Ottimizzazione aerodinamica tramite CFD di una turbina eolica ad asse verticale

This Master Thesis is a research project concerning the aerodynamic performance of a vertical axis wind turbine based on Savonius geometry; the goal is to optimize the blade shape through computational fluid dynamics (CFD) in an attempt to obtain optimal turbine performances. The Spherical Quadratic Steepest Descent Method (SQSD) will be used, which is an optimization method based on Newton-Raphson algorithm which avoids the calculation of Hessian matrix, reducing computational effort. Two different rotors will be optimized, both of them based on Savonius geometry: one with an overlap and the other without overlap. The CFD simulations will be performed by the FLUENT software; firstly it will be used to investigate two-dimensional models, which are less expensive but not very realistic, and secondly three-dimensional geometries, which are more realistic and more expensive. The optimized wind turbines will be compared with the conventional Savonius and the modified forms of Savonius rotor optimized through some wind tunnel experiments by Kamoji at al. (2009) . It will be shown how both the optimized Savonius rotors studied in this thesis have a coefficients of power higher than the other Savonius turbines for every values of tip speed ratio (TSR) performed; in particular the optimized turbine without overlap will show the best performances.

Questo lavoro di tesi consiste nello studio aerodinamico di una turbina eolica ad asse verticale basata sulla geometria Savonius; l'obiettivo è quello di ottimizzare tramite fluidodinamica computazionale (CFD) la geometria delle pale della macchina eolica, col fine di ottenere una turbina dalle prestazioni ottimali. In particolare verrà utilizzato lo Spherical Quadratic Steepest Descent Method (SQSD), metodo di ottimizzazione basato sull'algoritmo di Newton-Raphson che permette di ovviare al calcolo della matrice Hessiana, abbattendo quindi il costo computazionale. Si ottimizzeranno due diverse macchine eoliche, basate entrambe sulla geometria Savonius: una caratterizzata dalla presenza di un overlap tra le pale ed un'altra senza overlap. Le simulazioni CFD saranno effettuate tramite il software per la fluidodinamica FLUENT; in particolare lo studio coinvolgerà in primis una geometria bidimensionale, computazionalmente meno onerosa ma evidentemente poco realistica, e successivamente un modello tridimensionale, decisamente più realistico ma dal costo computazionale elevato. Le turbine ottimizzate saranno inoltre confrontate con la Savonius standard e con la macchina eolica ottimizzata in galleria del vento da Kamoji at al. (2009), basata anch'essa sulla geometria Savonius. Si mostrerà come entrambe le turbine ottenute nel presente lavoro di tesi abbiano efficienze superiori rispetto alle suddette macchine eoliche per ogni valore del tip speed ratio (TSR) analizzato; in particolare la turbina senza overlap mostrerà i valori più elevati di efficienza.