Analisi RANS CFD di aerogeneratori in supporto al progetto ed alla sperimentazione in galleria del vento

This work is set in the field of the so-called wind engineering, a sector that, in these last years, is becoming predominant within the global energetic supply market. In fact, the present energy market is evolving to a more sustainable production of electricity, both for home and industry fields: a source of energy in growing expansion is thus represented by wind turbines and real wind farms. Accordingly, it has become demanding to increase the efficiency of wind turbines and blades. In this work, state of the art CFD techniques have been widely used to evaluate some important dynamical effects on wind rotor blades, such as centrifugal forces and Coriolis forces, representing a huge research sector both in academics and industry. Moreover, the existence of tridimensional effects on the flow around a wind turbine could provide an erroneous calculation of structural loads acting on the turbine, threatening its structural safety. Hence, an innovative method to calculate the effective angle of attack of the blades has been investigated, in order to build the so-called effective aerodynamics curves, in which tridimensional effects are taken into account. A further study examined in this work is represented by the blockage effects of wind tunnels on wind generators, continuing a research activity at Politecnico di Milano. Hence, a CFD model has been created in order to study the updated performance coefficients of the wind generator; this would represent an innovative corrective factor to explain the real behavior parameters of the wind turbine stack during its operational phase. Another activity is the investigation of the blockage effect on the blade section’s angles of attack: these information can be useful to define the corrections being applied to the real wind blade, in terms of pitch.

L’attuale scenario energetico mondiale si sta sempre più spostando verso la sostenibilità della produzione di corrente elettrica. In particolare, negli ultimi anni si è visto aumentare in misura considerevole l’interesse nel settore eolico e di riflesso è aumentata anche la necessità di realizzare aerogeneratori sempre pi`u efficienti. In questo lavoro di tesi sono state impiegate le moderne tecniche di simulazione numerica (CFD) per affrontare alcune problematiche relative alla ricerca nel settore eolico: prima tra queste è la valutazione degli effetti delle forze centrifuga e di Coriolis sulle pale rotanti. La presenza degli effetti tridimensionali può portare ad una erronea valutazione dei carichi che agiscono sulla turbina e possono portare a comprometterne la sicurezza strutturale, qui si è proposto un metodo per il calcolo dell’angolo d’attacco effettivo che è il primo step per la costruzione delle curve aerodinamiche effettive e quindi che gi`a risentono degli effetti tridimensionali. Il secondo aspetto trattato riguarda gli effetti di bloccaggio dei modelli di aerogeneratori in galleria del vento. Traendo spunto da una recente attività sperimentale nella galleria del vento del Politecnico di Milano si `e affrontato il problema del bloccaggio con metodi puramente numerici. Il primo scopo di questo studio è quello di avere indicazioni su come correlare i valori delle prestazioni delle turbine eoliche misurate in galleria con quelle della stessa macchina funzionante in ambiente aperto. Secondariamente si è analizzato il ruolo che il bloccaggio può avere sugli angoli d’attacco delle singole sezioni di pala, essendo queste informazioni utili per la definizione esatta delle correzioni in termini di passo che andranno apportate alla macchina reale.