Structural Modelling and Aeroelastic Analysis of the DANAERO Wind Turbine Rotor

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.