Actuator line modeling of FOWT unsteady aerodynamics under surge and pitch motions

The goal of this thesis work is the validation of the Computational Fluid-Dynamics code which implements an Actuator Line model for the simulation of wind turbine aerodynamics, here applied to floating installations. The flow around a wind turbine rotor is remarkably complex per se due to the large number of physical phenomena occurring: in case of a floating platform additional degrees of freedom have to be considered, which bring additional complexity to the analysis. In particular, the solution of the interactions between blades and their own wake is beyond the capabilities of most diffused engineering models based on BEM theory and empirical correction factors. Conversely, the actuator-line simulation tool can provide realistic estimates of rotor loads and performance as well as a proper wake modeling, resulting ideal for this kind of application. This work has been developed in the frame of the research project OC6 Phase III (Offshore Code Comparison Collaboration, Continuation, with Correlation and unCertainty) whose objective is to validate and compare different codes that simulate the aerodynamic effects originated by surge and pitch turbine platform motion. Starting from an already available in-house code for the application of an Actuator Line model, new motion laws have been implemented to define positions and velocities of turbine blades during surge and pitch, that have been verified with respect to analytical solutions for many combinations of rigid movements. After having ascertained the accuracy of the novel implementations, simulations have been run for multiple load cases, which differ both in amplitude and frequency of oscillation, and results have been compared to outcomes coming from the respective experimental campaign. The comparisons included integral quantities of the load acting on the rotor and wake measurements as well. Results outlined that within certain limits, a linear correlation between loads and amplitudes is identifiable for surge motion cases; on the other hand, concerning the pitch motions, the research is still on going, since only two simulations have been analysed. Also, additional degrees of unsteadiness have been added to surge cases in order to define a validity threshold for the linear relationships found. Finally, the outcomes of numerical simulations regarding the flow motion field have been compared to high-fidelity experimental PIV measurements. In this context, it has been verified the capability of the AL code to estimate the tip vortices formation, even though with some limitation due to the mesh refinement issues in the rotor region.

Lo scopo di questo lavoro di tesi è la validazione del codice di fluidodinamica computazionale atto ad implementare un Modello a Linea Attuatrice per la simulazione dell’aerodinamica delle turbine eoliche, nella fattispecie rivolto ad applicazioni flottanti. La descrizione del flusso che attraversa una turbina eolica e già in sé notevolmente complicato a causa del gran numero di fenomeni fisici che si sviluppano: nel caso di installazioni su piattaforme galleggianti devono inoltre essere considerati ulteriori gradi di libertà, che aggiungono altri livelli difficoltà a queste analisi. In particolare, la soluzione delle interazioni tra le pale del rotore e la loro stessa scia si rivela essere oltre le capacità della maggior parte dei modelli ingegneristici basati sulla teoria BEM e correzioni empiriche. Questo lavoro è stato sviluppato in parallelo con il programma di ricerca OC6 phase III (Offshore Code Comparison Collaboration, Continuation, with Correlation and unCertainty) il cui obiettivo è stato la validazione e comparazione di differenti codici per la simulazione degli effetti aerodinamici derivanti dall’imposizione dei moti di surge e pitch. Partendo da un codice sviluppato in precedenza internamente al Politecnico per l’applicazione del modello a linea attuatrice, sono state implementate nuove leggi di moto per definire posizioni e velocità delle pale durante i moti di surge e pitch, i quali sono poi stati verificati per diverse combinazioni di moti rigidi. Dopo aver garantito l’accuratezza delle nuove implementazioni, sono stati simulati i casi secondo input proposti da diverse casistiche, variabili sia in ampiezza che per frequenza di oscillazione, e i risultati sono stati comparati a quelli ottenuti dalla rispettiva campagna sperimentale. Il confronto ha incluso sia grandezze integrali agenti sul rotore che misurazioni quantità di scia. I risultati hanno evidenziato come, entro certi limiti, è possibile identificare un comportamento lineare tra i carichi rilevati e le ampiezze di movimento imposte nei casi di surge; per quanto riguarda il moto di pitch invece la ricerca è ancora in corso, dato che finora sono state analizzate in modo esaustivo solamente due casistiche. In aggiunta per quanto concerne i casi di surge si sono valutati anche altri parametri di non stazionarietà, con l’obiettivo di definire una soglia limite all’estrapolazione lineare trovata. Infine i risultati ottenuti sono stati comparati ai dati provenienti da misurazioni PIV ad alta precisione. In questo contesto è stato possibile verificare come il codice sia in grado di valutare la formazione dei vortici di estremità, seppur con qualche limitazione legata al raffinamento della griglia di calcolo nella zona del rotore.