Novel techniques for actuator line modelling of floating offshore wind turbines

The main goal of this thesis work is the formulation and validation of three different versions of an in-house CFD solver. The code, consisting in a formulation of the Actuator Line Model (ALM) implemented into the OpenFOAM software, is suitable for floating offshore wind turbines applications. The new formulation proposes three new velocity sampling methods needed to provide an accurate estimate of the angle of attack and therefore of the blade loads. The aim is to sample, directly from the CFD flow field, the real velocity perceived by the blades excluding the bound circulation effect associated to lift production. The velocity is sampled close to the actuator line point, where the body-force is applied, but far enough not to be affected by oscillations and disturbances of a numerical nature. Before reaching the final configuration of the proposed methods, a detailed analysis is conducted using different sampling techniques to identify the main problems. From the resolution of the difficulties encountered, the optimal parameters of the sampling geometry, of the force distribution and the most adequate level of mesh refinement were defined. The three strategies are motivated by different physical reasons coming from a detailed flow field analysis. The validation is achieved through a comparison with experiments performed on a scaled-down wind turbine laboratory model, operating under steady wind and floating conditions, at the Wind Tunnel of the Politecnico di Milano. Initially, each method is assessed in the bottom-fixed working condition and then is applied in presence of surge and pitching platform motions. The results of the three versions of the ALM code are found to be in excellent agreement with experimental data in fixed-bottom, surge and pitch conditions. The work proves that the new models enable to estimate reliable velocity with physical span-wise trends coherent with the real force distribution. The new methods appear to be a valid alternative to ALM simulation tools already tested in literature, thanks to their ease of implementation and the physical motivation on which they are based.

L’obiettivo principale di questa tesi è la formulazione e validazione di tre diverse versioni di un codice CFD interno. Il codice, che consiste in una formulazione del modello Linea Attuatrice (ALM) e che è implementato nel software OpenFoam, è adatto alle turbine eoliche offshore flottanti. La nuova formulazione propone tre nuovi metodi di campionamento della velocità, necessari per fornire una stima accurata dell’angolo di attacco e quindi dei carichi palari. Lo scopo è campionare, direttamente dal campo di moto CFD, la reale velocità percepita dalle pale escludendo l’effetto della circolazione associata alla generazione di portanza. La velocità viene campionata vicino al punto attuatore, dove è applicata la forza di volume, ma abbastanza distante per non risentire di oscillazioni o disturbi di natura numerica. Prima di raggiungere la configurazione finale dei metodi proposti, è stata realizzata un’analisi dettagliata su diverse tecniche di campionamento identificandone i principali problemi. Dalla risoluzione delle difficoltà incontrate, sono stati definiti i parametri ottimi della geometria di campionamento, della distribuzione della forza e il livello più adeguato di infittimento della mesh. Le tre strategie si basano su motivazioni fisiche derivanti da un’analisi dettagliata del campo di moto. I metodi sono stati validati confrontandoli con esperimenti realizzati su un modello scalato di turbina, operante in condizioni stabili e flottanti, presso la Galleria del Vento del Politecnico di Milano. Inizialmente ogni metodo è stato validato nel caso di posizione fissa della turbina e poi applicato in presenza di moto di surge e pitch. I risultati ottenuti dalle tre versioni del codice ALM sono risultati in ottimo accordo con i dati sperimentali nel caso di base fissa e flottante. Questo lavoro dimostra che i nuovi modelli sono in grado di stimare una velocità affidabile, con andamenti palari fisici e coerenti con la reale distribuzione delle forze. I nuovi metodi si presentano come una valida alternativa agli strumenti basati sul ALM già testati in letteratura, grazie alla loro facilità di implementazione e alle ragioni fisiche su cui sono basati.