Aero-Structural Optimization of Vertical Axis Wind Turbines

This Thesis focuses on the aero-structural simulation and optimization of Darrieus Vertical Axis Wind Turbines. Aerodynamic simulation tools based on different techniques are developed, improved with respect to state-of-art tools, and validated against experimental data. The main considered approaches are based on the Blade Element Momentum, Vortex, two- and three-dimensional Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes (URANS) Computational Fluid Dynamics (CFD) models. The models are developed keeping in mind the final coupling with an optimization algorithm, therefore with particular emphasis on the computational effort and simulation robustness. A structural simulation tool based on the Euler-Bernoulli beam theory is also developed and validated against experimental data to perform an efficient aero-structural simulation. The validated models are coupled with an optimization algorithm under certain constraints to create an iterative loop able to produce improved designs. Different applications are considered based on the most relevant research topics and real case scenarios. The particular case of a floating Troposkien Vertical Axis Wind Turbine is analysed by improving the baseline aerodynamic design for the 5 MW rotor developed in the FP7 DeepWind project and evaluating the aerodynamic performance under rotor tilted conditions for the 1 kW demonstrator. The airfoil shape for the blade of a 500 kW H-rotor is also subjected to an optimization analysis with the aim to increase the aerodynamic production, obtaining a new geometry different from literature design. Finally, the aerodynamic and structural simulation tools are coupled to perform a complete aero-structural optimization of blade shape and chord distribution for a 500 kW Troposkien rotor. Both aerodynamic production and rotor stress are targeted in the routine and new blade shapes are found and discussed. The Thesis results, beside the increased performance with respect to the baseline case, prove that iterative loops, obtained by coupling a fast simulation tool and an optimization algorithm, can be adopted in the design and test phase of Darrieus Vertical Axis Wind Turbines, by providing the designer an advanced insight on the aerodynamic and structural phenomena experienced by these complex machines.

Questa Tesi ha come oggetto la simulazione e l'ottimizzazione aero-strutturale di Turbine Eoliche ad Asse Verticale Darrieus. Strumenti per la simulazione aerodinamica basati su differenti tecniche sono sviluppati, migliorati rispetto allo stato dell'arte, e validati rispetto a dati sperimentali. I principali approcci considerati sono basati sui modelli Blade-Element Momentum, Vortex e Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes (URANS) Computational Fluid Dynamics (CFD) bi- e tri-dimensionali. I modelli sono sviluppati tenendo a mente l'accoppiamento con un algoritmo di ottimizzazione, quindi con particolare enfasi sullo sforzo computazionale e sulla robustezza della simulazione. Uno strumento di simulazione strutturale basato sulla teoria della trave di Eulero-Bernoulli è, in aggiunta, sviluppato e validato rispetto a dati sperimentali per effettuare una efficiente simulazione aero-strutturale. I modelli validati sono accoppiati con un algoritmo di ottimizzazione per la creazione di un ciclo per l'ottenimento di configurazioni migliorate. Differenti applicazioni sono considerate, basate sui temi di ricerca più rilevati e scenari reali. Il caso particolare di una Turbina Eolica ad Asse Verticale Troposkiana è stato considerato al fine di migliorare la configurazione aerodinamica di base di un rotore da 5 MW sviluppato nell'ambito del progetto FP7 DeepWind e di valutare le prestazioni aerodinamiche del dimostratore da 1 kW con rotore inclinato. La forma del profilo per la pala di un rotore ad H da 500 kW è oggetto anch'essa di un'attività di ottimizzazione finalizzata all'aumento della produzione aerodinamica, ottenendo una nuova geometria completamente differente da quelle disponibili in letterature. Infine, gli strumenti di simulazione aerodinamica e strutturale sono accoppiati per condurre una completa ottimizzazione aero-strutturale della forma della pala e della distribuzione di corda per un rotore Troposkiano da 500 kW. Sia la produzione aerodinamica che lo stato tensionale sono considerati come obiettivi e nuove forme palari sono individuate e discusse. I risultati della Tesi, oltre all'incremento di prestazioni rispetto alle geometrie di base, provano che i cicli iterativi, ottenuti tramite l'accoppiamento di un veloce strumento di simulazione e un algoritmo di ottimizzazione, possono essere adottati nella progettazione e test di Turbine Eoliche ad Asse Verticale Darrieus, fornendo al progettista un avanzato strumento di analisi dei fenomeni aerodinamici e strutturali agenti in queste complesse macchine.