Aerodynamics over complex terrains and its effects on wind farm power production : an LES study

This thesis concerns about flows over complex terrains and their interaction with wind farm. The study can be divided in two parts: the first one is mainly focused on simulations on a sinusoidal tridimensional roughness choosen to model the complex terrain varying the streamwise and spanwise wavelength of the geometry. Six different cases have been analyzed at low and high Reynolds number in order to characterize the flow. Simulations at high Reynolds number are then been used as precursor for LES simulations on a wind farm. Results show mean velocity profiles, stresses and 2D correlations. The second part analyzes the interaction of the flow coming from the precursor with a simple wind farm. Results are analyzed in terms of power recovery of the last rows of the wind farm and correlations of streamwise velocity.

Questa tesi è nata grazie ad una collaborazione con Stefano Leonardi, Professore ordinario presso "The University Of Texas at Dallas". Sia lui che il Professor Quadrio hanno pubblicato negli anni molti articoli su roughness e wall turbulence: questo comune interesse è il filo conduttore del lavoro. In particolare, gli obiettivi della tesi sono approfondire la conoscienza del flusso su una parete con roughness tridimensionale e studiare l'interazione di un flusso proveniente dalla roughness con una wind farm. La decisione di estendere l'analisi con le simulazioni sulla wind farm è motivata dall'esperienza pluriennale del Professor Leonardi nel campo della wind energy. Queste simulazioni sono inoltre effettuate con lo stesso codice utilizzato per le simulazioni sulla roughness. Il lavoro può essere suddiviso in due parti: la prima si concentra su simulazioni di una parete con roughness tridimensionale sinusoidale. Sono stati analizzati sei diversi casi con tre differenti lunghezze d'onda della geometria nella direzione longitudinale al flusso e due diverse nella direzione traversale. Inoltre, gli stessi casi sono stati testati a differente numero di Reynolds. Sono stati calcolati i profili di velocità mediati nel tempo e nello spazio, la roughness function, il coefficiente di resistenza e gli sforzi turbolenti. Per le simulazioni ad alto Reynolds, sono state impiegate Large Eddy Simulations con il modello di Smagorinsky per modellare gli sforzi sottogriglia. Per queste, sono riportati profili di velocità e correlazioni a 2 punti della velocità in direzione longitudinale al flusso. Nella seconda parte, le simulazioni LES sulla wind farm sono state effettuate con l'introduzione del modello a disco attuatore rotante per simulare il rotore con le forze di volume generate in funzione del flusso incidente sul rotore stesso. Nacelle e torre sono modellate come corpi attraverso il metodo dei contorni immersi. Le simulazioni ad alto Reynolds sulla roughness sono state utilizzate come inlet per le wind farm in modo da verificare l'influenza del flusso sul potenza prodotta dalle pale eoliche. Inoltre sono state verificate le correlazioni a 2 punti della velocità longitudinale in varie posizioni all'interno della wind farm.