Numerical modelling and analysis of floating wind turbine wakes

The saturation of onshore wind farms and the greater availability of wind in the open sea have led the scientific research community to focus more on the modeling and opti- mization of offshore wind farms, with particular attention to turbines with floating bases rather than those fixed to the seabed. An accurate description of the wind around these specific wind farm sites, which can correctly predict the effects of the floating base’s move- ment in terms of energy production and aerodynamic loads, is essential. Since replicating such complex motion is not straightforward, it is preferred to break it down into smaller, elementary movements and study their influence separately. Experiments were conducted on the MoWiTO 0.6 turbine in Milan and Oldenburg for three different configurations: fixed turbine, subjected to side-side motions (sway), and subjected to fore-aft motions (surge). The analysis presented in this thesis aims at replicating the wind tunnel exper- iments through CFD simulations. Various LES analyses (OpenFOAM) were performed, coupled with a structural solver (FAST), including both the tower and the nacelle in the modeling in laminar flow. First, a complete model of the turbine was developed in FAST, adopting an Actuator Line Model (ALM) for the tower and blades. Regarding the na- celle, two solutions were considered: using the ALM again or inserting a solid body into the CFD domain, with the latter option being chosen. After conducting a study on the quality of the domain discretization (GCI and LESIQ) and discussed the differences in performance coefficients (CP & CT ), the dynamics of the wake downstream of the turbine were investigated. In the near wake (2D and 4D), there are discrepancies between exper- imental and numerical results, while in the far wake (from 6D onward), the results are directly comparable. It was confirmed that the movement of the turbine, especially sway, leads to greater wake recovery, which is beneficial in terms of wind farm performance, finally discussing the differences in the wake dynamics found with similar studies in the literature.

La saturazione dei parchi eolici a terra (onshore) e la disponibilità maggiore di vento in mezzo al mare hanno condotto il mondo della ricerca scientifica ad interessarsi più alla modellazione e ottimizzazione dei parchi eolici in mezzo al mare (offshore), con partico- lare attezione a turbine aventi una base galleggiante pittosto che fissa al fondale marino. Una descrizione della corrente attorno a questi particolari siti eolici, che sia in grado di predire correttamente gli effetti del movimento della base gallenggiante in termini di ener- gia prodotta e carichi aerodinamici sviluppati, è fondamentale. Non essendo così semplice replicare un movimento così complesso si preferisce romperlo in movimenti elementari più piccoli e studiarne l’influenza separatamente. A Milano e ad Oldenburg sono stati con- dotti degli esperimenti sulla turbina MoWito 0.6 per tre diverse configurazioni: turbina fissa, soggetta ad uno spostamento laterale (sway) e uno avanti-indietro (surge). L’analisi svolta nel seguente elaborato è stata quella di replicare numericamente per mezzo di simu- lazioni CFD gli esperimenti condotti in galleria del vento. Sono state svolte diverse analisi LES (OpenFOAM) accopiate con un solutore strutturale (FAST), includendo nella model- lazione sia la torre che la nacelle in flusso laminare. Come prima cosa, è stato sviluppato un modello completo della turbina in FAST adottando per torre e pale un modello di linea portante (ALM). Per quanto riguarda la nacelle, due soluzioni sono state prese in considerazione: servirsi nuovamente dell’ALM o inserire nel dominio CFD un corpo solido, optando poi per la seconda. Una volta fatto uno studio sulla qualità della discretizzazione del dominio (GCI e LESIQ) e discusse le discrepanze nei parametri di prestazione ot- tenuti (CP & CT ) si è indagata la dinamica della scia a valle della turbina. Nella scia più prossima (2D e 4D) si hanno delle differenze tra i risultati sperimentali e numerici mentre nella scia lontana (da 6D in poi) i risultati sono direttamente confrontabili. Si è assodato come il movimento della turbina, soprattutto sway, porta ad un recupero maggiore della scia, utile in termini di prestazioni di un parco eolico, discutendo inoltre le differenze nella dinamica della scia con studi paragonabili in letteratura.