Advanced simulations for wind farm application

Nowadays, one of the main topic inside the world of wind energy is the attempt of exploiting at their maximum the potentialities of a wind farm to succeed in reaching the ambitious targets purposed by the European council for the following decade. Numerical simulations cover a fundamental role to accomplish this task, therefore several codes have been developed in order to deeply model wind turbines and reproduce their functionalities. FAST and SOWFA, two software developed by NREL which exploit the actuator line technique, represent the state of the art of turbine modelling and show very high potentialities, but they need to be set up properly to give reliable results. This work is focussed on the characterisation of the two codes for what regards their application within wind tunnel environment. Politecnico di Milano owns one of the biggest facility in the world and it has available a great amount of data useful to compare the numerical results with the experimental ones. I have succeeded in identifying which are the values of the actuator line's parameters that manage to reproduce the correct behaviour of machines and wake. Cell dimension, time step, blade epsilon have been deeply analysed and tuned without being linked to a specific turbine, but trying to obtain a totally general characterisation of their influence. Moreover, I have tested the codes' behaviour for different flow conditions arriving to fully reproduce the wind tunnel environment with its ABL evolution. In conclusion, I have highlighted the steps to complete in order to overtake the encountered issues and to fully develop a numerical environment able to give results totally in accordance with the experimental tests.

Al giorno d'oggi, uno dei temi principali all'interno del mondo dell'energia eolica è il tentativo di sfruttare al massimo le potenzialità di una wind farm per riuscire a raggiungere gli ambiziosi target proposti dall'Unione Europea per il prossimo decennio. Le simulazioni numeriche ricoprono un ruolo fondamentale per portare a termine questo compito, perciò molti codici sono stati sviluppati per modellare le turbine eoliche e riprodurre le loro funzionalità. FAST e SOWFA, due software sviluppati da NREL basati sulla tecnica dell'actuator line, rappresentano lo stato dell'arte per la modellazione di turbine, ma richiedono di essere propriamente messi a punto per fornire risultati affidabili. Questo lavoro è orientato alla caratterizzazione dei due codici per quanto riguarda il loro utilizzo all'interno dell'ambiente di galleria del vento. Il Politecnico di Milano possiede una delle più grandi strutture del mondo e ha a disposizione una grande quantità di dati utili per paragonare i risultati numerici con quelli sperimentali. Sono riuscito a identificare quali sono i valori dei parametri legati all'actuator line che riescono a riprodurre il corretto comportamento delle turbine e della loro scia. Dimensione di cella, avanzamento temporale e blade epsilon sono stati ampiamente analizzati e messi a punto senza essere legati a una specifica macchina, ma provando a ottenere una caratterizzazione della loro influenza del tutto generale. Inoltre, ho testato il comportamento dei codici per differenti condizioni di flusso arrivando a rappresentare completamente l'ambiente di galleria del vento con il suo sviluppo di strato limite (ABL). Per concludere, ho messo in evidenza i passi da compiere per superare i problemi incontrati e per sviluppare un ambiente numerico capace di fornire risultati totalmente in accordo con i dati sperimentali.