Validation of a mid-fidelity aerodynamic software for wind turbine application

Advancements in wind energy technology underscore the need for precise aerodynamic modeling to enhance turbine efficiency. This thesis validates DUST, a mid-fidelity aerodynamic code, by benchmarking against the NREL 5MW and Phase VI wind turbines. Beginning with simple configurations, the study progressively integrates complexities such as blade pitch modulation, shaft tilt, cone effects, and yawed inflow conditions, offering a detailed portrayal of their collective impact on turbine performance. A particular focus is given to the evaluation of aerodynamic responses from the tower and nacelle, as well as wake behavior in yawed inflow condition, crucial for optimizing farm layouts. In examining the NREL Phase VI turbine, known for its stall-regulated design, the study explores various pitch configurations, shedding light on the nuances of stall regulation-a key factor in certain turbine applications. The DUST software is benchmarked with experimental data and open-source CFD tools, demonstrating its robustness and adaptability. It fills a critical gap between the less reliable low-fidelity models, such as the BEM theory, and the resource-intensive CFD analyses. This bridging makes DUST a pragmatic choice for comprehensive yet computationally efficient aerodynamic assessments. This thesis not only shows the efficacy of DUST in simulating sophisticated aerodynamic phenomena but also sets the stage for its integration with MBDyn for structural analyses. The eventual aim is to develop a cohesive aeroelastic simulation platform to tackle complex wind turbine design and optimization challenges. The study marks a significant stride toward achieving an efficient, reliable FSI software for wind turbine aeroelastic studies, paving the way for innovative developments in sustainable energy solutions.

L’energia eolica rappresenta un pilastro fondamentale nella produzione di energia pulita, e i progressi nell’analisi aerodinamica sono essenziali per ottimizzare l’efficienza delle turbine. Questo lavoro di tesi esamina approfonditamente il codice aerodinamico DUST, di media fedeltà, attraverso l’analisi di due turbine: la NREL 5MW e la NREL Phase VI. La fase di validazione per la turbina NREL 5MW ha incluso configurazioni iniziali basilari, estendendosi poi a comprendere variabili complesse come l’inclinazione dell’asse e l’effetto dell’angolo diedro delle pale, nonché l’adattamento dell’angolo di pitch in funzione della variabilità della velocità del vento e delle condizioni di flusso con angolo di imbardata. L’indagine ha inoltre valutato l’influenza aerodinamica di torre e nacelle, per determinare il loro impatto sulle prestazioni della turbina. La turbina NREL Phase VI, notevole per il suo design a regolazione passiva per stallo, è stata oggetto di validazione in tre differenti configurazioni con angoli di pitch variabili, permettendo un’analisi dettagliata del comportamento in condizioni di stallo, aspetto cruciale per alcune categorie di turbine. Il software DUST ha dimostrato di essere in grado di simulare queste condizioni complesse, confrontandosi efficacemente sia con gli strumenti CFD ad alta fedeltà sia con i dati sperimentali, evidenziando così la sua robustezza e flessibilità. Il vantaggio principale di DUST risiede nella sua capacità di offrire maggiore affidabilità rispetto ai modelli aerodinamici di bassa fedeltà, come la teoria BEM, mantenendo al contempo un costo computazionale inferiore rispetto ai sistemi CFD di alta fedeltà. Questo studio rappresenta un passo iniziale verso la validazione di un sistema accoppiato aeroelastico per l’analisi delle turbine eoliche, che integra DUST per l’aerodinamica con MBDyn per la risposta strutturale, ponendo le basi per lo sviluppo di uno strumento efficiente e affidabile per la previsione delle prestazioni delle turbine eoliche.