Experimental analysis and modelling of wake interaction of floating wind turbines under imposed surge motion

This thesis work proposes some advancements in the study of the wake of offshore floating wind turbines, which revealed a very promising potential for the future of renewable energies. In particular, the focus lies on the dynamic components in the wake generated by the turbine surge motion caused by waves, which may affect the functioning of downstream turbines in a wind farm. The data collected during two experimental campaigns in the wind tunnel of Politecnico di Milano are used; the object of this study was a scaled turbine model subjected to harmonic surge motion. The analysis of hub-height velocities 2.3D downstream allowed to develop a method for reconstructing a two-dimensional section of the wake, both in steady and dynamic conditions, by considering solely the longitudinal component of velocity, demonstrated to be the only relevant one. The reconstruction enables to bypass the laborious procedure of measuring a full grid and was inspired by analytical steady wake models approximating the velocity deficit in the wake with a double-Gaussian profile. The use of a steady model for a dynamic wake condition has been justified by the wake-response being quasi-steady and the wake deficit profile shape being conserved in time. The dynamic wind maps created basing on experimental data are analysed in the frequency domain to seek for a link between the velocity fluctuations in the wake and the turbine motion. This relationship is leveraged to predict the wake response starting from the knowledge of the motion conditions; the methodology seems to be promising, at least for mono-harmonic motion, but at this stage it is not possible to draw conclusions mainly due to the lack of data. The dynamic response of the numerical FAST model of a downwind turbine taking as inflowing wind the 2D dynamic maps is then studied, considering the performance parameters and the along-blade forces and flow angle of attack for each surge condition. The target is to try to relate the response along the blade and the variation of output power and thrust to the imposed surge motion of the upstream turbine and its characteristic wake deficit. Finally, further analyses have been carried out to support future research activities. The double-Gaussian wake model developed by Keane is utilised to estimate the steady wake at whatever distance downwind, in order to predict what would happen if the distance of measurement was increased. Secondly, the importance of the wind tunnel blockage is investigated, finding out it considerably affects measurements, as it limits the wake expansion downstream and causes a speed-up region at the wake extremities.

Questa tesi propone degli sviluppi nello studio della scia di turbine eoliche galleggianti, che rappresentano un’innovazione molto promettente nel campo delle energie rinnovabili. In particolare, la trattazione è incentrata sulla componente dinamica di scia dovuta al movimento traslatorio della turbina causato dal fenomeno ondoso, che può influire sul funzionamento delle turbine a valle in un parco eolico. Vengono usati i dati raccolti durante due campagne sperimentali condotte nella galleria del vento del Politecnico di Milano su un modello in scala di turbina sottoposto a moto armonico traslatorio in direzione longitudinale. I dati delle misure di velocità in scia all'altezza del mozzo, a una distanza di 2.3 diametri, sono stati utilizzati per sviluppare un metodo di ricostruzione bidimensionale di una sezione della scia, sia in condizioni stazionarie sia dinamiche, considerando unicamente la componente longitudinale di velocità, che è stata dimostrata essere l’unica rilevante per lo scopo. La procedura di ricostruzione, che permette di evitare la laboriosa misurazione su un’intera griglia bidimensionale, si è ispirata a modelli analitici di scia stazionaria che adottano un profilo di deficit di velocità a doppia Gaussiana. L’utilizzo di un modello stazionario per casi di scia dinamica è giustificato dalla risposta quasi stazionaria delle velocità in scia, e dalla conservazione nel tempo del profilo di deficit di velocità. Le mappe di vento ricreate sono analizzate nel dominio delle frequenze con lo scopo di identificare un legame tra le componenti armoniche nella scia e il movimento traslatorio della turbina a monte; ciò permetterebbe di prevedere la dinamica della scia a partire dalle condizioni di moto imposte. La metodologia è promettente, perlomeno per moti mono-armonici, ma attualmente non concludente, principalmente a causa di una carenza di dati disponibili. È poi stata studiata la risposta dinamica di un modello numerico di turbina sottovento, implementato in FAST, importando le mappe di vento dinamiche 2D ricreate, in particolare in termini di parametri prestazionali e l’andamento lungo la pala di forze e angolo di attacco. Si è cercato di relazionare la risposta lungo la pala degli output alle condizioni di moto della turbina a monte e al deficit di velocità. Sono state infine condotte analisi di possibile interesse per future attività di ricerca. In primo luogo, è stato implementato al caso in esame, con il fine di stimare l’evoluzione sottovento della scia, il modello analitico stazionario di scia a doppia Gaussiana sviluppato da Keane, con il fine di poter modificare la distanza di misurazione. In secondo luogo, si è cercato di valutare l’influsso del bloccaggio sulle misurazioni; esso è risultato essere rilevante, essendo che limita l’espansione a valle di scia e causa un incremento di velocità alle estremità di scia.