Towards CFD-based assessment of Water Droplet Erosion benchmarks for wind turbine blades

This thesis focuses on Water Droplet Erosion (WDE) of wind turbine blades, a critical issue in the wind energy sector. This phenomenon leads to leading-edge erosion, reducing aerodynamic efficiency and, consequently, annual energy production. Reliable predictive tools for estimating the lifetime of protective coatings are therefore essential to support design and mitigation strategies. However, full-scale testing is not feasible, and laboratory experiments often fail to reproduce real operating impact conditions. Although numerical simulations offer a powerful tool to investigate droplet impact phenomena, their direct use for wind turbine lifetime prediction is currently not feasible due to modelling uncertainties and the prohibitive computational cost of real-scale conditions. In this context, CFD is more effectively employed as a complementary tool to assess the representativeness of experimental benchmarks and support their improvement. This work provides a first step toward such a numerical tool. Unlike Solid Particle Erosion (SPE), which relies on well-established predictive methodologies, WDE still lacks a consolidated modelling framework. Concepts from SPE modelling are therefore adapted and extended to WDE. The study focuses on a single experimental benchmark, the Pulsating Water Jet (PWJ), used as a reference configuration for this initial investigation. A three-level modelling strategy with increasing fidelity and computational cost is adopted to analyse the PWJ configuration and evaluate the trade-off between accuracy, predictive capability, and computational effort. Three Eulerian–Lagrangian approaches are compared, ranging from a fully stationary formulation to pseudo-transient and fully transient descriptions of both carrier phase and droplet tracking. The comparison assesses how each level captures droplet impact characteristics and erosion indicators, while also considering the associated computational cost to identify suitable strategies for engineering applications.

Questa tesi affronta l’erosione da gocce d'acqua (WDE) delle pale delle turbine eoliche, una problematica critica nel settore dell'energia eolica. Questo fenomeno conduce all'erosione del bordo d'attacco, riducendo l'efficienza aerodinamica e la produzione annua di energia. Strumenti predittivi affidabili per stimare la durata utile dei rivestimenti protettivi sono quindi essenziali per supportare le strategie di progettazione e mitigazione. Tuttavia, i test in scala reale non sono fattibili e gli esperimenti di laboratorio spesso non riescono a riprodurre le reali condizioni di impatto. Sebbene le simulazioni numeriche offrano uno strumento potente per investigare i fenomeni di impatto, il loro utilizzo diretto per la previsione della vita utile delle turbine eoliche non è attualmente praticabile a causa delle incertezze di modellazione e del costo computazionale proibitivo delle condizioni in scala reale. In questo contesto, la CFD viene impiegata in modo più efficace come strumento complementare per valutare la rappresentatività dei benchmark sperimentali e supportarne il miglioramento. Questo lavoro fornisce un primo passo verso tale strumento numerico. A differenza dell'erosione da particelle solide (SPE), che si basa su metodologie predittive consolidate, la WDE manca ancora di un quadro di modellazione definito. I concetti della modellazione SPE vengono pertanto adattati ed estesi alla WDE. Lo studio si concentra su un singolo benchmark sperimentale, il getto d'acqua pulsante (PWJ), utilizzato come configurazione di riferimento per questa indagine iniziale. Viene adottata una strategia di modellazione a tre livelli con fedeltà e costi computazionali crescenti per analizzare la configurazione PWJ e valutare il compromesso tra accuratezza, capacità predittiva e sforzo computazionale. Vengono confrontati tre approcci Euleriani–Lagrangiani, spaziando da una formulazione completamente stazionaria a descrizioni pseudo-transitorie e completamente transitorie sia della fase portante che del tracciamento delle gocce. Il confronto valuta come ciascun approccio catturi le caratteristiche di impatto e gli indicatori di erosione, considerando al contempo il costo computazionale associato per identificare le strategie idonee per le applicazioni ingegneristiche.