CFD analysis of aerodynamic performance for wind turbine airfoils equipped with vortex generators

The wind energy sector is playing a leading role in the worldwide power production, with a large contribution to the mitigation of the climate change, avoiding emissions of tons of carbon dioxide to the atmosphere. The installed wind power capacity is characterized by a yearly growth and the technological development is pulled by the effort to reduce the cost of energy and to enable a higher penetration of wind energy in the grid. In this scenario a better comprehension of the flow control devices, such as vortex generators (VGs), becomes necessary to maximize the energy output. This work is focused on the development of a CFD method in order to reproduce the flow behavior over an airfoil in presence of VGs. The aim is to assess a procedure to validate a RANS-based model with the wind tunnel measurements of the flow over a airfoil, equipped with triangular vanes, at a Reynolds number of 2 millions. CFD modelling is performed by use of the software ANSYS Fluent. Several turbulence models are investigated. The validating process is divided in four steps, increasing in complexity and computational time. The first part is focused on 2-D simulations of the flow over the airfoil without VGs. In the second step a sensitivity analysis is performed on the clean airfoil regarding the influence of the domain width. The two final steps regard the modelling of the airfoil equipped with VGs and a sensitivity analysis on the influence of the vane dimensions. In the last part of the study, BEM calculations are carried out to estimate the increase in the Annual Energy Production due VGs installation on a deteriorated wind turbine rotor. The analysis shows how VGs can mitigate the negative impact of surface roughness, leading to an increased AEP because of the delay of stall. Assuming a standard size wind farm, by using the calculated AEP increase and applying it to the entire wind farm, it is possible to make a projection of the return of investment for the VGs installation.

L’energia eolica sta acquisendo un ruolo primario nello scenario energetico mondiale, contribuendo alla riduzione delle emissioni di anidride carbonica in atmosfera. La capacità installata cresce anno dopo anno e lo sviluppo tecnologico é stimolato dalla necessità di ridurre il costo dell’energia e permettere una maggiore penetrazione dell’energia eolica nella rete. In questo contesto diventa fondamentale limitare le perdite di energia tramite dispositivi di regolazione dello stallo, come i turbolatori. Il presente lavoro di tesi propone una procedura CFD per modellare l’interazione di questi dispositivi con lo strato limite che si sviluppa sulla superficie di un profilo alare. L’obbiettivo consiste nella validazione di un modello basato su equazioni RANS attraverso le misurazioni sperimentali effettuate su un profilo equipaggiato con turbolatori triangolari, ad un numero di Reynolds di 2 milioni. La modellazione CFD è eseguita mediante l’uso del software ANSYS Fluent. Diversi modelli di turbolenza vengono analizzati e comparati. Il processo di validazione si sviluppa in quattro fasi, caratterizzate da una crescente complessità nonché da un aumentato costo computazionle. Nella prima fase è descritta una modellazione 2-D del profi lo liscio, nella seconda fase viene eseguita un analisi di sensitività sull’ estensione del dominio nella terza dimensione, nelle ultime due fasi sono descritte la modellazione del turbolatore e l’analisi di sensitività relativa ai suoi parametri geometrici. Nella parte conclusiva viene utilizzato il metodo BEM con l’obbiettivo di stimare l’incremento di energia annuale prodotta in seguito all’installazione di turbolatori su pale deteriorate. L’analisi dimostra come questi dispositivi possano mitigare gli e ffetti negativi dell’aumento di rugosità delle pale, permettendo un incremento di prestazioni dovuto alla capacità di ritardarne lo stallo. I risultati ricavati sono poi utilizzati per una stima di redditività del capitale investito per l’installazione dei turbolatori in un parco eolico di medie dimensioni.