Simulation of multi-turbine interaction in floating offshore wind farms: enhancing code capabilities for dynamic wake analysis

This thesis work presents the extension and application of an in-house computational fluid dynamics (CFD) code, originally designed for single-turbine simulations, to analyse the behaviour of multiple turbines in a wind farm. The code, which integrates the Actuator Line Model (ALM) into OpenFOAM, was originally designed to simulate a single turbine in floating offshore scenarios. The primary objective is to develop the code in an Object-Oriented Programming (OOP) framework, initiating with the creation of a new class that accommodates an array of turbines. This work aims to enhance the code modularity and scalability, allowing for the representation of multiple turbines within a single simulation environment. By structuring the code to manage an array of turbine objects, the study lays the groundwork for more complex and comprehensive simulations, facilitating the exploration of interactions within arrays of turbines in a wind farm setting. The second goal of this thesis is the validation and use of the new code to explore the aerodynamic interactions, specifically the impact of wake effects, between turbines in fixed-bottom and surge motion conditions. The focus is placed on the loads and aerodynamic forces of the downstream turbine caused by the disturbed flow of the upstream wake. The study of turbine interactions with the wake serves to provide physical validation to the new code. This examination is crucial for demonstrating that the updated software can accurately capture the complex dynamics of turbine wakes and their effects on neighbouring turbines, thereby confirming the code effectiveness in simulating real-world wind farm scenarios. Key findings suggest that while the downstream turbine experiences a drop in performance due to the wake, introducing surge motion in the upstream turbine can mitigate some of these negative effects by enhancing wake mixing. The code demonstrates robust performance and accurately reflects the dynamics of the system, offering promising prospects for future applications.

Questo lavoro di tesi presenta l'estensione e l'applicazione di un codice di fluidodinamica computazionale (CFD) proprietario, originariamente progettato per simulazioni di singole turbine, per analizzare il comportamento di più turbine in un parco eolico. Il codice, che integra il modello di linea attuatore (ALM) in OpenFOAM, è stato originariamente progettato per la simulazione di turbine singole in scenari offshore galleggianti. L'obiettivo principale è sviluppare il codice in una struttura di programmazione orientata agli oggetti (OOP), iniziando con la creazione di una nuova classe che ospita un vettore di turbine. Questo sforzo mira a migliorare la modularità del codice, consentendo la rappresentazione di più turbine all'interno di un unico ambiente di simulazione. Strutturando il codice per gestire un vettore di oggetti turbina, lo studio getta le basi per simulazioni più complesse e complete, facilitando l'esplorazione delle interazioni in un contesto di parco eolico. Il secondo obiettivo di questa tesi è la validazione e l’uso di un nuovo codice per esplorare le interazioni aerodinamiche, specificamente l'impatto degli effetti di scia, tra le turbine in condizioni di base fissa e di movimento ondulatorio. Ci si è focalizzati sui carichi e sulle forze aerodinamiche della turbina a valle nella disposizione causati dal flusso disturbato a causa della scia della turbina a monte. Lo studio delle interazioni tra le turbine e la scia serve a fornire una validazione fisica al nuovo codice. Questo esame è fondamentale per dimostrare che il software aggiornato può catturare accuratamente la complessa dinamica delle scie delle turbine e i loro effetti sulle turbine vicine, confermando così l'efficacia del codice nel simulare scenari reali di parchi eolici. I risultati principali suggeriscono che, mentre la turbina a valle sperimenta una riduzione delle prestazioni a causa della scia, l'introduzione del movimento ondulatorio nella turbina a monte può mitigare alcuni di questi effetti negativi migliorando il mescolamento della scia. Il codice dimostra prestazioni robuste e riflette accuratamente la dinamica del sistema, offrendo prospettive promettenti per future applicazioni.