Analisi Termofluidodinamica di Sistemi Complessi per lo Sviluppo di Nuovi Aerogeneratori

The design and construction of wind turbines is moving towards machines with large diameters and high power production, and it’s clear that the blades’ aerodynamics plays a fundamental role in the energy conversion process. Similarly, the study of innovative energy systems often involves complex fluid flows problems and the Computational Fluid-Dynamics (CFD) is one of the main tool of analysis. It is very easy to understand as developing new high-accuracy solution techniques for the fluid flow governing equations is of an extreme interesting research area. In this work, is presented a correlation–based transition model using local variables SA - γ − Reθt. This turbulence model was implemented in OpenFOAM, adding the two equations that control the transition process – γ and Reθt – to the existing turbulence model Spalart–Allmaras (SA). Hence the turbulence model was tested on a flat plate test case and on airfoils to test the prediction of the separation–induced boundary layer transition (Laminar Separation Bubble). In addition, tests were carried out evaluating different empirical correlations, at low and high Reynolds numbers, on normal airfoils and on wind turbine airfoils. Subsequently, a study has been conducted on a changing–camber glider airfoil to understand the fluid–dynamics behaviour and evaluate the opportunity to transfer it, with the necessary modifications, on a blade for large wind turbines. At this time it is assumed a wind turbine rotor with a constant airfoil for the whole blade, to detect an approximation of the power curve. Take existing machines as an example, it has been conducted a qualitative analysis, suppose to work with a variable–speed control system with the aim to try to change variable pitch control with morphing–wing technique.

La progettazione e la costruzione di aerogeneratori si sta spostando verso macchine con diametri di grandi dimensioni con produzione di elevate potenze, con il risultato evidente che la aerodinamica della pala ricopre un ruolo fondamentale nel processo di conversione dell’energia. Allo stesso modo, la Computational Fluid–Dynamics (CFD) si trova sempre maggiormente coinvolta nello studio di sistemi innovativi in ambito sia ingegneristico sia industriale. A questo punto è logico pensare a filoni di ricerca in cui si sviluppano metodi numerici efficienti, affidabili ed accurati per la soluzione di tali problemi. In questa tesi viene presentato un modello di turbolenza basato su correlazioni empiriche per risolvere la transizione dello strato limite da laminare a turbolento: SA - γ − Reθt. Tale modello è stato implementato in OpenFOAM, aggiungendo le due equazioni per la transizione – γ e Reθt – al modello di turbolenza già esistente Spalart–Allmaras (SA). Quindi il modello di turbolenza è stato testato, sulla transizione dello strato limite da laminare a turbolento su lastra piana, e sulla transizione indotta da separazione (Bolla di Separazione Laminare) su profili alari. Inoltre, sono stati eseguiti test, valutando le diverse correlazioni empiriche presenti nella letteratura scientifica, a bassi ed alti numeri di Reynolds, su profili standard e su profili di utilizzo in ambito eolico. Successivamente è stato condotto uno studio numerico su un profilo per alianti a camber variabile, per comprenderne il comportamento fluidodinamico e valutare l’opportunità di trasferirlo, con i dovuti accorgimenti, su una pala per turbine eoliche di grandi dimensioni. Per ora è stato ipotizzato un rotore avente un profilo costante su tutta la pala, che ovviamente non sarà quello definitivo, per una ricostruzione, in prima approssimazione della curva di potenza. Ragionando su tipologie di macchine già esistenti, è stata condotta un’analisi del tutto qualitativa, ipotizzando di operare con un sistema a giri variabili con l’obiettivo di cercare di sostituire al passo variabile degli attuali aerogeneratori, il profilo a camber variabile morphing–wing.