico semplificato (2 gradi di libertà, surge e pitch). Sono state analizzate nel dettaglio tutte le problematiche dovute sia al controllo in coppia del rotore della turbina sia all'effettiva misurazione della forza aerodinamica. Quest'ultima deve essere calcolata depurando il contributo inerziale e gravitazione dovuto al modello scalato, che presenta parametri di massa e inerzia differenti rispetto a quello di riferimento. Con il modello numerico ottenuto è stata condotta una serie di simulazioni (decay test a diverse condizioni di vento, forzante ondosa regolare e irregolare con e senza vento) in modo da validare il sistema finale, confrontando i risultati con le prove sperimentali effettuate in galleria del vento e in vasca navale.