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Structural Modelling and Aeroelastic Analysis of the DANAERO Wind Turbine Rotor

Simone Ferrari

Structural Modelling and Aeroelastic Analysis of the DANAERO Wind Turbine Rotor.

Rel. Erasmo Carrera. Politecnico di Torino, Corso di laurea magistrale in Ingegneria Aerospaziale, 2019

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Abstract:

L'obiettivo di questa tesi è svolgere un'analisi aeroelastica della turbina eolica del progetto DANAERO all'interno di un nuovo progetto chiamato MEXNEXT che si prefigge come obiettivi una maggiore accuratezza e precisione nei metodi di simulazione. Per raggiungere tale obiettivo è stato inizialmente necessario ripercorrere la storia dell'energia eolica, comprendere il trend di pale eoliche di dimensioni sempre maggiori e capire quali strumenti sono attualmente disponibili per effettuare analisi aeroelastiche e come possono essere migliorati. Una prima conclusione basata sullo studio teorico è stata quella di poter migliorare l'accoppiamento tra risposta strutturale e carichi aerodinamici utilizzando un codice CFD (FLOWer) al posto del metodo BEM. Per quanto riguarda la componente strutturale della simulazione si è deciso di modellizzare la turbina eolica come FEM 1D attraverso un codice open source di nome KRATOS MULTIPHYSICS il cui impiego e la cui affidabilità costituiscono un ulteriore oggetto di valutazione all'interno di questa tesi. Una volta definiti gli strumenti che si andranno ad utilizzare, si sono analizzati i dati strutturali e geometrici della turbina eolica ottenuti dal progetto concludendo che per la generazione del modello FEM è necessaria una più approfondita analisi delle informazioni. Una volta validato il codice FEM (Kratos) confrontando i suoi risultati con risultati analitici, si sono calcolate le frequenze proprie della torre e della pala attraverso varie combinazioni di mesh e proprietà strutturali al fine di indentificare quale più si avvicinasse ai dati forniti dal progetto. Arrivati a questo punto è stato necessario creare parte del modello CFD della turbina eolica. La scelta è stata quella di effettuare come prima simulazione un'analisi aeroelastica della sola torre di modo da prendere confidenza con i software per un caso semplice. La mesh della torre è stata generata con POINTWISE e, una volta portata a convergenza la simulazione CFD instazionaria, si sono analizzati i carichi aerodinamici agenti su di essa e le conseguenti deformazioni tramite il modello FEM (ONE WAY COUPLING). Il passo successivo è stato l'analisi aeroelastica della turbina eolica che è stata svolta considerando due modelli differenti già sviluppati. Il primo è un modello ad 1/3 del rotore che considera una sola pala (modello a 120°) mentre il secondo è un modello completo (rotore, navicella, torre). Per entrambi si sono svolte le simulazioni CFD instazionarie e si sono applicati i carichi risultanti al modello FEM per valutare e comparare le deformazioni (ONE WAY COUPLING). La seconda e più complessa fase è stata svolta effettuando uno studio aeroelastico TWO WAY COUPLING sul modello a 1/3 in cui iterativamente il codice CFD e FEM si sono scambiati forze e deformazioni ad ogni TIMESTEP fino a raggiungere una soluzione aerodinamica e strutturale stabile e stazionaria. In seguito sono state condotte varie analisi e numerosi confronti tra i vari risultati ottenuti in termini di forze e spostamenti. Inoltre la stabilità aeroelastica della turbina è stata analizzata attraverso un confronto tra le frequenze delle forze eccitanti la struttura e le frequenze proprie di quest'ultima. Infine è stata calcolata la generazione di potenza della turbina nelle varie condizioni di utilizzo e per le diverse configurazioni simulate.

Relators: Erasmo Carrera
Academic year: 2019/20
Publication type: Electronic
Number of Pages: 131
Subjects:
Corso di laurea: Corso di laurea magistrale in Ingegneria Aerospaziale
Classe di laurea: New organization > Master science > LM-20 - AEROSPATIAL AND ASTRONAUTIC ENGINEERING
Ente in cotutela: Universität Stuttgart (GERMANIA)
Aziende collaboratrici: UNSPECIFIED
URI: http://webthesis.biblio.polito.it/id/eprint/12072
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