An experimental, analytical and numerical study of FOWT's unsteady aerodynamics

FOWTs represent a new frontier for the wind energy field. This technology has the potential of solving most of the issues that have hampered the spreading of OWTs worldwide, signing a breakthrough for the whole market. Being at an infant development stage, the LCOE of these machines is still high and several challenges have to be faced to make the investment attractive. A critical aspect is the control of such devices, owing to the complexity that comes from the coupling of the aerodynamic and hydrodynamic worlds. Lacking a rigid foundation the turbines undergo large displacements during normal operation, generating relevant unsteady loads that affect both their fatigue life and stability. A deep knowledge of those phenomena is required to design effective controllers. Due to the high costs associated with experimental tests, numerical codes play a major role in the design of FOWTs. Then, a great need of validation and comparison of unsteady results has arisen. In parallel to that, also the development simpler models for preliminary controller design is a must [17]. The scope of this Thesis was defined trying to meet those needs. The work is focused on the unsteady aerodynamic response of the thrust force to an imposed harmonic surge motion. The thrust was considered because of its leading role in FOWTs’ dynamics. Such a vertical approach was justified by the will of adding a solid brick in the unsteady aerodynamic knowledge framework. The grounds for this work were laid by the UNAFLOW project [11], from which part of the analysis was inherited. However, a complete revision of all the results is hereby presented. First, the wind tunnel tests were verified and validated estimating the impact of tower’s flexibility; an alternative inertia subtraction procedure was indeed proposed, in order to increase the accuracy of the measurements (Chapter 2). In Chapter 3 the detailed set up of the Actuator Line simulations performed by the Author is described. The full comparison among numerical models, revised experimental results and quasi-static theory is reported in Chapter 4. The test matrix was taken from the UNAFLOW campaign, but the codes’ results were all updated. Thanks to the cooperation of the partners, the joint comparison comprehended: a full CFD model (from USTUTT); BEM and AWSM codes (from TNO); another free vortex code from Corniglion (EDF); Author’s AL simulations. A very good agreement among experimental tests, CFD, TNO’s results and quasi-static model was observed. The right trends were also captured by FVW and AL codes, although with a systematic error in the thrust amplitude that reflected the mismatch found in the steady condition. To investigate the effects of rotor unsteadiness (dynamic inflow), it was decided to consider also higher frequency cases in Chapter 5. Both FVW and AL spotted two unsteady trends, characterizing the thrust oscillation component at the surge frequency: an amplitude reduction effect and a phase delay. Both showed a quadratic trend with the reduced frequency. Also a simple extension of the quasi-static model was proposed, to account for these phenomena in preliminar design of a FOWT’s controller. The work performed for this Thesis is leading to at least one joint publication with the partners involved.

L’eolico flottante potrebbe segnare un punto di svolta nell’intero settore offshore. Tale tecnologia avrebbe infatti il potenziale di risolvere molti dei problemi che hanno limitato l’interesse nelle OWT a pochi paesi del mondo. Nonostante le prove preliminari siano state superate, lo sviluppo si trova ancora in una fase iniziale, in cui gli alti costi d’investimento tengono questa soluzione lontana dall’essere economicamente competitiva. Per contribuire all’abbattimento dei costi è necessario, tra le altre cose, investire nella ricerca sull’aerodinamica non stazionaria, acquisendo le conoscenze necessarie alla progettazione delle strategie di controllo. In assenza di una sottostruttura rigida infatti, le turbine sono soggette ad ampi spostamenti durante il loro normale funzionamento. Questi spostamenti causano una variazione dei carichi, in particolar modo aerodinamici, che potrebbero comportare problemi di stabilità oltre che la riduzione della vita a fatica. Un buon controllore dovrebbe garantire la stabilità, possibilmente riducendo anche le sollecitazioni tempo-varianti. Pertanto, non si può fare a meno di una conoscenza approfondita del comportamento non stazionario. Allo stesso tempo c’è una forte necessità di validazione dei codici numerici necessari alla progettazione, dato che i dati sperimentali non sono ottenibili a basso costo. Tuttavia, oltre che dei codici aerodinamici più avanzati, i controllisti hanno bisogno anche di modelli semplici in grado di riprodurre il comportamento globale della macchina [17], su cui basare i conti preliminari. Con questa Tesi si è cercato di venire il più possibile incontro a tali esigenze. Il lavoro è completamente focalizzato sullo studio della risposta non stazionaria della forza di thurst ad uno spostamento armonico del rotore, assunto imposto, nella direzione del vento (surge). La scelta è stata dettata dall’importanza che questa forza ha nella dinamica di una FOWT e dalla volontà di ottenere una descrizione sufficientemente approfondita del suo comportamento, contribuendo così all’incremento della consapevolezza aerodinamica. La Tesi è ampiamente basata sul lavoro svolto nel progetto UNAFLOW [11]. Tuttavia, una completa revisione è stata portata a termine e le differenze rispetto al lavoro originale sono notevoli. Per prima cosa, i risultati delle prove in galleria del vento sono stati rivisti e validati, verificando l’influenza della flessibilità della torre (Capitolo 2). In quest’ottica anche una nuova procedura per la sottrazione dell’inerzia dai dati sperimentali è stata sviluppata. Nel Capitolo 3 invece, il set up delle simulazioni svolte col codice Actuator Line è puntualmente descritto. Il nuovo paragone tra dati numerici, risultati sperimentali corretti e modello quasi-statico è riportato nel Capitolo 4. Grazie al contributo di alcuni partner, diversi modelli hanno preso parte al confronto: un modello CFD completo (da USTUTT); un modello BEM e un modello ai vortici AWSM (entrambi da TNO); un altro modello ai vortici (da Corniglion di EDF); il modello AL utilizzato dall’Autore. Il paragone ha rivelato un ottimo accordo tra i risultati sperimentali, la CFD, i modelli di TNO e la teoria quasi-statica. Anche gli altri due codici hanno previsto gli stessi trend, ma con la medesima discrepanza rispetto al valore di thrust del caso statico. Data l’assenza di comportamenti non stazionari nel range di frequenze di UNAFLOW, nel Capitolo 5 sono stati considerati casi con frequenze maggiori per verificare l’effetto del dynamic inflow sulla risposta al surge. Entrambi i codici utilizzati hanno identificato due effetti dinamici sulla componente dell’oscillazione di thrust alla frequenza di surge: una riduzione dell’ampiezza ed un ritardo di fase. Entrambi i fenomeni hanno mostrato una dipendenza quadratica dalla frequenza ridotta. In ottemperanza agli obiettivi descritti, un’estensione del modello quasi-statico è stata sviluppata, per permettere di considerare questi effetti in maniera semplice nella progettazione di un controllore. Il lavoro svolto per questa Tesi sarà la base di almeno una pubblicazione su rivista internazionale.