Numerical simulation of a vertical-axis wind turbine using the actuator line method: geometric characterization and validation against experimental data

Vertical-axis wind turbines are often proposed for small-scale wind energy applications because they can operate independently of wind direction and have a relatively simple mechanical layout. Nevertheless, predicting their aerodynamic performance is challenging, particularly at low tip speed ratios, where the angle of attack changes continuously and effects such as dynamic stall and blade–wake interaction become important. This thesis evaluates whether an actuator line model implemented in OpenFOAM can be used as a computationally efficient alternative to full three-dimensional CFD simulations for predicting the performance of a small vertical-axis wind turbine. The numerical model is validated against wind tunnel measurements obtained from the physical turbine. Since the original blade geometry was not available as a digital model, the blade profile was first reconstructed through reverse engineering and then used in two-dimensional CFD simulations to generate the aerodynamic coefficient database required by the actuator line model. Different solver and turbulence model configurations were tested, and transient simulations with the K-ω SST turbulence model were selected as the basis for the aerodynamic data. The actuator line model was implemented in turbinesFoam, and simulations were performed in the low tip speed ratio range measured experimentally. The results show that including dynamic stall improves the predicted power trend compared with the uncorrected model. Wind tunnel tests also showed limited power production across the tested operating range. Overall, both the experimental and numerical results indicate that the analyzed turbine produced low power under the tested operating conditions. Therefore, the actuator line model can be considered useful for preliminary analysis, but in its present form it is not yet sufficient for reliable quantitative prediction of this turbine. Further work is required on the aerodynamic coefficient database, the dynamic stall calibration, and the experimental characterization.

Le turbine eoliche ad asse verticale sono spesso proposte per applicazioni di piccola scala poiché possono operare indipendentemente dalla direzione del vento e presentano una configurazione meccanica relativamente semplice. Tuttavia, la previsione delle loro prestazioni aerodinamiche risulta complessa, soprattutto a bassi tip speed ratio, dove l’angolo di attacco varia continuamente e fenomeni come lo stallo dinamico e l’interazione tra pala e scia assumono un ruolo significativo. Questa tesi valuta se un modello ad actuator line implementato in OpenFOAM possa essere utilizzato come alternativa computazionalmente efficiente alle simulazioni CFD tridimensionali complete per la previsione delle prestazioni di una piccola turbina eolica ad asse verticale. Il modello numerico è stato validato mediante misure sperimentali ottenute in galleria del vento sulla turbina reale. Poiché la geometria originale delle pale non era disponibile in formato digitale, il profilo aerodinamico è stato inizialmente ricostruito tramite reverse engineering e successivamente utilizzato in simulazioni CFD bidimensionali per generare il database dei coefficienti aerodinamici richiesto dal modello ad actuator line. Sono state testate diverse configurazioni di solutori e modelli di turbolenza e, tra queste, le simulazioni transitorie con il modello di turbolenza k-ω SST sono state selezionate come base per la generazione dei dati aerodinamici. Il modello ad actuator line è stato implementato in turbinesFoam e le simulazioni sono state eseguite nell’intervallo di bassi tip speed ratio investigato sperimentalmente. I risultati mostrano che l’inclusione dello stallo dinamico migliora l’andamento della potenza prevista rispetto al modello privo di correzioni. Le prove in galleria del vento hanno inoltre evidenziato una limitata produzione di potenza nell’intero intervallo operativo analizzato. Nel complesso, sia i risultati sperimentali sia quelli numerici indicano che la turbina studiata ha prodotto una bassa potenza nelle condizioni operative considerate. Pertanto, il modello ad actuator line può essere ritenuto utile per analisi preliminari, ma nella sua forma attuale non risulta ancora sufficiente per una previsione quantitativa affidabile delle prestazioni di questa turbina. Saranno necessari ulteriori sviluppi riguardanti il database dei coefficienti aerodinamici, la calibrazione del modello di stallo dinamico e la caratterizzazione sperimentale.