Sviluppo e sperimentazione di metodi per la riproduzione dello strato limite terrestre per aerogeneratori in galleria del vento

This work is a part of the (WT)^2 project developed by the Department of Aerospace Engineering with the collaboration of Vestas Wind System A/S; it deals with the realization of a wind tunnel scaled model of the V90 wind turbine. The purpose of this thesis work is to reproduce, in the wind tunnel, the atmospheric boundary layer that swept the wind turbine model, in order to recreate the optimal conditions to study and analyze control laws and emergency maneuvers. To achieve this goal it was decided to simulate two different types of ground roughness, adopting the values of 0.2 e 0.4 for the parameter α (power law exponent, related to the ground roughness) in velocity power laws. Through the support of references (Irwin [1]), an initial sizing of the spires has been realized, in order to be placed at the entrance of the test chamber in the wind tunnel and to generate the right wind profile present in the real context. Before moving to their realization, it is preferred to have an idea of the results which would be obtained subsequently through the experimental tests, using numerical simulations. In conducting these analyzes it is adopted the technique of Large Eddy Simulation, so as to extract informations also on fluctuating components of velocity field. It is proceeded with the realization of the two spires configurations, with the test of their structural robustness by FEM analysis, for moving then to the experimentations in wind tunnel of only the configuration characterized by α = 0.4. The experimental results with α = 0.4 showed an imperfect match with what is predicted by theory and by consequent numerical analysis.

Questo lavoro si inserisce all’interno del progetto (WT)^2, sviluppato dal Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale con la collaborazione della Vestas Wind System A/S, che si occupa della realizzazione di un modello in scala, per galleria del vento, dell’aerogeneratore V90. Lo scopo di questa tesi è cercare di riprodurre in camera di prova lo strato limite atmosferico che investe un vera turbina eolica, al fine di ricreare le condizioni ottimali in cui studiare e analizzare leggi di controllo e manovre di emergenza. Per conseguire questo obiettivo è stato deciso di simulare due diverse tipologie di asperità del terreno, adottando nelle leggi esponenziali del profilo di velocità, i valori di 0.2 e 0.4 per il parametro α (esponente della legge di potenza, legato alla rugosità superficiale). Mediante il supporto dei riferimenti bibliografici (Irwin [1]) è stato realizzato un primo dimensionamento degli spires da collocare all’imbocco della camera di prova in galleria, in modo da generare il corretto profilo di vento presente nel contesto reale. Prima di passare alla loro realizzazione si è preferito avere un’idea dei risultati che si sarebbero poi ottenuti con le prove sperimentali, mediante delle simulazioni numeriche. Nell’effettuare queste analisi si è adottata la tecnica della Large Eddy Simulation, così da ricavare informazioni anche sulle componenti fluttuanti del campo di velocità. Si è proceduto con la realizzazione delle due configurazioni di spires, con la verifica della loro robustezza strutturale tramite analisi FEM, per passare poi alla sperimentazione in galleria del vento della sola configurazione caraterizzata da α = 0.4. I risultati sperimentali con α = 0.4 hanno mostrato una non perfetta corrispondenza con quanto previsto dalla teoria e dalla conseguente analisi numerica.