aeroacoustic signature of a wind turbine rotor in icing conditions

Wind energy installations are rising in recent years, representing one of the major renewable energy source. Aeroacoustics and icing of wind turbine rotors represent open, inter-dependent engineering challenges in this field. The present thesis investigates how recent computational methods perform in predicting wind turbine aerodynamic noise, and how the latter is affected by ice formation. This objective is pursued through a twofold approach, based on frequency and time domain methods. The semi-empirical frequency domain approach is followed by means of the open-source BEM aeroelastic solver OpenFAST. In this framework, a methodology to compute integral boundary layer quantities through CFD simulations is developed and deployed to enable the treatment of complex ice shapes. The time domain approach is supported by acoustic analogies. An in-house implementation of the Ffowcs Williams-Hawkings equation in the open-source CFD solver SU2 enables an aeroacoustic analysis obtained from a steady RANS solution. To this aim, a three-dimensional simplified rotor model is developed to obtain a computational grid. These two paths are explored separately to study different aspects of the same problem, applied to the onshore NREL 5MW reference wind turbine model. The results showed that semi-empirical methods are able to detect ice presence through noise spectra, when proper boundary layer data are fed into the BEM solver. However, their accuracy is limited to specific geometries and flow conditions. Time domain methods revealed that a steady RANS solution is capable of fairly reproducing the rotor loads and the associated aeroacoustics. The icing on the blade is hardly identified from acoustic pressure signals, as the FWH code lacks a proper treatment of quadrupole noise due to turbulence.

Negli ultimi anni è stata registrata una forte crescita delle installazioni di turbine eoliche, che costituiscono una delle maggiori fonti di energia rinnovabile. In questo contesto, l’aeroacustica e la formazione di ghiaccio sui rotori eolici rappresentano due sfide ingegneristiche inter-dipendenti e ancora aperte a evoluzioni. Il lavoro di tesi qui presentato esamina come alcuni metodi numerici sviluppati per questo tipo di applicazioni si comportano nella previsione e nella quantificazione del rumore aerodinamico, e come quest’ultimo sia influenzato dalla presenza di ghiaccio sulle pale. Tale obiettivo è perseguito tramite un approccio duale, che si basa su metodi nel dominio della frequenza e del tempo. Per l’analisi semi-empirica in frequenza è stato utilizzato il solutore BEM aeroelastico OpenFAST. Inoltre, è stato sviluppato un metodo di calcolo delle proprietà integrali di strato limite su profili di pala puliti e con ghiaccio, attraverso simulazioni CFD. L’analisi nel dominio del tempo è invece supportata dall’analogia acustica. Sfruttando l’implementazione dell’equazione di Ffowcs Williams-Hawkings nel solutore CFD open-source SU2, è stato possibile effettuare un’analisi aeroacustica a partire dagli output di una simulazione RANS stazionaria. Si è reso quindi necessario lo sviluppo di un modello 3D semplificato di una turbina eolica su cui basare una griglia di calcolo. I due metodi sopra citati sono stati investigati separatamente per studiare diversi aspetti dello stesso problema, applicato alla turbina eolica di riferimento onshore NREL 5MW. I risultati hanno evidenziato che l’approccio semi-empirico in frequenza è in grado di registrare una differenza di emissione sonora negli spettri quando il ghiaccio è presente sulle pale, previo opportuno calcolo dei dati sugli spessori di strato limite da fornire in input al solutore BEM. Tuttavia, tale metodo è limitato a specifiche geometrie e condizioni di flusso. Dal punto di vista del dominio nel tempo, lo studio ha rivelato che una soluzione RANS stazionaria fornisce una buona riproduzione dei carichi e della relativa aeroacustica a basse frequenze, ma non è in grado di rilevare in maniera soddisfacente la formazione di ghiaccio, essendo condizionata da una mancata trattazione del quadrupolo, sorgente associata ad effetti di turbolenza.