Computational fluid dynamics analysis for vertical axis wind turbines in urban environment

The main aim of this thesis work is the analysis of the urban environment influence on the efficiency of a Savonius wind turbine, using OpenFOAM, an opensource software for computational fluid dynamic simulations. At first, a simulation of wind distribution in the "Politecnico di Milano Bovisa Campus" was performed, using wind data collected on site by an anemometer positioned on one of the buildings rooftops. Interactions between the undisturbed flow and the buildings were modelled with a novel CFD code. The results of this first phase of simulations were used to evaluate the target point where to place the turbine, and to extract wind velocity profiles in that point. The second part of this work is based on a previous thesis work, which consisted in the CFD simulation of a wind tunnel test for a Savonius wind turbine with uniform inlet velocity. The innovation of the current work is the introduction of realistic wind profiles to evaluate the machine performances with respect to the "ideal" uniform case. The most interesting results regarded the estimation of the annual energy yield of the turbine, that resulted higher of the 10% with respect to the simulation with uniform profile, and higher of the 20% if the value of inlet velocity is taken as the wind data evaluated at the anemometer, and not the ones evaluated at the target point (available only after the first part of simulations).

Il presente lavoro di tesi ha come obiettivo lo studio dell’influenza dell’ambiente urbano sulle prestazioni di una turbina mini-eolica di tipo Savonius, tramite OpenFOAM, un software open-source per la modellazione di problemi di fluidodinamica computazionale. La prima fase del lavoro prevedeva la simulazione del vento nel Campus del Politecnico di Milano Bovisa, di cui è stata possibile una mappatura del vento grazie alla presenza di un anemometro in loco. Le interazioni tra il flusso indisturbato e gli edifici è stata modellata attraverso un innovativo codice CFD. I risultati di questa prima fase sono stati utilizzati per valutare il punto target in cui ipotizzare il posizionamento della turbina, e per estrarre i profili di velocità in tale posizione. La seconda fase si è basata su un precedente lavoro di tesi, che consisteva nella simulazione CFD di un modello di wind tunnel test per una turbina di tipo Savonius, con profilo di velocità in ingresso uniforme. L’innovazione del presente lavoro consiste nell’introdurre dei profili di velocità realistici e valutare le differenze di prestazioni rispetto al caso "ideale" con profilo in ingresso uniforme. I risultati più interessanti di questo lavoro riguardano la stima dell’energia prodotta dalla turbina, che risulta maggiore del 10% rispetto alla simulazione con profilo uniforme, e maggiore del 20% se non si considerano i valori di velocità nel punto target (trovati grazie alla prima fase di simulazioni), ma quelli disponibili all’anemometro.