Investigating yaw effects on wake and power in wind turbines with AMR-wind

This study provides a comprehensive analysis of wind turbines, encompassing their historical development, operational principles, and numerical modeling techniques used in performance evaluation. The classification of wind turbines into onshore and offshore types is examined in detail, emphasizing the advantages and limitations of each configuration, including installation challenges, environmental impacts, and energy production efficiency. The study also investigates the aerodynamic behavior of wind turbines, focusing on key factors such as wake effects, aerodynamic forces, and the influence of the atmospheric boundary layer on turbine performance. A crucial aspect of this research is the detailed examination of wake length and its impact on turbine efficiency. The wake generated by a wind turbine can significantly affect downstream turbines by reducing wind speed and increasing turbulence intensity, leading to energy losses and structural fatigue. This study employs high-fidelity numerical simulations using AMR-Wind and OpenFAST to analyze wake dynamics, turbulence characteristics, and energy dissipation patterns. By integrating Large Eddy Simulations (LES) and actuator-based modeling approaches such as the Actuator Line Model (ALM), the study provides an in-depth assessment of wake interactions under different atmospheric conditions. The findings contribute to the optimization of wind farm layouts by improving wake mitigation strategies and understanding how wake-induced turbulence affects turbine longevity and efficiency. Additionally, this research offers insights into the role of adaptive mesh refinement (AMR) in enhancing simulation accuracy while balancing computational efficiency. The results obtained can support future advancements in wind energy technology by providing a more precise framework for evaluating wake behavior and its influence on power output.

Questo studio presenta un'analisi numerica delle prestazioni aerodinamiche e del comportamento del wake di una turbina eolica ad asse orizzontale, utilizzando un framework di simulazione accoppiata ad alta fedeltà. I solutori open-source AMR-Wind e OpenFAST sono impiegati per modellare l'interazione tra lo strato limite atmosferico e la risposta della turbina. In AMR-Wind viene utilizzata la Large Eddy Simulation (LES) per risolvere la turbolenza e la dinamica del wake, mentre OpenFAST fornisce il controllo del rotore e il calcolo della potenza prodotta, utilizzando una modellazione aerodinamica basata sul metodo Blade Element Momentum (BEM). La turbina di riferimento IEA da 10 MW è selezionata come caso di validazione e i risultati, come potenza, forza di spinta e comportamento del wake, sono analizzati per diverse velocità del vento. Inoltre, viene simulata una configurazione a due turbine per comprendere come un disallineamento di imbardata (yaw) della turbina a monte influenzi le prestazioni della turbina a valle. I risultati evidenziano l'importanza del controllo di imbardata nello steering del wake e nell’ottimizzazione della produzione di energia nei parchi eolici. Questo lavoro dimostra l'efficacia dell'approccio accoppiato nel rappresentare sia la fedeltà fisica che l'impatto del controllo in contesti realistici di energia eolica moderna.