High and low-fidelity calculations of a floating off-shore wind turbine under pitching motion

Renewable sources for electric power generation are increasingly becoming of interest for their capability to replace fossil fuels-fired plants, leading towards sustainable and carbon-neutral energy industry. Among these sources, wind energy brings a relevant contribution reducing carbon dioxide emissions. The development and optimization of the technology related to this field is strongly supported by accurate Computational Fluid Dynamics (CFD) analyses, which help to predict the complex and often unsteady aerodynamic environment over wind turbines and to calculate loads and stresses on the components. Faster simulation tools based on Blade Element Momentum Theory (BEMT) are used for the same aim and they have shown to be quite accurate for conventional Horizontal Axis Wind Turbines (HAWTs) applications. Floating Off-shore Wind Turbines (FOWTs) have a great potential mainly for two reasons: quantity and quality of wind resources in deep water locations are consistently higher when compared to on-shore or near-shore installations; plus the visual pollution is reduced, increasing not only a community approval but also allowing a magnification of the dimensions. However, the additional Degrees Of Freedom (DOFs) allowed by platform and mooring system make the flow past the turbines much more complex and difficult to be predicted. This thesis aims to study, after a validation process with conventional fixed-bottom conditions, the aerodynamic response of NREL 5 MW baseline wind turbine to an imposed pitching motion in near-rated wind conditions. The same operating condition is simulated with the BEMT based tool OpenFast, the commercial CFD code FLUENT with an incompressible flow set-up and the in-house COSA research code which takes into account for compressibility. Results are compared and show that even if BEMT code partially agrees on a qualitative level with the CFD ones, the differences in the most critical situations are quantitatively relevant. The comparison between CFD codes highlights the non-negligible influence of compressibility. A physical analysis of the flow shows the intermittency of tip vortex shedding and the interaction between the rotor and its own wake.

L’interesse nei confronti delle fonti rinnovabili come risorsa per la produzione di potenza elettrica è in aumento. Ciò avviene per la loro capacità di sostituire impianti alimentati a combustibili fossili, aiutando la transizione verso un’industria elettrica più sostenibile. Tra queste risorse, l’energia eolica contribuisce incisivamente alla riduzioni di emissioni di anidride carbonica. Lo sviluppo e l’ottimizzazione della tecnologia legata a quest’ambito sono fortemente sostenuti da accurate analisi compiute tramite simulazioni CFD (Computational Fluid Dynamics), che aiutano a prevedere la complicata e spesso instazionaria aerodinamica delle turbine eoliche e di calcolare carichi e sforzi meccanici agenti sui vari componenti. Metodi di calcolo più rapidi basati sulla teoria BEMT (Blade Element Momentum Theory) hanno dimostrato di funzionare per turbine ad asse orizzontale che operano in condizioni convenzionali. L’utilizzo di turbine installate su piattaforme galleggianti ha un grande potenziale. Prima di tutto la qualità e la quantità della risorsa eolica in mare aperto è maggiore di quella che si trova vicino alla costa o sulla terra ferma; inoltre, l’impatto visivo di queste macchine è ridotto, permettendo la costruzione di turbine di dimensioni maggiori. Tuttavia, i gradi di libertà aggiuntivi permessi dalla piattaforma e dal sistema di ancoraggio rendono l’aerodinamica attorno al rotore molto più complicata e difficile da prevedere. Lo scopo di questa tesi, dopo un processo di validazione in condizioni convenzionali, è di studiare la risposta aerodinamica della turbina virtuale NREL 5 MW ad un moto di beccheggio imposto, con una velocità del vento prossima a quella nominale. Lo stesso regime è simulato con OpenFast (strumento basato sulla teoria BEMT), il software FLUENT (codice CFD impostato per considerare il flusso incomprimibile) e il codice di ricerca COSA, che tiene conto della comprimibilità del flusso. Comparando i risultati, si nota che il codice BEMT concorda solo qualitativamente e parzialmente con i dati CFD. Dal punto di vista quantitativo, le differenze arrivano ad essere rilevanti. Il paragone tra le soluzioni numeriche, evidenzia l’effetto non trascurabile della comprimibilità. Un’analisi fisica del flusso mostra la natura intermittente dei vortici di punta e l’interazione tra il rotore e la sua scia.