Scale-resolving CFD modeling of wind turbine airfoil with application of vortex generators

Wind energy is one of the most promising and fast-growing among all renewable energy sources because of its wide availability. Rotors are becoming larger and wind turbines are nowadays approaching the 10 MW mark. As a consequence, longer and slender blades are being produced with the requisite of strong mechanical resistance for the root section. To serve this purpose, very thick profiles are being developed and tested. These airfoils have poor aerodynamic performance due to their high curvature that promotes stall onset, especially when their surface becomes rough after years of on-field service. Passive flow control devices, like triangular vortex generators (VGs), becomes necessary to overcome these drawbacks and maximize energy production. This thesis is aimed at improving the state-of-the-art RANS simulations of the 30% thick DU97-W-300 profile in clean configuration and equipped with VGs. The considered flow regime is the fully turbulent one, to simulate the effects high surface roughness has on blades performance. To pursue this goal, scale-resolving methods (DES and SDES) are employed to model the post-stall behaviour at a Reynolds number of 2E6. After an explanation of mesh structure, the validating procedure starts with the simulation of clean profile on a base grid. Sensitivity analyses are the run to assess the influence of time integration duration, grid span-wise resolution and domain width. Aware of the results reached, the controlled profile simulation is validated as well. In the last part of this work, BEM calculations are performed to assess how the numerical polars obtained compare against experimental ones for the prediction of power curve and annual energy produced increment due to the presence of VGs. The analyses show that scale-resolving methods mark a significant step-ahead in stall simulation with respect to RANS models: aerodynamic performance are predicted with a far superior accuracy. The new numerical polars represent also a valuable tool to be used in BEM codes because of their accurate representation of stall angle.

L'energia eolica è una delle fonti rinnovabili più promettente ed in più forte crescita. I rotori stanno diventando sempre più grandi e le turbine stanno ormai raggiungendo il traguardo dei 10 MW. Pale più lunghe devono essere prodotte garantendo un'alta resistenza meccanica alla base delle stesse. Perciò, profili di pala sempre più spessi sono attualmente sviluppati e testati. Questi profili hanno però basse performance aerodinamiche a causa della loro accentuata curvatura che ne promuove lo stallo, specialmente quando la finitura superficiale viene degradata dopo anni di servizio. Strumenti per controllare lo stallo, come i generatori di vortici (VGs), stanno diventando sempre più necessari per garantire la massima produzione energetica. L'obbiettivo di questa tesi è quello di migliorare lo stato dell'arte delle simulazioni RANS del profilo DU97-W-300 con e senza l'applicazione dei VGs. Sono considerate condizioni in cui lo strato limite è completamente turbolento, in modo da simulare le performance del profilo su pale deteriorate. I metodi DES e SDES sono stati impiegati per le simulazioni della zona post-stallo ad un numero di Reynolds di 2E6. Dopo un approfondimento sulla generazione della mesh, la procedura di validazione del modello numerico inizia con la simulazione del profilo senza VGs su una mesh base. Sono considerate analisi di sensitività riguardo la durata dell'integrazione temporale, la risoluzione della griglia e la larghezza del dominio. Il profilo con VGs è poi validato anch'esso. Nell'ultima parte del lavoro viene utilizzato il metodo BEM per valutare gli effetti delle polari numeriche rispetto a quelle sperimentali sulla predizione della curva di potenza e l'incremento di energia prodotta grazie ai generatori di vortici. L'analisi dimostra che i metodi numerici utilizzati riescono a predire con molta accuratezza le performance del profilo in condizioni di stallo ed inoltre le polari ottenute possono essere usate con un basso errore anche in codici BEM per stimare l'incremento di energia prodotta grazie all'uso di VGs su pale deteriorate.