A comparative study of the aerodynamic performance and dynamic response of horizontal and vertical axis floating wind turbines

The transition to renewable energy positions offshore wind energy as a leading technology, with floating offshore wind turbines (FOWTs) enabling access to vast wind resources in deep-water regions. Unlike fixed-bottom turbines, FOWTs experience platform motions, such as surge and sway, which introduce unsteady aerodynamic effects that significantly influence turbine performance. This thesis investigates the impact of isolated platform motions on the aerodynamic performance of horizontal axis wind turbines (HAWTs) and vertical axis wind turbines (VAWTs), focusing on wake dynamics and aerodynamic performance variability. By combining wind tunnel experiments and numerical simulations, this work addresses the challenges in floating turbine design and contributes to optimising FOWTs for offshore applications. A primary objective of this research is to characterise the unsteady aerodynamic behaviour induced by dynamic platform motions. Floating platforms introduce variability into the wind turbine behaviour, affecting wake development, aerodynamic forces, and downstream performance. This work reviews current state-of-the-art methodologies for modelling floating wind turbines, stressing the importance of advanced tools that accurately capture these interactions. The analysis identifies gaps in existing research and establishes the need for experimental validation to support numerical predictions. The experimental component involves wind tunnel measurements using a scaled turbine model mounted on a motion-capable platform. The study examines wake dynamics and turbine performance effects by imposing controlled harmonic surge and sway motions. Results show that these motions significantly alter wake behaviour, increasing wake meandering and turbulence intensity while impacting flow recovery. Therefore, accounting for platform-induced wake effects in wind farm layout design is essential, as such interactions influence overall efficiency and power production. Numerical simulations using a Lifting Line Free Vortex Wake (LLFVW) model complement the experimental work, replicating the tested conditions and providing detailed insights into wake evolution. The LLFVW approach effectively captures the unsteady wake dynamics induced by platform motions, allowing for a comprehensive comparison with experimental results. This validation demonstrates the model’s strengths in predicting aerodynamic responses and wake behaviour while identifying areas for further refinement. The integration of numerical and experimental data evidences the value of both approaches in advancing FOWT design. Another research focus is the comparative analysis of HAWTs and VAWTs under surge motion conditions. The study finds that HAWTs are highly sensitive to surge frequency, exhibiting significant variations in aerodynamic thrust, torque, and power output. These fluctuations can increase fatigue loads and reduce reliability over time. In contrast, VAWTs demonstrate greater stability with reduced sensitivity to surge-induced load variations. Their design minimises dependence on wind direction, offering structural resilience and more consistent power output, particularly in high-amplitude motion environments. These results highlight the potential of VAWTs for floating offshore applications, especially in challenging conditions. However, they also highlight the need for continued research to address unique design challenges. Overall, this thesis provides necessary insights into the unsteady aerodynamics of FOWTs, emphasising the dynamic interactions between turbines and platforms. By advancing the understanding of wake dynamics and performance variability, this work contributes to developing better design methodologies for future floating wind energy systems.

La transizione verso le energie rinnovabili pone l'energia eolica offshore come una tecnologia di punta, con le turbine eoliche galleggianti offshore (FOWT) che permettono l'accesso a vasti giacimenti di risorse eoliche in aree di mare profondo. A differenza delle turbine su fondazioni fisse, le FOWT sono soggette a movimenti della piattaforma, come il surge e lo sway, che introducono effetti aerodinamici instabili con un impatto significativo sulle prestazioni delle turbine. Questa tesi indaga l’impatto dei movimenti isolati della piattaforma sulle prestazioni aerodinamiche delle turbine eoliche a asse orizzontale (HAWT) e a asse verticale (VAWT), con un focus sulla dinamica della scia e sulla variabilità delle prestazioni aerodinamiche. Combinando esperimenti in galleria del vento con simulazioni numeriche, questo lavoro affronta le sfide nella progettazione delle turbine galleggianti e contribuisce all’ottimizzazione delle FOWT per applicazioni offshore. Un obiettivo principale di questa ricerca è caratterizzare il comportamento aerodinamico instabile indotto dai movimenti dinamici della piattaforma. Le piattaforme galleggianti introducono variabilità nel comportamento delle turbine eoliche, influenzando lo sviluppo della scia, le forze aerodinamiche e le prestazioni a valle. Questo lavoro esamina le metodologie all’avanguardia attualmente disponibili per la modellazione delle turbine galleggianti, sottolineando l’importanza di strumenti avanzati in grado di catturare accuratamente queste interazioni. L’analisi identifica lacune nella ricerca esistente e stabilisce la necessità di validazioni sperimentali per supportare le previsioni numeriche. La componente sperimentale coinvolge misurazioni in galleria del vento utilizzando un modello di turbina in scala montato su una piattaforma capace di replicare i movimenti. Lo studio esamina gli effetti della dinamica della scia e delle prestazioni delle turbine imponendo movimenti armonici controllati di surge e sway. I risultati dimostrano che questi movimenti alterano significativamente il comportamento della scia, aumentando il meandraggio della scia e l’intensità della turbolenza, influenzando inoltre il recupero del flusso. Pertanto, è essenziale considerare gli effetti indotti dai movimenti della piattaforma nella progettazione del layout dei parchi eolici, poiché tali interazioni incidono sull'efficienza complessiva e sulla produzione di energia. Le simulazioni numeriche basate sul modello Lifting Line Free Vortex Wake (LLFVW) completano il lavoro sperimentale, replicando le condizioni testate e fornendo approfondimenti dettagliati sull’evoluzione della scia. L’approccio LLFVW cattura efficacemente le dinamiche instabili della scia indotte dai movimenti della piattaforma, consentendo un confronto esaustivo con i risultati sperimentali. Questa validazione dimostra i punti di forza del modello nel prevedere le risposte aerodinamiche e il comportamento della scia, identificando al contempo aree per ulteriori miglioramenti. L’integrazione dei dati numerici ed empirici evidenzia il valore di entrambi gli approcci per avanzare nella progettazione delle FOWT. Un altro focus della ricerca riguarda l’analisi comparativa delle HAWT e delle VAWT in condizioni di surge. Lo studio rileva che le HAWT sono altamente sensibili alla frequenza del surge, mostrando significative variazioni nella spinta aerodinamica, nella coppia e nella produzione di energia. Queste fluttuazioni possono aumentare i carichi di fatica e ridurre l’affidabilità nel tempo. Al contrario, le VAWT dimostrano maggiore stabilità, con una minore sensibilità alle variazioni indotte dal surge. Il loro design minimizza la dipendenza dalla direzione del vento, offrendo una maggiore resilienza strutturale e una produzione di energia più stabile, soprattutto in ambienti caratterizzati da movimenti ad alta ampiezza. Questi risultati evidenziano il potenziale delle VAWT per applicazioni offshore galleggianti, specialmente in condizioni ambientali difficili. Tuttavia, sottolineano anche la necessità di continuare la ricerca per affrontare sfide progettuali specifiche. Complessivamente, questa tesi fornisce approfondimenti essenziali sull’aerodinamica instabile delle FOWT, enfatizzando le interazioni dinamiche tra turbine e piattaforme. Questo lavoro contribuisce allo sviluppo di metodologie di progettazione migliorate per i futuri sistemi di energia eolica galleggiante offshore, avanzando la comprensione della dinamica delle scie e della variabilità delle prestazioni.