PROGRAMMA PRIN 2022 - BCALL PRIN2022 D.D. N.104 DEL 2 FEBRUARY 2022
PROJECT TITLE: Diffuser augmented Wind Turbines for URBban environments (DWTURB)
CUP CODE: D53D23003300006
Budget: € 129.385
VAT No.: Prof.ssa Stefania Cherubini
Other Research Units or any Sub-Units: University of Naples Federico II
Description of the project
The project DWTURB has aimed at developing an accurate numerical modeling of Diffuser Augmented Wind Turbines (DAWTs), which consist of a wind turbine rotor installed inside an annular wing. The benefit of these turbines relies on the possibility of extracting more power from the wind compared to an Open Wind Turbine (OWT) with the same frontal area, due to the extra mass flow that a DAWT can swallow thanks to the fruitful synergy between duct and rotor. This allows a considerable energy production even at low cut-in wind speeds, and lowers the noise. The performance of DAWTs is generally analysed using theoretical or numerical approaches modeling the rotor as an actuator disk (AD), which renders the simulations computationally cheap, but does not account for the presence of a finite number of blades and for the boundary layer separation that may occur on the diffuser area.
Aim of the project
The present project has aimed at carrying out Reynolds-Averaged Navier-Stokes Simulations (RANS) and Large Eddy Simulations (LES) for ensuring an accurate modeling and estimate of the performances of these turbines.
Expected outcomes
The activity went beyond the mere selection of a previously adopted DAWT configuration and were expected to evolve into a structured aerodynamic design that overcomes the classical uncoupled approach commonly adopted in the literature, where the rotor and the diffuser are designed separately. Starting from a reference geometry, a systematic CFD-based design strategy was expected to be developed to investigate the coupled interaction between rotor and diffuser and to identify the key geometric and operational parameters governing power extraction enhancement.
Achieved Results
Successivamente sono state eseguite simulazioni RANS tridimensionali per fornire una comprensione dettagliata del campo di moto, della distribuzione della pressione e dei meccanismi di interazione rotore-condotto. Particolare attenzione è stata dedicata a garantire la robustezza del quadro numerico, ulteriormente supportata da attività di validazione svolte su un’ulteriore configurazione di turbina eolica per la quale erano disponibili dati sperimentali. Sono quindi state eseguite simulazioni Large Eddy, al fine di confrontare le prestazioni aerodinamiche e le caratteristiche del flusso della turbina canalizzata considerata e di una turbina eolica convenzionale a cielo aperto. Sono stati valutati gli effetti operativi sulle prestazioni del maximum power point tracking a carico parziale e l’impatto delle variazioni geometriche del diffusore, in particolare nella sezione divergente a valle del rotore, sulla dinamica della scia e sulla potenza prodotta. Come dimostrato dalle simulazioni, l’implementazione di un diffusore ha mostrato di migliorare il flusso inghiottito dal rotore. Ciò, a sua volta, ha determinato un aumento della generazione di potenza rispetto a una configurazione aperta. Con l’obiettivo di sviluppare Reduced-Order Models (ROM) dinamicamente accurati di un flusso così complesso, i campi di flusso ottenuti mediante Large Eddy Simulations sono stati quindi utilizzati come database per decomposizioni modali. Su questi campi di flusso tridimensionali, viene applicata la Dynamic Mode Decompositon, consentendo una ricostruzione economica del flusso in grado di stimare le prestazioni e l’impatto delle turbine eoliche sull’ambiente con accuratezza accettabile e basso costo computazionale. Ulteriori sforzi sono stati dedicati allo sviluppo di strumenti di modellazione computazionalmente efficienti, capaci di preservare la fisica essenziale dell’interazione rotore-diffusore. Il quadro proposto integra in modo coerente il carico aerodinamico locale e la risposta globale del flusso in un contesto computazionale ridotto, preservando i principali meccanismi di interazione responsabili del miglioramento delle prestazioni. Questo approccio ha consentito lo sviluppo di uno strumento predittivo fisicamente fondato ed efficiente per l’analisi delle prestazioni delle DAWT, in linea con l’obiettivo complessivo di fornire metodologie affidabili per la progettazione e l’ottimizzazione con un costo computazionale notevolmente ridotto.
