A modified actuator line model for the optimization of wind farm simulations

Hybrid methods, able to combine the accuracy of CFD with the limited computational cost of the BEM method, are more and more spread in the wind energy field. Among them, one of the most used is the ALM (Actuator Line Method). The real geometry of the turbine is not reconstructed inside the computational domain, but its presence is mimicked by a certain number of actuator points (placed along lines representing the blades) on which the forces are applied. These forces are calculated thanks to some tabulated values and then projected into the computational domain by means of a gaussian function, in order to avoid numerical instabilities. From previous studies, an optimal value for the width of the gaussian projection function was found. However, it is very difficult to be reached, especially when entire wind farms are considered, The performances of the simulated machines result to be extremely dependent from the characteristics of the gaussian function used. In 2018 a model based on the Filtered Lifting Line Theory was developed with the aim of solving this problem. The objective of this thesis is to implement such model in SOWFA (a simulating tool developed by NREL), in order to achieve the independence from the gaussian projection function width when wind turbines are simulated. In this way results always as close as possible to the optimal ones (and so to the real ones) could be reached.

I metodi ibridi, i quali vanno a combinare l’accuratezza della CFD con il basso costo computazionale del BEM, sono sempre più utilizzati per la simulazione del funzionamento delle turbine eoliche. Tra questi, uno dei più diffusi è l’ALM (Actuator Line Method). La vera geometria della turbina non viene ricostruita all’interno del dominio, ma la sua presenza è simulata da un certo numero di punti attuatori (disposti lungo linee che rappresentano le pale) su cui delle forze vengono applicate. Queste forze vengono calcolate mediante valori tabulati e vengono poi diffuse nel dominio mediante una funzione gaussiana, al fine di evitare instabilità di tipo numerico. Tramite studi precedenti, un valore ottimale per la dimensione caratteristica della funzione è stato ricavato. Tuttavia esso è difficilmente raggiungibile, soprattutto quando ci si occupa della simulazione di parchi eolici. Le performance delle macchine simulate rimangono dunque estremamente dipendenti dalle caratteristiche della funzione gaussiana utilizzata. Nel 2018 un modello basato sulla Filtered Lifting Line Theory è stato ideato al fine di risolvere questo problema. L’obiettivo di questa tesi è di implementare il modello in SOWFA (uno strumento di simulazione sviluppato da NREL), al fine di poter simulare il funzionamento di turbine eoliche in modo indipendente dalla dimensione caratteristica della funzione utilizzata per diffondere le forze, così da ottenere sempre risultati il più vicino possibile a quelli ottimali (e dunque a quelli reali).