Experimental assessment of an actuator line simulation tool for vertical axis wind turbines

The thesis presents the detailed experimental assessment of a computational model for the resolution of the flow around Vertical Axis Wind Turbine (VAWT) rotors. This technique, which treats the blade aerodynamics using an actuator line (ACL) representation, allows to limit the computational cost normally associated to three-dimensional calculations, thus providing the ideal framework for simulating wind turbines immersed into the atmospheric boundary layer or operating in the urban environment. The highly unsteady and fully three-dimensional character of VAWT aerodynamics complicates however the model implementation and makes it prone to reliability issues; for this reason, experimental validation is decisive for evaluating the fidelity of the simulation tool, and for investigating the impact of the various corrective sub-models implemented. In the present work, such procedure is carried out by comparing the ACL prediction with the data coming from extensive wind tunnel testing of a real-scale model of a H-shaped VAWT for microgeneration, for which both performance and detailed wake measurements are available. The comparison is made for different tip-speed ratio conditions and combinations of sub-models in the ACL tool. Results show that the turbine performance and the main features of the rotor aerodynamics are well reproduced by the model, resulting in a very good prediction of the wake profile in the equatorial section of the turbine. The quantitative agreement between experiments and calculations locally drops close to the blade tip, where the flow field is fully dominated by 3D effects, even though the model is still able to reproduce qualitatively the most relevant wake features.

Il presente lavoro di tesi si occupa della validazione sperimentale di un modello numerico per l’analisi di turbine eoliche ad asse verticale (VAWT). Questo metodo è in grado, grazie ad una modellazione actuator line (ACL) delle pale rotoriche, di ridurre notevolmente il costo computazionale normalmente associato alla simulazione di queste macchine, aprendo così la strada allo sviluppo di modelli avanzati della loro interazione con ambienti complessi come quello urbano. A causa della marcata instazionarietà e tridimensionalità del campo di moto rotorico tuttavia, l’implementazione di tale tecnica è tutt’altro che banale e richiede un’adeguata validazione dal punto di vista sperimentale, volta non solo ad appurarne l’affidabilità, ma anche a valutarne la sensibilità rispetto ai vari sottomodelli utilizzati. A tal scopo, i risultati ottenuti con il metodo ACL sono stati confrontati con le misure effettuate in galleria del vento su un modello in scala reale di un rotore Darrieus ad H per microgenerazione, considerando diverse condizioni operative e combinazioni dei sottomodelli disponibili nel solutore ACL. Dai vari confronti è emersa una spiccata capacità del modello di prevedere in maniera accurata non solo le prestazioni della turbina, ma anche lo sviluppo spaziale e temporale della scia, soprattutto nella zona equatoriale della macchina. La corrispondenza quantitativa tra dati numerici e sperimentali diminuisce notevolmente avvicinandosi alla regione d’estremità delle pale, dove il campo di moto è completamente tridimensionale, nonostante il modello sia ancora in grado di riprodurre qualitativamente le principali caratteristiche della scia.