Multi-fidelity unsteady rotor aerodynamics of multi-scale horizontal and Vertical Axis Wind Turbines

Numerical modelling plays a crucial role in evaluating new wind turbine concepts, predicting their performance, and studying their wake behaviour. These tools are used for designing, optimizing, operating, and maintaining wind turbines. In order to fine-tune and validate numerical tools, they are compared with experiments or cross-validated with other numerical tools that have diverse levels of accuracy. Experimental validation can be very expensive for full-scale turbines, and downscaled models tested in wind tunnels and open fields are not always representative of realistic operating conditions due to scaling factors. To address these challenges, numerical models with multiple levels of accuracy, called multi-fidelity models, are used to pursue the design, validation, and optimization while managing the necessary level of accuracy and computational resources. Numerical models are generally categorized as: low-fidelity, using Blade Element Momentum BEM models; medium-fidelity, using Free-Vortex Wake (FVW) and Actuator Line Models (ALM) and high-fidelity, consisting of Computational Fluid Dynamics (CFD) codes. The first part of the research focuses on improving the modelling of unsteady aerodynamics of Vertical Axis Wind Turbines (VAWTs) by developing a novel 3D BEM model. The standard BEM model is enhanced with high-order corrections to account for dynamic stall, flow curvature, tip losses, and strut passive effects. The model is tested and compared to experimental data for H-shaped and Troposkein rotors, at different operating conditions and Reynolds numbers. The Tropokien DeepWind demonstrator is also modelled and verified in both upright and tilted configurations. Additionally, the model's application to small-scale VAWTs is studied, including sensitivity analysis on airfoil shape and inflow velocity profiles. The second part of the research is dedicated to developing an Actuator Line Model (ALM) for Floating Offshore Wind Turbines (FOWTs), as there are few validated ALM codes documented in the literature. The in-house ALM is coupled with an URANS solver from OpenFoam and is found to be particularly suitable for modelling FOWT aerodynamics, considering surge and pitch platform motions, thanks to extensive experimental validation in the wind tunnel of Politecnico di Milano during the OC6 Phase III project of the IEA Tsk 30. A novel formulation of vorticity-based methods is also developed to compute ALM velocities more accurately, which helps to determine the angles of attack (AoA) in FOWTs. The wake structure is investigated through comparison with wake measurements and Particle Image Velocimetry (PIV). The research also aims to provide a benchmark for multi-fidelity tools by extensively validating low and medium fidelity codes. The findings of this research will outline possible future works, such as the 3D BEM model for fast computational optimization of VAWTs and the ALM's potential application to floating wind farm modelling with Large Eddy Simulation (LES) to investigate wake interaction and mitigation for the optimal design of the control strategies.

La modellizzazione numerica svolge un ruolo cruciale nella valutazione di nuovi concept di turbine eoliche, nella previsione delle loro prestazioni e nello studio del loro comportamento di scia. Questi strumenti sono utilizzati per progettare, ottimizzare, e gestire l'operazione e manutenzione delle turbine eoliche. Al fine di perfezionare e validare gli strumenti numerici, essi vengono confrontati con esperimenti o convalidati comparando altri strumenti numerici con diversi livelli di accuratezza. La validazione sperimentale può essere molto costosa per le turbine a grandezza naturale, e i modelli testati in gallerie del vento e campi aperti non sempre rappresentano le condizioni di funzionamento realistiche a causa dei fattori di scala. Per affrontare queste sfide, vengono utilizzati modelli numerici con più livelli di accuratezza, chiamati modelli multi-fidelity, per perseguire la progettazione, la convalida e l'ottimizzazione gestendo il necessario livello di accuratezza e risorse computazionali. I modelli numerici sono generalmente classificati come: low-fidelity, utilizzando modelli di Blade Elemnt Momentum (BEM); medium-fidelity, utilizzando modelli di Free-Vortex Wake (FVW) e Actuator Line Model (ALM) e high-fidelity, costituiti da codici di Computational Fluid Dynamics (CFD). La prima parte della ricerca si concentra sul miglioramento della modellizzazione dell'aerodinamica instazionaria delle turbine eoliche ad asse verticale (VAWTs) sviluppando un nuovo modello BEM tridimensionale. Il modello BEM standard viene migliorato con correzioni ad alta fedeltà per tener conto dello stallo dinamico, della curvatura del flusso, delle perdite alle estremità e degli effetti passivi dei supporti. Il modello viene testato e confrontato con dati sperimentali per i rotori a forma di H e Troposkien, a diverse condizioni di funzionamento e numeri di Reynolds. Viene anche modellato e verificato il dimostratore Tropokien DeepWind sia in configurazione verticale che inclinata. Inoltre, viene studiata l'applicazione del modello alle VAWTs di piccola scala, includendo un'analisi di sensibilità sulla forma del profilo alare e sui profili di velocità del vento in ingresso. La seconda parte della ricerca è dedicata allo sviluppo di un modello di linea di attuatori (ALM) per le turbine eoliche galleggianti offshore (FOWT), in quanto sono disponibili limitati codici ALM validati nella letteratura. L'ALM interno, accoppiato con un risolutore URANS di OpenFoam, risulta particolarmente adatto per modellare l'aerodinamica di FOWT, considerando i movimenti della piattaforma di surge e pitch, grazie alla vasta validazione sperimentale in galleria del vento del Politecnico di Milano durante il progetto OC6 Phase III del IEA Tsk 30. Una nuova formulazione di metodi basati sulla vorticità è stata inoltre sviluppata per calcolare le velocità ALM in modo più accurato, il che aiuta a determinare gli angoli di attacco (AoA) nelle FOWT. La struttura della scia viene investigata attraverso il confronto con le misurazioni in scia e PIV. La ricerca mira anche a fornire un punto di riferimento per gli strumenti multi-fidelity mediante la validazione estensiva di codici a bassa e media fedeltà. I risultati di questa ricerca delineano possibili lavori futuri, come il modello 3D BEM per l'ottimizzazione computazionale rapida di VAWT e l'applicazione potenziale di ALM alla modellizzazione di parchi eolici galleggianti con Large Eddy Simulation (LES) per studiare la mitigazione della scia per la progettazione ottimale delle strategie di controllo.