Actuator line LES for a floating offshore wind turbine under prescribed surge motion

Global energy demand is sharply growing year by year. This process is inevitably accompanied by an increase in CO2 emissions introduced into the atmosphere, a phenomenon which must be counteracted by the adoption of renewable energy sources. One of the most widely adopted solutions at global level is wind power, which is able to unleash its full potential through offshore technologies. Nowadays, among the technical solutions available, one of the highest performance-to-cost ratios may be obtained with floating structures. As a matter of fact, the aim of adopting such arrangements is represented by the exploitation of the strong wind velocities rushing in open waters like seas or oceans. The aim of the present thesis work is to take a further step towards the consolidation of these technologies. On the one hand, economies of scale play a paramount role in reduction of costs per unit of power extractable. On the other hand, the evaluation of performances characterising machines with rotor diameters in the order of a hundred meters is a challenging task, especially when the motion of its tower is superimposed over machine aerodynamics. As a matter of fact, the lack in accuracy of modern modelling techniques combined with excessive computational costs pushes towards the development of new methods and tools to predict the behaviour of such promising machines. On the basis of aforementioned reasons, the role of high-fidelity models is crucial. Therefore, the present work characterises a benchmark for the validation of numerical results adopting a new computational tool, the Actuator Line model. The main advantage of this model is represented by its intrinsic time-saving capabilities. Indeed, the solver physically eliminates the blades and places lumped forces in actuator points distributed span-wise over the portion of the mesh which is ideally occupied by the blades. In such a way, pure hexahedral cells may be adopted within the mesh, without the requirement to actually shape the turbine itself inside of the domain. By virtue of this method, the simulation of a complex problem like the treatment of surge motion affecting a Floating Offshore Wind Turbine may be drastically simplified. Therefore, the project aims at obtaining a set of valid conditions in order to run not only RANS cases, but also Large Eddy Simulations. In fact, the former may be valid enough for the evaluation of whole machine performances, yet the latter represents a useful measure to consider the impact of the turbine with respect to its surrounding environment, properly suitable in the study of wind turbine farms.

La domanda di energia a livello mondiale sta aumentando a un ritmo vertiginoso anno dopo anno. Questo processo risulta inevitabilmente accompagnato da un aumento di emissioni di CO2 introdotte in atmosfera, fenomeno che deve essere contrastato con l’adozione di fonti di energia rinnovabile. Tra di esse, una delle soluzioni più ampiamente adottate a livello globale è rappresentata dall’eolico, il quale sprigiona il proprio massimo potenziale grazie a tecnologie offshore. Attualmente, tra le soluzioni tecniche disponibili, è possibile ottenere uno dei rapporti rendimento/costo più elevati tramite strutture galleggianti situate al largo dalle coste, al fine di sfruttare i forti venti sprigionati in acque libere come mari o oceani. Lo scopo del presente progetto di tesi è compiere un ulteriore passo verso la consolidazione di queste tecnologie. Da un lato, le economie di scala svolgono un ruolo fondamentale nella riduzione dei costi per unità di potenza estraibile. D’altro canto, la valutazione delle prestazioni di macchine caratterizzate da un rotore nell’ordine dei cento metri è un compito sfidante, in particolar modo quando il movimento della torre è sovrapposto all’aerodinamica della macchina. Di fatto, la carenza di accuratezza nelle moderne tecniche di modellizzazione, combinata a costi di calcolo eccessivi, ha reso necessario trovare nuovi metodi per prevedere il comportamento di queste promettenti turbine. Per le ragioni di cui sopra, il ruolo degli strumenti high-fidelity risulta cruciale. Pertanto, il presente lavoro definisce un riferimento per la convalida dei risultati numerici adottando un nuovo strumento di calcolo, il modello Actuator Line. Il principale vantaggio di questo modello è rappresentato dalle sue capacità intrinseche di risparmio di risorse temporali. Difatti, il solver rimuove la presenza fisica della pala e impone forze concentrate in punti attuatori distribuiti sulla porzione della griglia che è idealmente occupata dalle pale. In tal modo, all’interno della mesh possono essere adottate celle puramente esaedriche, senza l’obbligo di modellare effettivamente la turbina stessa all’interno del dominio. Da questo punto di vista, la simulazione di un problema complesso come la trattazione del moto di surge sulla Turbina Eolica Offshore Flottante può essere drasticamente semplificato. Pertanto, il progetto mira ad ottenere una serie di condizioni valide per gestire non solo le simulazioni RANS, ma anche i casi LES. Per l’appunto, le prime risultano essere sufficientemente valide per la valutazione delle prestazioni dell’intera macchina, tuttavia i secondi rappresentano una misura utile per valutare l’impatto della turbina sull’ambiente circostante, condizione adatta allo studio di parchi eolici.