CFD investigation of counter rotating H-type Darrieus turbines in marine environment

In the present thesis, it has been investigated a new solution for exploiting hydrokinetic energy. This energy source can be forecast with higher accuracy, both in the short and in the long term, with respect to other renewable energy sources. The predictability is correlated to the dispatchability of the source, which is a key parameter in ensuring a higher penetration of renewable energy sources in the energetic industry. The machines for the energy conversion process, on which this thesis have focused, are H-type Darrieus turbines. Recent studies have proven that, contrary to what happens for horizontal axis turbines, the performances of these machines are improved when placed at close distance. In particular, in the configurations tested in the present thesis, two identical turbines are aligned in the cross stream direction. The axes of rotation of the machines are at a distance of 1 rotor disk radius and the blades are angled so that the turbines rotate with opposite angular velocity. The results of the study have proven that the machines in such configuration reach a power coefficient double with respect to the isolated turbine. The investigation has been performed by means of 2 dimensional CFD simulations in a freestream environment. URANS numerical simulations have been carried out with solver in the software package OpenFOAM. The analysis of the results computed, performed by means of code written in Matlab software, has shown that the flow field generated by the interaction between the machine and the fluid is complex and dominated by the presence of vortical structures. The geometry of the machines modelled are taken from an experimental study in a table top water channel. Due to structural reasons, the characteristic Reynolds number of the flow is in the transition region. Hence the transitional flow model 𝑘 𝑘𝑙 𝜔 have been implemented in the simulations. A thorough analysis of the parameters of the grid and of the flow model have been performed, in order ensure the independency of the solution from the mesh. The results have been validated with an experimental campaign carried out on the same turbine modelled in this thesis.

Nel presente lavoro di tesi, è stata analizzata una soluzione innovativa per utilizzare l’energia idrocinetica. Le previsioni relative a questa tipologia di fonte energetica, sia nel breve che nel lungo termine, sono più accurate rispetto ad altre fonti di energia rinnovabili. La possibilità di prevedere la disponibilità della risorsa è correlata alla possibilità di generare energia quando viene richiesta dalla rete. Questo è un parametro cruciale per assicurare un maggiore utilizzo delle risorse rinnovabili nell’industria energetica. Le macchine per la conversione di energia, sulle quali questa tesi si è focalizzata, sono le turbine Darrieus di tipo H. Recenti studi hanno dimostrato che, al contrario di quanto accade nelle turbine ad asse orizzontale, le performance di queste macchine migliorano se posizionate a breve distanza le une dalle altre. In particolare, nelle configurazioni, studiate in questa tesi, due turbine sono allineate perpendicolarmente alla direzione del fluido. Gli assi di rotazione delle macchine sono posti alla distanza di 1 raggio del disco del rotore e le pale sono angolate in modo che le turbine ruotino con velocità angolare opposta. I risultati dello studio dimostrano che le macchine in questa configurazione raggiungono un coefficiente di potenza doppio rispetto al caso di turbina isolata. Lo studio è stato condotto con simulazioni CFD bidimensionali, che riproducevano un dominio aperto. Simulazioni numeriche URANS sono state eseguite con solver del pacchetto di software OpenFOAM. Le analisi sui risultati calcolati, condotte con un codice scritto in Matlab, hanno dimostrato che il campo di moto generato dall’interazione tra il fluido e la macchina è complesso e dominato da strutture vorticose. La geometria delle macchine è stata presa da uno studio sperimentale condotto in un canale ad acqua di piccole dimensioni. Per motivi strutturali il numero di Reynolds caratteristico del flusso è nella regione di transizione. Quindi è stato implementato nelle simulazioni il modello di flusso transazionale 𝑘 𝑘𝑙 𝜔. È stata effettuata un’approfondita analisi sui parametri della griglia per assicurare l’indipendenza della soluzione dalla mesh. I risultati sono stati validati una campagna sperimentale condotta sulla stessa turbina studiata in questa tesi.