Development of an advanced actuator line method for the aero-servo-elastic simulation of floating wind turbines

Floating offshore wind turbines (FOWTs) are a promising technology for harnessing wind energy in deep marine environments. Their potential has driven extensive research in both industry and academia, in designing and optimizing moorings, cables, floaters, and turbines to endure decades of operation in challenging conditions. Certification standards incorporate these demands, requiring the analysis of nearly 10,000 load cases. In the context of fixed bottom installations, engineering tools based on low-fidelity models are well known in the wind energy industry for their high calculation speed, ensuring competitiveness and a satisfying level of accuracy, under certain conditions. The increasing complexity of these conditions is putting these tools to the test, pushing them over their range of applicability. Their need of both auxiliary – where validation and corrections are needed – and complementary support – when these tools are not applicable – is currently triggering the development and application of higher order tools, which include a more refined analysis of the physics of the phenomena. Hybrid methods based on Computational Fluid Dynamics are some of the best candidates: the highest level of fidelity guaranteed by the full resolution of the flow field gives access to levels of details that potentially resemble a numerical experiment. Results can be adopted for the calibration and correction of the lower fidelity tools (auxiliary support). Moreover, the resolution of the entire wind field enables a more comprehensive and accurate resolution of the wind farm installations, not possible for lower-order methods (complementary support). In fact, with the increase of the computational power currently available in the research context, the range of applicability of these tools for the simulation of both the rotor response and turbine-turbine interactions keeps increasing. Moving from this background, an ambitious project is proposed in this thesis work. The objectives are twofold: first of all, a new aero-servo-elastic tool based on hybrid Actuator Line Method was developed within the framework of the commercial software CONVERGE, in order to enable the aeroelastic analyses of large-scale horizontal axis wind turbines. The tool was properly validated with multiple real-scale and scaled testcases, to prove the reliability of both the aerodynamic and the structural modules of the code. Secondly, and key element of novelty of the project: this tool was applied to high-fidelity simulations of fixed and floating horizontal axis wind turbines. In the final scope of developing a reliable hi-fi tool for the advanced simulation of FOWTs, efforts were put into the creation of realistic inflow conditions, and a dedicated assessment of the technique was performed, regarding the accurate resolution of turbulence approaching the rotor and in the wake. The aeroelastic investigation of real scale wind turbines has given clear proof that the correlation between aeroelastic response of the turbine and non-uniform wind conditions – even if simplified and resolved with URANS approaches – is tight and unequivocal. Moving from these outcomes, the importance of the accurate reconstruction of realistic inflow conditions inside the computational domain was proven to be fundamental for the high-fidelity simulation of FOWTs systems and became the central focus of the second part of this project. After the implementation of a local turbulence injection technique, a new numerical campaign was performed, featuring LES simulations of FOWTs under turbulent inflow conditions. Amongst others, two important messages were highlighted. First of all, the accurate inclusion and resolution of turbulence is fundamental for an equally accurate resolution of the wake dynamics, even at low turbulence levels. Secondly, turbulence was proved to have a great impact on the wake recovery of floating systems, almost nullifying the effects of the rotor motion on mean wind speed at the reduced frequencies herein investigated. In conclusion, as shown in detail in this manuscript, the tool and methods proposed in this work have proven their effectiveness and relevance in the aeroelastic simulation of floating wind turbines, paving the way for a comprehensive application on real scale floating systems; Le turbine eoliche galleggianti (FOWTs – Floating Offshore Wind Turbines) rappresentano una tecnologia promettente per sfruttare l’energia eolica in contesti marini con fondali profondi. Il loro potenziale ha stimolato un’intensa attività di ricerca, sia nell’industria che nel mondo accademico, volta alla progettazione e all’ottimizzazione di ormeggi, cavi, galleggianti e turbine, capaci di resistere per decenni in condizioni operative difficili. Gli standard di certificazione tengono conto di queste esigenze, richiedendo l’analisi di quasi 10.000 casi di carico. Nel contesto delle installazioni su fondazioni fisse, gli strumenti ingegneristici basati su modelli a bassa fedeltà sono ben conosciuti nell’industria eolica per la loro rapidità di calcolo, garantendo competitività e un livello di accuratezza soddisfacente, entro certi limiti. L’aumento della complessità delle condizioni operative sta però mettendo alla prova questi strumenti, spingendoli oltre il loro campo di applicabilità. La necessità di supporti sia ausiliari – per la validazione e correzione – sia complementari – quando tali strumenti non sono applicabili – sta attualmente stimolando lo sviluppo e l’impiego di strumenti di ordine superiore, che includono un’analisi più raffinata della fisica dei fenomeni. I metodi ibridi basati sulla Fluidodinamica Computazionale (CFD) sono tra i migliori candidati: il massimo livello di fedeltà, garantito dalla risoluzione completa del campo di moto, consente di accedere a un livello di dettaglio che si avvicina a un esperimento numerico. I risultati possono essere utilizzati per la calibrazione e correzione degli strumenti a bassa fedeltà (supporto ausiliario). Inoltre, la risoluzione dell’intero campo eolico permette una descrizione più completa e accurata delle installazioni in un parco eolico, non realizzabile con metodi di ordine inferiore (supporto complementare). Infatti, con l’incremento della potenza di calcolo attualmente disponibile in ambito di ricerca, il campo di applicabilità di questi strumenti per la simulazione della risposta del rotore e delle interazioni tra turbine è in continua espansione. Partendo da questo contesto, viene proposto in questo lavoro di tesi un progetto ambizioso. Gli obiettivi sono due. In primo luogo, è stato sviluppato un nuovo strumento aero-servo-elastico basato su un metodo ibrido di linea attuatrice (Actuator Line Method), all’interno del software commerciale CONVERGE, al fine di abilitare analisi aeroelastiche di turbine eoliche orizzontali di grande scala. Lo strumento è stato debitamente validato su molteplici casi di test reali e in scala ridotta, per dimostrare l’affidabilità sia del modulo aerodinamico che di quello strutturale del codice. In secondo luogo – elemento chiave di novità del progetto – questo strumento è stato applicato a simulazioni ad alta fedeltà di turbine eoliche orizzontali sia fisse che galleggianti. Con l’obiettivo finale di sviluppare uno strumento ad alta fedeltà affidabile per la simulazione avanzata delle FOWT, sono stati compiuti sforzi per la creazione di condizioni realistiche di inflow, e una valutazione dedicata della tecnica è stata svolta, con riferimento alla risoluzione accurata della turbolenza in prossimità del rotore e nella scia. L’indagine aeroelastica su turbine eoliche in scala reale ha fornito prove chiare del fatto che la correlazione tra la risposta aeroelastica della turbina e le condizioni di vento non uniformi – anche se semplificate e risolte con approcci URANS – è forte e inequivocabile. A partire da questi risultati, è stata dimostrata l’importanza fondamentale della ricostruzione accurata di condizioni realistiche di inflow all’interno del dominio computazionale per la simulazione ad alta fedeltà di sistemi galleggianti, che è diventata il fulcro della seconda parte di questo progetto. Dopo l’implementazione di una tecnica di iniezione locale di turbolenza, è stata condotta una nuova campagna numerica, caratterizzata da simulazioni LES di turbine eoliche galleggianti in condizioni di inflow turbolento. Tra i vari risultati, due messaggi importanti sono emersi. Innanzitutto, l’inclusione accurata e la risoluzione della turbolenza sono fondamentali per una rappresentazione altrettanto accurata della dinamica della scia, anche a bassi livelli di turbolenza. In secondo luogo, è stato dimostrato che la turbolenza ha un impatto significativo sul recupero della scia nei sistemi galleggianti, annullando quasi completamente gli effetti del moto del rotore sulla velocità media del vento alle frequenze ridotte qui investigate. In conclusione, come illustrato in dettaglio in questo manoscritto, lo strumento e i metodi proposti in questo lavoro hanno dimostrato efficacia e rilevanza nella simulazione aeroelastica di turbine eoliche galleggianti, aprendo la strada a un’applicazione completa su sistemi galleggianti in scala reale.