Metodi CFD per il calcolo delle prestazioni aerodinamiche di un micro-impianto ad energie rinnovabili

This thesis uses CFD (“Computational Fluid Dynamics”) simulations in order to evaluate the wind interaction of a small plant powered by renewable energy sources composed by solar panels and Savonius turbines. The focus is firstly on the CFD description and the validation of the global aerodynamics of the structure with the experimental results measured, for this purpose, in the Wind Gallery of the Politecnico di Milano. Then, the thesis proposes an innovative method to compute Savonius turbine performances in off-design conditions due to obstacles that disturbs the incoming or outcoming wind of the turbomachine. This method consists of the modeling of the blade rotation with “Multi-Reference Frame” (MRF) model in steady simulations rather than the conventional “Sliding Mesh” (SM) model in unsteady simulations. So, the obtained results in this way have been collected for two purposes. The first one is the description of the global performances of the turbines with the innovative method, characterized by very low computational times, that have permitted to have a complete dataset for each geometrical parameter of our problem. The second one is the critical analysis of the MRF method made by quantifying errors, evaluating defects and potentialities. In conclusion: experimental results have been confirmed and the global aerodynamic description is validated. Acceptable results have been obtained only for the evaluation of the turbine inlet velocity field, where the MRF manage to correctly consider the effect of the velocity field deformation due to the rotation of the turbines and due to the presence of aerodynamic obstacles.

In questo lavoro di tesi si propone l’uso di simulazioni CFD (“Computational Fluid Dynamics”) al fine di valutare l’interazione con il vento di un piccolo impianto ad energie rinnovabili composto da pannelli solari e turbine Savonius. In particolare, le attività svolte riguardano la descrizione del comportamento aerodinamico complessivo della struttura tramite validazione sperimentale del modello computazionale impostato con prove eseguite ad hoc nella Galleria del Vento del Politecnico di Milano e l’uso di un metodo di innovativo per la valutazione delle prestazioni di turbine Savonius in condizioni di off-design causate della presenza di ostacoli che disturbano la vena fluida a valle a monte della turbina. Tale metodo consta nella modellazione della rotazione delle turbine Savonius con simulazioni stazionarie tramite metodo “Multi-Reference Frame” (MRF) in sostituzione del metodo convenzionale “Sliding Mesh” (SM) a simulazioni instazionarie. I risultati raccolti sono serviti a due scopi: il primo è la descrizione delle prestazioni globali dell’impianto calcolate tramite il metodo MRF, caratterizzato da tempi di calcolo molto corti e che quindi ha permesso la creazione di un dataset completo per tutti i parametri geometrici d’interesse della struttura; il secondo è compiere un’analisi critica del modello proposto, quantificando gli errori compiuti, valutando i limiti del nuovo modello e valutandone le potenzialità effettive. I risultati sperimentali sono stati confermati e la descrizione aerodinamica complessiva della struttura è validata. Invece il metodo MRF riporta risultati accettabili solo per la valutazione del campo di velocità in ingresso alle turbine, dove riesce però a valutare anche gli effetti della rotazione delle turbine, oltre a quello di ostacoli a monte.