Analisi sperimentale in galleria del vento della fluidodinamica di una turbina eolica ad asse verticale

This thesis is focused on the analysis of the 3D fluid dynamics of a vertical axis wind turbine by means of aerodynamic measurements. The turbine is a three-blade H-Darrieus, which was designed for research purposes by Tozzi Nord Wind Turbines and instrumented by the Turbomachinery Laboratory of the University of Trento concerning for the evaluation of the turbine performances in terms of torque, thrusts and power output. The aim is the characterization of the induced flow field upstream and downstream the rotor at different tip speed ratios. For this purpose an automated system for the aerodynamic probes traversing has been designed and built up; it is made of 6m x 4m portal capable of handling the probes on a vertical plane corresponding to a measuring plane of about 4m in width and 1m in height. The measurements were then performed in the large scale wind tunnel of the Politecnico di Milano, where real-scale wind turbines for micro generation can be tested in full similarity conditions. Open and closed wind tunnel configurations are taken into consideration in order to quantify the influence of the model blockage for different operational conditions. Experimental tests were performed using a pneumatic five hole probe and two hot wire anemometers. Through these techniques the local unsteady flow field and the streamwise turbulent component have been resolved in phase with the rotor position. The average flow field has been resolved too and a Matlab routine has been implemented in order to compute the flow angles starting from hot wire measurements and make a comparison with the angles obtained by the pressure probe. Results highlight all the complexity of the fluid dynamics of these particular kind of turbines and provide a large amount of data, useful for the development of theoretical models about performance prediction and blockage correction, as well as the validation of CFD simulations

Nel presente lavoro di tesi è stata condotta una analisi sperimentale della fluidodinamica di una turbina eolica ad asse verticale. Si tratta di una prototipo del tipo H-Darrieus tripala di piccola taglia, realizzata dalla Tozzi Nord e strumentata dal Laboratorio di Turbomacchine dell’Università di Trento per quanto riguarda la valutazione delle prestazioni della macchina in termini di coppia, spinte e potenza. Scopo del lavoro è la caratterizzazione della scia e del campo di moto indotto dal rotore a monte e a valle dello stesso a differenti valori del coefficiente di velocità periferica. A tal fine è stato progettato e messo in opera un sistema di traversing automatizzato delle sonde aerodinamiche, costituito da un portale di circa 6m x 4m in grado di movimentare le sonde su di un piano verticale tale da coprire un piano di misura di 4m di larghezza per circa 1 m di altezza (quest'ultima corrispondente alla semi - altezza del rotore). Le prove sperimentali sono state condotte presso la galleria del vento del Politecnico di Milano, che consente la realizzazione delle piene condizioni di similitudine per turbine in scala 1:1 destinate alla mini e micro generazione; sono state effettuate misure sia in camera aperta che in camera chiusa, cosi da poter valutare l’influenza degli effetti di bloccaggio per diverse condizioni di funzionamento. Le misure sono state realizzate utilizzando sonde di pressione e sonde anemometriche a filo caldo. L’anemometria a filo caldo in particolare ha consentito di risolvere il flusso locale instazionario e determinare la turbolenza nella direzione del flusso seguendo il metodo della media in fase con il rotore. Infine è stato implementato un codice Matlab che consente di calcolare l’angolo del flusso a partire dalle misure anemometriche ed effettuare in seguito un confronto con i risultati della sonda a 5 fori. I risultati ottenuti evidenziano la complessità della fluidodinamica di questa particolare tipologia di macchine e forniscono una notevole quantità di dati, stazionari e non, essenziali per lo sviluppo di modelli previsionali per la stima degli effetti di bloccaggio nonché per la validazione di simulazioni CFD.