Novel dynamic formulation of the double multiple stream tube model for floating vertical-axis wind turbines

The thesis goal is to develop a novel Double Multiple Stream Tube model for Vertical Axis Wind Turbines in floating offshore configuration, which is considered the natural field of application for these turbines and have gained importance due to the expanding offshore market. The aerodynamic modelling of the rotor relies on the traditional Double Multiple Stream Tube Model, bolstered by high-order corrections addressing flow curvature, dynamic stall, tip losses, and strut passive losses. The enhancements include stream tube expansion sub-models that are activated in fixed-bottom simulations. The novel floating model developed incorporates a time-resolved dynamic formulation of a three-dimensional Blade Element Momentum model, not considering the added mass term, featuring a specific treatment of the induction perceived by the blades working in the downstream region. The validation process involves a comparison with Computational Fluid Dynamics simulations of the 2D meridian section of the VAWT, in both fixed-bottom and platform surge displacement. Respect to the fixed bottom case, the new models maintains a constant divergence of the predicted performance. In this study, rotational and translational motions are tested and compared through the results produced by the novel floating model, revealing that surge induces the most significant performance deviations among translational movements, while pitch leads to the greatest deviations among rotational movements. Lastly, simulations of tilted rotors under fixed-bottom conditions highlight the critical importance of accurately modelling stream tube expansion in both azimuthal and vertical coordinates.

La tesi si concentra sullo sviluppo di un modello innovativo Double Multiple Stream Tube per turbine eoliche ad asse verticale in configurazione galleggiante, che rappresenta il campo di applicazione naturale per queste macchine. Esse hanno guadagnato importanza a causa dell'espansione del mercato offshore, anche per caratteristiche come il più rapido riassorbimento della scia rispetto alle trubine eoliche a asse orizzontale. La modellizzazione aerodinamica del rotore si basa sul tradizionale modello Double Multiple Stream Tube, migliorato in accuratezza da correzioni che affrontano la curvatura del flusso, lo stallo dinamico, le perdite alle estremità e le perdite passive dei supporti. Nello studio è stato implementato il modello di espansione dei tubi di flusso, che viene attivato nelle simulazioni a base stazionaria. Il nuovo modello per simulazioni in stato di gallegiamento sviluppato incorpora una formulazione dinamica discretizzata nel tempo di un modello tridimensionale Blade Element Momentum, caratterizzato da un trattamento specifico dell'induzione percepita dalle pale che operano nel disco attuatore sottovento. Il processo di validazione prevede un confronto con simulazioni CFD della sezione meridiana 2D della VAWT, a turbina fissa e galleggiante. Rispetto al caso di turbina fissa, il caso galleggiante mantiene costante la divergenza delle prestazioni previste. In questo studio, i movimenti rotazionali e traslazionali vengono testati e confrontati attraverso i risultati prodotti dal nuovo modello, rivelando che il movimento di avanzamento induce le deviazioni di prestazione più significative tra i movimenti traslazionali, mentre il beccheggio porta alle maggiori deviazioni tra i movimenti rotazionali. Infine, le simulazioni di rotori inclinati in condizioni di base stazionaria mettono in luce l'importanza critica di modellare accuratamente l'espansione dei tubi di flusso sia nelle coordinate azimutali che verticali.