Investigation of the dynamic models of OpenFAST for the simulation of floating offshore wind turbines under platform motion

The issue of climate change is leading to profound transformations in the energy sector, with wind energy set to play a pivotal role towards a carbon-neutral future. Particularly, the potential of offshore wind energy in Europe has increased the efforts in the research of floating technologies, driving to the development of different platform solutions. However, the inherent unsteadiness of these floating structures requires thorough analyses on the loads exerted on the turbine. Given the limited availability of real-life experimentation of the turbines subjected to the sea movements, tools capable of effectively simulate these conditions are of great importance. This thesis focuses on the utilization of OpenFAST to investigate its reliability and capability in replicating diverse conditions. The initial segment of this work considers pitch platform motion cases associated to the NREL 5MW baseline turbine. This examination shows the improvements of the code and its validity compared to results obtained with computational fluid dynamics methods. While different models concerning dynamic wake and stall display consistent trends, notable variability in the extreme load points of the motion cycle has suggested a deeper analysis of pertinent parameters. The second part of this study expands the application of OpenFAST by implementing the scaled turbine from the UNAFLOW experimental campaigns in various motion cases. The tool effectively replicates the experimental conditions, yielding results that closely align with anticipated outcomes from the OC6 project. Furthermore, these cases exhibit a close agreement among the models in computing the responses, which are characterized by substantial loads and power oscillations.

Il problema del cambiamento climatico sta conducendo a profonde trasformazioni nel settore energetico, con l’energia eolica destinata a svolgere un ruolo centrale verso un futuro a zero impatto climatico. In particolare, il potenziale dell’energia eolica offshore in Europa ha incrementato gli sforzi nella ricerca della tecnologia, portando allo sviluppo di diverse soluzioni di piattaforme galleggianti. Tuttavia, la non stazionarietà intrinseca di queste strutture richiede analisi approfondite sui carichi esercitati sulla turbina. Date le limitate disponibilità di sperimentazione delle turbine soggette ai movimenti del mare, strumenti capaci di simulare efficacemente queste condizioni rivestono grande importanza. Questa tesi si concentra sull’utilizzo di OpenFAST per investigare la sua affidabilità e capacità di replicare diverse condizioni. La parte iniziale di questo lavoro esamina casi di moto di pitch della piattaforma, associati alla NREL 5 MW baseline turbine. Questa analisi sottolinea i miglioramenti del codice e la sua validità rispetto ai risultati ottenuti con metodi di fluidodinamica computazionale. Mentre i diversi modelli riguardanti scia instazionaria e stallo dinamico mostrano tendenze similari, una notevole variabilità nei punti di carico estremo del ciclo di moto ha suggerito un’analisi più approfondita dei parametri interessanti. La seconda parte di questo studio espande l’applicazione di OpenFAST attraverso l’implementazione della turbina in scala delle campagne sperimentali UNAFLOW, in vari casi di moto. Lo strumento replica efficacemente le condizioni sperimentali, producendo risultati che si allineano correttamente agli esiti previsti dal progetto OC6. Inoltre, questi casi presentano concordanza tra i modelli nel calcolo delle risposte, le quali sono caratterizzate da sostanziali oscillazioni dei carichi e della potenza.