Wind turbines unsteady aerodynamics : experimental analysis of thrust and wake velocity

This thesis work focuses on the unsteady aerodynamics of wind turbines, analysing the experimental measurements of thrust force and wake velocity of a turbine translating along wind direction. A semi-empirical modelisation of the unsteady forces is provided in the form of a single degree of freedom equivalent system, according to the theory of actuator disk. The aerodynamic equivalent mass and damping terms of the wind are analysed in a critical way; the theory of flutter derivatives is also recalled for this task and the results of the present experimental campaigns are compared to those of a previous one, similar to all purposes and extents. A good agreement is obtained for the damping term, whereas the mass term looks more controversial. The upsides and downsides of the testing methodology are therefore discussed, together with the limits of the experimental setup. Some improvements to it are suggested, especially for the identification of mass term, that proved to be a task of particular complexity. A second part of the thesis focuses on the wake velocity that was measured at different points in two directions: one parallel to wind flux and one perpendicular to it. The first one returned a picture of the evolution of the wake in its drifting away from the turbine; the second one showed the section of the wake at hub height and a distance of 2.3D. A velocity oscillation due to the motion of the turbine was measured in the wake up to 2.3D downwind; conversely, it was not present any effect on the wake mean velocities. This observations are similar to what found regarding the thrust force response to the turbine motion.

Questa tesi studia l’aerodinamica non stazionaria delle turbine eoliche, attraverso l’analisi delle misure sperimentali di forza di thrust e di velocità in scia ad una turbina animata di moto translatorio lungo la direzione del vento. Le forze dovute all’aerodinamica non stazionaria sono descritte da un modello semi-empirico nella forma di un sistema ad un grado di libertà, similmente a quanto avviene nella teoria del disco attuatore. I termini equivalenti di massa e smorzamento indotti dal vento vengono analizzati in maniera critica; ciò viene fatto richiamando la teoria delle ’flutter derivatives’ ed inoltre confrontando i risultati della presente campagna sperimentale con una precedente, simile sotto ogni aspetto. Il termine di smorzamento mostra una buona accordanza nei due casi, mentre quello di massa ha un comportamento più controverso. I vantaggi e svantaggi derivanti dal metodo di sperimentazione sono discussi, assieme ai limiti dell’attuale setup sperimentale. Alcuni suggerimenti per futuri miglioramenti sono suggeriti, specialmente riguardo l’identificazione del termine di massa, che si dimostra di particolare complessità. La seconda parte della tesi si concentra invece sulle misure di velocità; esse forniscono l’andamento delle componenti medie e turbolente del vento in scia alla turbina mobile. Due direzioni sono testate: una parallela al flusso del vento, l’altra perpendicolare ad esso. La prima fornisce una chiara immagine dell’evoluzione della scia nel suo moto di allontanamento dalla turbina; la seconda mostra la sezione di tale turbina all’altezza del mozzo e alla distanza di 2.3D. Si dimostra quindi come lo spostamento della turbina causi un’oscillazione nella scia fino alla distanza massima testata; al contrario, non si osserva nessun effetto sulla parte media del flusso. Questo accade similmente a quanto trovato per le misure di forza.