Ottimizzazione ibrida CFD BEM di un rotore eolico

Nowadays industrial design codes for wind turbine rotors are based on BEM (Blade Element Momentum). These codes are indeed computationally cheap and thus very fast, but are not able to capture all aspects present on the blade, as the strong three-dimensionality of the flow in the root region and the tip losses. This thesis proposes a new methodology for calculating the aerodynamic performance of a wind turbine rotor. Considering the progress achieved, in terms of computational time, by modern CFD, we want to use a CFD code to provide a more accurate estimate of the rotor power curves. The method presented here is a hybrid CFD-BEM method. Then it is used in a project code for the aerodynamic optimization of wind turbine blades. The aerodynamic design of the blade is described with its details such as the parametrization of the shape of the blade and the generation of the aerodynamic mesh for CFD simulations. The results obtained show the potential of the proposed numerical tool, showing a significant improvement of the energy produced, which must be verified. Computational time is not excessive. The validity of the method must still be properly tested in the future. The design technique described can therefore be aimed at improving both the performance of conventional wind turbine, both the exploration of innovative configurations, such as the insertion of a winglet at the apex of the blade. In these configurations three-dimensional effects, which a traditional BEM method is unable to grasp, are even more significant.

I codici di progetto industriali per rotori di turbine eoliche finora utilizzati sono basati sul metodo BEM (Blade Element Momentum). Questi sono codici molto efficienti e computazionalmente veloci, ma non sono in grado di cogliere tutti gli aspetti presenti sulla pala, come la forte tridimensionalità della corrente nella zona di radice e le perdite alla tip. Il presente lavoro di tesi propone una nuova metodologia per il calcolo delle prestazioni aerodinamiche del rotore di una turbina eolica. Dati i progressi fatti, anche in termini di tempo computazionale, dalla CFD, si vuole utilizzare la fluidodinamica computazionale per fornire una stima più accurata delle curve di potenza dell’aerogeneratore. Viene quindi presentato un metodo di calcolo ibrido CFD-BEM. Il metodo di calcolo è poi utilizzato all’interno di un codice di progetto per l’ottimizzazione aerodinamica delle pale eoliche. E’ descritto il progetto aerodinamico di una pala convenzionale prestando attenzione ai dettagli dell’ottimizzazione quali la parametrizzazione della forma della pala e la generazione della mesh aerodinamica per le simulazioni CFD. I risultati ottenuti mostrano le potenzialità dello strumento numerico proposto, evidenziando un sensibile miglioramento dell’energia prodotta, che deve comunque essere verificato. I tempi computazionali non sono eccessivi. La validità del metodo dovrà comunque essere opportunamente provata in futuro. La tecnica progettuale descritta può essere finalizzata sia al miglioramento delle prestazioni di turbine eoliche convenzionali, sia all’esplorazione di configurazioni innovative, come l’inserimento di una winglet all’apice della pala, in cui sono ancora più significativi gli effetti tridimensionali che un tradizionale metodo BEM non è in grado di cogliere.