Large Eddy Simulation of Wind Turbines: interaction with turbulent flow

Wind turbines are the most challenging subject in the renewable energy research area. The expansion of this technology within limited areas where the installation of wind turbines is profitable leads to the development of wind farms. In this configurations the close distance between the turbines produce an interaction between the wind turbine wakes that affects the wind energy harvesting and the loads on the wind turbine structure. The opportunity to model the interaction of the blades with turbulence structures and upwind rotor wakes helps understanding and take advantage of these effects on the turbine itself. This work proposes an innovative actuator line method to model the interaction of the blade with the wind using Large-Eddy Simulation. The fundamental concept that lies in this approach is that a CFD framework provides the entire velocity field in the computational domain with a good accuracy: this information must be used to calculate the loads acting on the turbine blades and therefore to develop correctly the wake. Lifting line concept uses the angle of attack and relative velocity onto the blade to draw the lift and drag coefficients of the local airfoil from tabular curves that are known. The key issue is the correct evaluation of the angle of attack and velocity magnitude: common BEM approach uses induction factors on a reference wind to gather the angle, while the proposed approach estimates the angle and the air speed close to the blades using an "effective velocity" model. The numerical results are compared with experimental wind tunnel tests in terms of thrust and torque performances of the wind turbine in different operating conditions and presenting the wake that is obtained.

L'energia eolica è una delle sfide ingegneristiche più interessanti nel campo delle energie rinnovabili. L'espansione di questo settore è esponenziale e allo stato attuale si ottimizzare il rendimento di queste installazioni realizzando dei parchi eolici per la creazione di veri e propri campi per la raccolta dell'energia del vento. La posizione ravvicinata delle turbine eoliche può essere fonte di interferenze, di riduzione nella generazione di energia e può dare origine a sollecitazioni gravose per la resistenza a fatica della turbina nel caso si trovi ad operare in scia l'una rispetto all'altra. Questo lavoro propone un modello innovativo di "linea attuatrice" per la modellazione del rotore utilizzando una definizione di "velocità effettiva" per il calcolo delle azioni aerodinamiche sulla pala. Il modello è implementato nel solutore open-source OpenFOAM utilizzando una Large Eddy Simulation per il calcolo del campo di moto del fluido. Nel lavoro verrà presentato il risultato delle simulazioni LES e il confronto con delle prove sperimentali effettuate in galleria del vento.