Development and experimental assessment of a double multiple stream tube model for design and analysis of VAWT

The aim of the present work is the implementation of a numerical model to predict the performance of a lift-driven vertical axis wind turbine. The Double Multiple Stream Tube model is implemented, that is based on the principle of the momentum’s conservation and assure a trade-off between accuracy and computational cost. In order to increase the performance of the base model, several corrections are implemented. The effects of the flow curvature, of the dynamic stall and of the finite aspect ratio of the blade are modelled, and the presence of structural elements as the shaft and the struts are taken into account. The wind turbines analysed are the ones tested by the energy department of Politecnico di Milano in an experimental campaign in the wind tunnel, and they are two Darreius turbines, one with the H-shaped rotor’s geometry and the second with the Troposkien one. The model developed provides a good accuracy in the prediction of the performance of the H-shaped rotor, with an error with respect to the experimental results lower than their uncertainty for all the range of wind speed considered. For the Troposkien rotor, the model could reproduce the experimental results only the region at maximum power coefficient, while in the other region it is less accurate. Moreover, once the model is validated, different parametrical analyses are made, to understand how the existents machines could reach better efficiency. In particular, the effects of number of blades, the hooking point, the pitch angle, and the blades aerodynamic profiles are tested. Also a Gorlov rotor is designed and tested with the DMST model. In the end, the Troposkien machine belonging to the DeepWind project is tested. It is made in order to understand the efficiency degradation that the wind tunnel prototype provokes with respect to the real size machine.

L' obbiettivo del presente lavoro di tesi è l’implementazione di un modello numerico per predire le prestazioni di turbine eoliche ad asse verticale basate sulla portanza. Il modello implementato è quello a doppio tubo di flusso, che si basa sul principio della conservazione del momento ed è un compromesso tra accuratezza e costi computazionali. Per migliorare le prestazioni del modello sono state implementate delle correzioni. L' effetto della curvatura del flusso, dello stallo dinamico e della lunghezza finita di pala sono stati modellati, e in più sono stati presi in considerazione l'effetto di elementi strutturali come l'albero e le razze. Le turbine eoliche inizialmente analizzate sono quelle testate nella galleria del vento durante una campagna sperimentale svolta dal dipartimento di energia del Politecnico di Milano. Le macchine sono due, entrambe di tipo Darreius: una con geometria ad H e l'altra Troposkien. Il modello implementato assicura una buona accuratezza nella predizione delle prestazioni della macchina ad H, in quanto l'errore rispetto ai dati sperimentali è più basso della loro incertezza per tutto l'intervallo di velocità del vento considerato. Per quanto riguarda il rotore Troposkien, il modello riproduce in modo accurato i risultati sperimentali solo nella regione di massimo coefficiente di potenza, mentre per le altre velocità del vento è meno accurato. Una volta validato il modello, sono state condotte diverse analisi parametriche, per valutare su quali caratteristiche delle turbine è possibile agire per aumentarne l'efficienza. In particolare, sono stati indagati gli effetti del numero delle pale, del punto di afferraggio, dell'angolo di calettamento e della geometria di pala. In più, anche una macchina di tipo Gorlov è stata concepita e testata con lo stesso modello. Per concludere, il rotore Troposkien del progetto DeepWind è stato analizzato. Questa analisi è stata fatta per valutare la degradazione dell'efficienza che il modello in scala causa rispetto al rotore nella dimensione reale.