Blade-resolved modelling of a Troposkein-shaped VAWT

The growing demand for renewable energy and the increasing interest in floating offshore wind technologies have renewed attention towards Vertical Axis Wind Turbines (VAWTs). Due to their beneficial geometrical features and the potentially enhanced wake mixing, VAWTs represent a promising solution for high power-density offshore floating farms. However, reliable predictive tools for load estimation and wake development remain limited. This thesis focuses on the blade-resolved numerical modelling of a threebladed Troposkein shaped floating VAWT, in support of the experiments carried out at the Politecnico di Milano wind tunnel in the framework of the EU project Network for Energy Sustainable Technologies (NEST). Two complementary approaches are implemented. First, an enhanced Double Multiple Stream Tube (DMST) model is improved through the integration of high-fidelity airfoil polars obtained with 2D wall-resolved CFD simulations. Second, a fully three-dimensional CFD model of the turbine is developed, implying boundary layer resolution and wake discretization. The results provide a detailed comparison between experiment and numerical finding in terms of load assessment and wake recovery. The enhanced DMST model shows improved performance prediction, especially at the peak performance Tip Speed Ratios, while the 3D CFD simulations successfully capture the complex unsteady flow features and wake dissipation mechanisms. The study contributes to the validation of reliable modelling strategies for fixed-bottom floating VAWTs and paves the basis for future developments including platform motion effects.

La crescente domanda di energia rinnovabile e l’aumento di interesse verso le tecnologie eoliche offshore galleggianti hanno riportato l’attenzione sulle turbine eoliche ad asse verticale (VAWT). Grazie alle loro caratteristiche geometriche vantaggiose e al potenziale miglioramento del mescolamento della scia, le VAWT rappresentano una soluzione promettente per impianti offshore galleggianti ad alta densità di potenza. Tuttavia, gli strumenti predittivi affidabili per la stima dei carichi e lo sviluppo della scia risultano ancora limitati. La presente tesi si concentra sulla modellazione numerica blade-resolved di una VAWT troposkein galleggiante a tre pale, a supporto delle attività sperimentali condotte presso la Galleria del Vento del Politecnico di Milano nell’ambito del progetto europeo Network for Energy Sustainable Technologies (NEST). Sono stati implementati due approcci complementari. In primo luogo, il modello Double Multiple Stream Tube (DMST) è stato migliorato mediante l’integrazione di polari aerodinamiche ad alta fedeltà ottenute tramite simulazioni CFD bidimensionali. In secondo luogo, è stato sviluppato un modello CFD tridimensionale della turbina, con risoluzione dello strato limite e adeguata discretizzazione della scia. I risultati forniscono un confronto dettagliato tra dati sperimentali e numerici in termini di stima dei carichi e recupero della scia. Il modello DMST potenziato mostra un miglioramento nella previsione delle prestazioni, in particolare al Tip Speed Ratio di massima performance, mentre le simulazioni CFD 3D riproducono con successo le complesse caratteristiche non stazionarie del flusso e i meccanismi di dissipazione della scia. Lo studio contribuisce alla validazione di strategie modellistiche affidabili per VAWT galleggianti fixed-bottom e pone le basi per sviluppi futuri, inclusa l’integrazione degli effetti del moto della piattaforma.