CFD modelling of the interaction of a building with vertical axis wind turbine by actuator line method

wind turbines are system to extract energy from the environment. Due to the expansion of the developed cities, vertical axis wind turbine is an adequate alternative not to miss the wind energy in the urban area, since they are independent flow direction, their costs to set and control are lower than the horizontal wind turbine, moreover, noisy quiet is the exclusive advantage for vertical axis wind turbine in a residential area. The most challenging issue is the wind behaviour in close to buildings, which is affected by the interaction of the wind and the structures. The opportunity to model the interaction of the blades with turbulence around building helps understanding and investigate efficient place to set vertical axis wind turbine. This work proposes a CFD solver, based on the Actuator Line Method to model the blade aerodynamics interaction with the wind at close to the building to assesses turbine power coefficient at different location around building with variation of wind coming direction using URANS. The fundamental concept that lies in this approach is that a CFD framework in provides the entire velocity field in the computational domain with a good accuracy: this data must be used to calculate the power coefficient. Some locations are fixed around building and over the roof which are critical in any possible wind direction. The key subject is precise evaluation of the incoming wind velocity on the blades after the interaction with building, computed by Effective Velocity Model, also the correct modelling boundary conditions of ABL plays significant role. The solver is implemented at Politecnico di Milano in the open-source framework OpenFOAM R running on CINECA HPC cluster. Although the solver was written on old version, it is compiled and developed to the new version OpenFOAM-Dev by myself as a part of this work. The investigations lead to specifying high efficiency location to set vertical axis wind turbine. Regarding to the variation incoming wind direction, close to the corner of building on the ground is the most windy area to achieve adequate turbine performance. The numerical results are illustrated by Python to obtain qualified location among the simulations that the turbine performance is in the highest efficiency level. Paraview software helps to demonstrate the interactions and the turbine blades by definition of VolumeForce.

le turbine eoliche sono un sistema per estrarre energia dall'ambiente. Dovuto al espansione delle città sviluppate, turbina eolica ad asse verticale è un adeguato alternativa a non perdere l'energia eolica nell'area urbana, dal momento che lo sono direzione del flusso indipendente, i loro costi di impostazione e controllo sono inferiori rispetto all'orizzontale la turbina eolica, inoltre, la silenziosità è il vantaggio esclusivo del vento ad asse verticale turbina in una zona residenziale. Il problema più impegnativo è il comportamento del vento da vicino agli edifici, che è influenzato dall'interazione del vento e delle strutture. Il opportunità di modellare l'interazione delle pale con la turbolenza attorno all'edificio aiuta a comprendere e studiare un luogo efficiente per impostare la turbina eolica ad asse verticale. Questo lavoro propone un risolutore di CFD, basato sul metodo della linea di attuatori per modellare valutare l'aerodinamica della lama con il vento vicino all'edificio coefficiente di potenza della turbina in diversi punti intorno all'edificio con variazione del vento direzione in arrivo usando URANS. Il concetto fondamentale che sta in questo approccio è che un framework CFD fornisce l'intero campo di velocità nel dominio computazionale con una buona precisione: questi dati devono essere utilizzati per calcolare il coefficiente di potenza. Alcuni le posizioni sono fissate attorno all'edificio e al di sopra del tetto e sono fondamentali in ogni modo possibile la direzione del vento. L'argomento chiave è la valutazione precisa della velocità del vento in entrata su le pale dopo l'interazione con l'edificio, calcolate dal modello di velocità effettiva, anche le corrette condizioni al contorno di modellazione di ABL svolgono un ruolo significativo. Il risolutore è implementato al Politecnico di Milano nel framework open source OpenFOAM R in esecuzione sul cluster CINECA HPC. Sebbene il solutore sia stato scritto sulla vecchia versione, esso è compilato e sviluppato per la nuova versione di OpenFOAM-Dev da solo come parte di questo lavoro. I risultati numerici sono illustrati da Python per ottenere una posizione qualificata tra le simulazioni secondo cui le prestazioni della turbina sono al massimo livello di efficienza. Paraview il software aiuta a dimostrare le interazioni e le pale della turbina per definizione di VolumeForce.