Evaluation of the effective velocity model in actuator line modeling for wind turbines: performance assessment, sensitivity analysis, and wake characteristics

In this study, wind turbine aerodynamics are investigated using the Actuator Line Method (ALM) within the TurbinesFOAM framework, an open-source library for wind turbine simulations. The advanced velocity sampling method, the Effective Velocity Method (EVM), has been implemented into turbinesFoam and tested. Additionally, the Filtered Lifting Line (FLL) correction has been implemented and combined with both integral velocity sampling and EVM to evaluate its performance. A regularization kernel width sensitivity study and a grid sensitivity analysis were performed on various velocity sampling methods to evaluate their impact. The study further evaluates the capacity of these models to predict both global performance parameters and local aerodynamic quantities. Additionally, the velocity deficit and tip vortex structures are investigated to examine the wake characteristics and to assess the impact of the sampling method. Furthermore, A synthetic turbulence generator approach, using synInflow library, is used to generate turbulent inflow. The simulations were performed using different velocity sampling models and varying turbulence levels. The results provide insights into the aerodynamic performance and wake evolution under atmospheric turbulence. This study highlights the robustness and the accuracy of different velocity sampling methods in ALM and comparison the wake with the uniform inflow condition.

In questo studio, l'aerodinamica delle turbine eoliche viene analizzata utilizzando il metodo della linea attuatrice (Actuator Line Method, ALM) all'interno del framework TurbinesFOAM, una libreria open-source per la simulazione delle turbine eoliche. È stato implementato e testato nel codice TurbinesFOAM un metodo avanzato di campionamento della velocità, il Metodo della Velocità Effettiva (Effective Velocity Method, EVM). Inoltre, è stata introdotta la correzione del Filtraggio della Linea Portante (Filtered Lifting Line, FLL) e combinata sia con il campionamento della velocità integrale sia con l'EVM per valutarne le prestazioni. È stata condotta un'analisi di sensibilità sulla larghezza del kernel di regolarizzazione, oltre a uno studio di sensibilità alla griglia, al fine di valutare l'impatto dei diversi metodi di campionamento della velocità. L'indagine si concentra inoltre sulla capacità di questi modelli di prevedere sia i parametri prestazionali globali sia le quantità aerodinamiche locali. Viene inoltre analizzata la distribuzione del deficit di velocità e le strutture vorticose di estremità. Inoltre, è stato adottato un approccio basato su un generatore di turbolenza sintetica, utilizzando la libreria SynInflow, per generare condizioni di ingresso turbolente. Le simulazioni sono state condotte utilizzando diversi modelli di campionamento della velocità e vari livelli di turbolenza. I risultati ottenuti forniscono una visione approfondita sulle prestazioni aerodinamiche e sull'evoluzione del wake in condizioni di turbolenza atmosferica. Questo studio evidenzia la robustezza e l'accuratezza dei diversi metodi di campionamento della velocità applicati all'ALM. È stata condotta un'analisi di sensibilità alla griglia e un'analisi di sensibilità alla larghezza del kernel di regolarizzazione per valutare l'influenza di questi parametri sui diversi metodi di campionamento della velocità. Lo studio esamina inoltre la capacità di questi modelli di prevedere sia le grandezze globali (potenza, spinta) che le grandezze aerodinamiche locali (carico aerodinamico, angolo di attacco). Le caratteristiche del wake, tra cui il deficit di velocità e la visualizzazione dei vortici di estremità, sono state anch'esse analizzate. Inoltre, sono state imposte condizioni di flusso turbolento utilizzando la libreria SynInflow, con simulazioni eseguite per diversi modelli di campionamento della velocità e variando la lunghezza di rugosità della superficie. I risultati forniscono spunti sulle prestazioni aerodinamiche e sull'evoluzione del wake in condizioni di turbolenza atmosferica. Questo studio evidenzia l’applicabilità e l'accuratezza dei diversi metodi di campionamento della velocità nell’ALM, con particolare attenzione all’indipendenza dalla griglia e alla previsione del wake.