Scale-resolving simulation method applied to wind turbine airfoil equipped with cropped-delta vane vortex generators

Global energetic sector has witnessed significant rise in exploatation of renewable energy sources in the last thirty years, where a notable portion occupies wind energy domain. The trend continues to grow, implying further developments in wind turbine design that is most evidently displayed by wind turbine dimensions, i.e. blade length. As blades become longer, maintaining the same aerodynamic performance in turbine root section becomes more challenging. Consequently, drastic attention is directed towards airfoil design, the study of flow control devices and corresponding CFD simulation tools. Most basic division of flow control devices is passive and active. While the latter enables highly appealing performance improvements, the need for energy source and controlling mechanisms poses an unavoidable drawback. In the field of passive control devices, arrays of vortex generators often represent the most economical option and extensive theoretical background is provided to give an insight of underlying physical mechanisms. Consequently, it is possible to determine the optimal choice in terms of geometry, dimensions and positioning of vortex generators on an aerodynamic surface. CFD simulation is conducted for wind turbine airfoil DU97W300 equipped with cropped delta vortex generators in counter rotating, common downwash orientation. Simulation is performed for higher angles of attack, at Reynolds number 2 000 000, in condition of free boundary layer transition. Employed turbulence solver is Shielded Detached Eddy Simulation, a member of Scale Resolving Simulation methods, in combination with k omega SST and Transition SST models. Comparison of results from different turbulence models and span sensitivity analysis is carried out, before composing the resulting lift and drag curves. Postprocessing is mostly focused on flow differences between common downwash cropped delta array and previously simulated common upwash delta vortex generators, proving the superiority of the former and justifying its choice as optimal configuration.

Il settore energetico globale ha visto un aumento significativo nello sfruttamento delle fonti energetiche rinnovabili negli ultimi trenta anni, dove una parte notevole occupa il dominio della energia eolica. La tendenza continua a crescere, implicando ulteriori sviluppi nella progettazione delle turbine eoliche, che e piu evidentemente visualizzato dalle dimensioni delle turbine eoliche, ovvero dalla lunghezza delle pale. Man mano che le pale si allungano, mantenere le stesse prestazioni aerodinamiche nella sezione della radice della turbina diventa piu impegnativo. Di conseguenza, una drastica attenzione e rivolta alla progettazione del profilo aerodinamico, allo studio dei dispositivi di controllo del flusso e ai corrispondenti strumenti di simulazione CFD. La divisione piu elementare dei dispositivi di controllo del flusso e passiva e attiva. Mentre questo ultimo consente miglioramenti delle prestazioni molto interessanti, la necessita di fonti di energia e meccanismi di controllo rappresenta un inevitabile svantaggio. Nel campo dei dispositivi di controllo passivo, gli array di generatori di vortice rappresentano spesso le opzione piu economica e viene fornito un ampio background teorico per dare una idea dei meccanismi fisici sottostanti. Di conseguenza, e possibile determinare la scelta ottimale in termini di geometria, dimensioni e posizionamento dei generatori di vortice su una superficie aerodinamica. La simulazione CFD e condotta per il profilo alare della turbina eolica DU97W300 dotato di generatori di vortice delta ritagliati in orientamento controrotante, comune downwash. La simulazione viene eseguita per angoli di attacco piu elevati, al numero di Reynolds 2 000 000, in condizione di transizione libera dello strato limite. Il solutore di turbolenze impiegato e Shielded Detached Eddy Simulation, un membro dei metodi Scale Resolving Simulation, in combinazione con i modelli k omega SST e Transition SST. Viene effettuato il confronto dei risultati di diversi modelli di turbolenza e le analisi della sensibilità allo span, prima di comporre le curve di portanza e resistenza risultanti. La post elaborazione si concentra principalmente sulle differenze di flusso tra generatori di vortici delta comuni downwash ritagliati e precedentemente simulati comuni generatori di vortici delta upwash, dimostrando la superiorità del primo e giustificando la sua scelta come configurazione ottimale.