Design of a scaled prototype and setup of a 3D CFD numerical model for a vertical axis wind turbine

The thesis focuses on developing a scaled prototype of a Troposkein Vertical Axis Wind Turbine (VAWT) for floating offshore applications. The prototype will be tested in the wind tunnel at Politecnico di Milano. A Hexapod, six degrees of freedom robot, will simulate the motion of the floating platform in open-sea conditions. The goal of the ex periments is to validate different numerical modelling and predictive tools. To support the test campaign, a dedicated measurement system has been designed. It includes strain gauges connected to an onboard telemetry system and a torque meter. The thesis covers the design of the turbine and its structural framework, including a mechanical assessment. Finite Element Analysis (FEA) has been performed on the shaft and the structural sup port components to evaluate the maximum stress levels and deformations, to ensure the model’s structural integrity and proper functionality during the experiments. To compare with future experimental data, a Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation of the full 3D model has been conducted under fixed-bottom conditions. The computational do main includes 16 million cells. This marks the first step of a broader CFD study, with further mesh refinements planned for a grid independence study. Although the simulation is still running and has not fully converged, preliminary results show promising trends. A comparative analysis with an in-house Double-Multiple Streamtube (DMST) model, already validated, has been performed. The initial results show good agreement between the two approaches.

La tesi si concentra sullo sviluppo di un prototipo in scala di una Turbina Eolica ad Asse Verticale (VAWT) Troposkein per applicazioni offshore galleggianti. Il prototipo sarà testato nella galleria del vento del Politecnico di Milano. Un Hexapod, robot a sei gradi di libertà, simulerà il movimento della piattaforma galleggiante in condizioni di mare aperto. L’obiettivo degli esperimenti è validare diversi strumenti numerici di modellizzazione e previsione. Per supportare la campagna di test, è stato progettato un sistema di misura dedicato, che include estensimetri collegati a un sistema di telemetria a bordo e un torsiometro. La tesi copre la progettazione della turbina e del suo telaio, inclusa una valutazione mecca nica. È stata eseguita un’Analisi agli Elementi Finiti (FEA) sull’albero e sui componenti di supporto per valutare i livelli massimi di sforzi e deformazioni, al fine di garantire l’integrità strutturale del modello e il corretto funzionamento durante gli esperimenti. Per confrontare i dati sperimentali futuri, è stata condotta una simulazione di Dinamica dei Fluidi Computazionale (CFD) del modello 3D completo in condizioni di fondazione f issa. Il dominio computazionale include 16 milioni di celle. Questo segna il primo passo di uno studio CFD più ampio, con ulteriori affinamenti della mesh previsti per uno stu dio di indipendenza dalla griglia. Sebbene la simulazione sia ancora in corso e non sia completamente a convergenza, i risultati preliminari mostrano tendenze promettenti. È stata effettuata un’analisi comparativa con un modello in-house Double-Multiple Stream tube (DMST), già validato. I risultati iniziali mostrano una buona concordanza tra i due approcci.