High order methods for the generation and propagation of wind turbine aeroacoustics
Authors:   , Mariño Sánchez Oscar Ándres 
Published: August 2024

This thesis focusses on computation methods for aeroacoustics of airfoil sections and wind turbines, when simulated using compressible NavierStokes (NS) equations discretised with the Discontinuous Galerkin Spectral Element Method (DGSEM). We consider airfoil sections (a blade section) to assess the accuracy in predicting noise using high-order techniques to then propose an acoustic prediction method for the rotating turbines.

First, we study the airfoil level by assessing the fundamental phenomena influencing aeroacoustics in the context on Large Eddy Simulations (LES), including mesh refinement for high-order simulations (including h/p refinement) and the turbulence closure. We compare explicit LES (Vreman, Wale) and implicit LES (energy/entropy stable formulation and a new jump penalisation technique).

Second, we study two ways to calculate acoustics. The first one considers well-resolved simulations (direct approach), while the second separates generation and propagation of acoustics using acoustic analogies. The former solves the generation and propagation simultaneously, by letting the compressible formulation capture wave acoustics. The low dissipative character of the high-order DG scheme is shown to be able to propagate waves with minimal errors. The latter approach alleviates the computational requirements by using an acoustic analogy (Ffowcs-Williams and Hawkings) to propagate the sound waves to the far field. We have compared both formulations, and proved the spectral convergence for both when using our DG formulation in airfoil sections.

Third, we propose a methodology to predict the aeroacoustics of wind turbines at a reduced cost. We use the Actuator Line (AL) method that replaces the blades of the wind turbine blades with rotating source terms and mimics blade rotation. We have compared two ways of integrating AL with DGSEM and we study the mesh and polynomial interaction with the model. Finally, we couple the AL method with Amiets acoustic models, to allow the computation of the noise generated by the rotating blades, enabling the prediction of far field noise at reduced cost.

RESUMEN

Esta tesis se centra en métodos computacionales para el cálculo de aeroacústica en perfiles aerodinámicos y turbinas de viento, solucionando la formulación compresible de las ecuaciones de NavierStokes, utilizando el método de Discontinuous Galerkin Spectral Element Method (DGSEM). Consideramos perfiles aerodinámicos (una sección de la pala de una turbina) para evaluar la precisión en la redicción de ruido utilizando métodos de alto orden, para posteriormente proponer una metodología para predecir el ruido de turbinas rotatorias.

Primero, estudiamos el nivel de perfil, evaluando fenómenos fundamentales importantes que afectan la acústica en el contexto de simulaciones de grandes vórtices (LES por sus sigas en ingles), donde se incluyen refinamiento de malla para simulaciones de alto orden (incluyendo refinamiento h/p) y cierre de problemas con turbulencia. Comparamos modelos LES explícitos (WALE y Vreman), y la versión implícita de LES (formulaciones estables de conservación de energía/entropía, y una nueva técnica de penalización).

Segundo, investigamos dos formulaciones para calcular la acústica. La primera considera simulaciones bien resultas en todo el dominio (enfoque directo), mientras que la segunda realiza una separación de la generación y la propagación de la acústica utilizando analogías. Para el primer caso, se resuelven ambas (generación y propagación) de forma simultanea, aprovechando que la formulación compresible captura las ondas acústicas. La baja disipación del método numérico de alto orden ha demostrado ser capas de propagar dichas ondas con mínimos errores. Por otro lado, en el segundo caso, el requerimiento computacional es aliviado al usar una analogía acústica (Ffowcs-Williams and Hawkings) para resolver la parte de propagación de la ondas hacia el campo lejano. Ambas formulaciones son comparadas y se prueba la convergencia espectral de la formulación DGSEM en perfiles aerodinámicos.

Tercero, proponemos una metodología para predecir aeroacústica de turbinas a bajo costo computacional. Utilizamos el modelo de linea actuadora (AL por sus siglas en ingles), donde las palas de la turbina son reemplazadas por términos fuentes en movimiento, las cuales reproducen las fuerzas ejercidas por las palas en rotación. Hemos comparado dos formas de integrar el modelo AL con DGSEM, y estudiado la interacción con el nivel de discretización, es decir el tamaño de la malla y el polinomio. Finalmente, hemos acoplado este modelo con los modelos acústico de Amiet, de forma tal que se puede calcular el ruido generado por la turbina entera y que es escuchado en el campo lejano con bajo coste.