Engineering-fidelity model of the aerodynamic response of wind turbine scale model subjected to large motion

In the actual worldwide context of energy transition, FOWT has a strategical role and a lot of countries and international organization have set plans to promote their development and investments in this field. From here, the necessity of more accurate FOWT simulation tools is born. One of the most investigated and unknown aspect about FOWT is the effects of Unsteady Aerodynamic Phenomena (UAP) on the rotor aerodynamic loads. The main difficulty is to understand which are the most relevant ones: dynamic inflow effect, dynamic stall, unsteady airfoil effect, returning wake effect. Starting from this researching context, this work has the aim of evaluating the fidelity level of different modelling methodologies, which are BEM, DBEM and FWW, by comparing their results with experimental data. This kind of analysis was carried out for different working conditions: platform surge oscillatory motion, platform surge oscillatory motion with rotor speed oscillation, platform surge oscillatory motion with blade pitch oscillation, platform pitch oscillatory motion. From this work results that in condition of pure surge oscillatory motion BEM, DBEM and FVW have a good accuracy and the differences are not so relevant: it is not possible to identify a model which is always better than the others. BEM with static polars and DBEM with UAA methodologies give quite similar results, but their difference generally increase with the increase of \(b_{vel}\), for P-t-P amplitude, and with the increase of oscillation frequency, for phase shift. The choice of the UAA have also an impact on the results and it is important to know their modelling characteristics. For the case of surge oscillatory motion with rotor speed oscillation and with blade oscillation the experimental data are not available and the evaluation of model accuracy lost his consistency. By comparing BEM and DBEM models with models of the same respective typology, it is possible to ascertain that they are in agreement with them. All the modeling methodologies have a low level of accuracy for the case of pitch oscillatory motion.

Nel contesto di transizione energetica attuale, FOWT hanno un ruolo strategico e molte neazioni e organizzazioni internazionali hanno impostato piani d'azione per promuovere ul loro sviluppo e gli investimenti in questo campo. Da qui, nasce la necessità di strumenti di simulazione più accurati per le FOWT. Uno degli aspetti più investigati e sconosciuti è l'effetto dei fenomeni di aerodinamica instazionaria sui carichi aerodinamici del rotore. La difficoltà principale è capire quali di questi fenomeni sono più rilevanti: dynamic inflow effect, dynamic stall, unsteady airfoil effect, returning wake effect. Partendo da questo contesto di ricerca, questo lavoro ha l'obiettivo di velutare il livello di accuratezza di differenti metodologie di modellazione, che sono BEM, DBEM, e FVW,attraverso la comparazione dei loro risultati con dati sperimentali. Questo tipo di analisiè stata effettuata per differenti condizioni di lavoro: moto oscillatorio della piattaforma in direzione surge e pitch, moto oscillatorio della piattaforma in direzione surge con oscillazione della velocità del rotore, e con oscillazione dell'angolo di pitch della pala. Da questo lavoro risulta che in condizione di pura oscillazione in direzione surge i modelli BEM, DBEM, and FVW hanno un buon livello di accuratezza e le differenze non sono molto rilevanti: non è possibile identificare un modello che performa sempre meglio meglio degli altri. I modelli BEM con polari statiche e DBEM con modello UAA (unsteady airfoil aerodynamic) danno risultati abbastanza simili, ma la loro differenza generalmente incrementa con l'incremento di \(b_{vel}\), per l'ampiezza P-t-P, con l'incremento della frequenza dell'oscillazione per lo sfasamento. La scelta del UAA ha un impatto rilevante sui risultati. Per i casi di moto oscillatorio della piattaforma in direzione surge con oscillazione della velocità del rotore, e con oscillazione dell'angolo di pitch della pala i dati sperimentali non sono disponibili e la valutazione dell'accuratezza dei modelli perde di consistenza. Comparando i modelli BEM e DBEM con altri modelli delle stessa rispettiva tipologia, è possibile constatare che hanno un buon livello di concordanza nei risultati. Tutti i modelli hanno un basso livello di accuratezza per i casi di oscillazione moto oscillatorio della piattaforma in direzione pitch.