Towards a virtual platform for aerodynamic design, performance assessment and optimization of horizontal axis wind turbines
Authors:   , Martínez Valdivieso Daniel 
Published: October 2023

This thesis focuses on the study and improvement of the techniques involved on a virtual platform for the simulation of the Aerodynamics of Horizontal Axis Wind Turbines, with the ultimate objective of making Wind Energy more competitive.

Navier-Stokes equations govern Aerodynamics, which is an unresolved and very active field of research due to the current inability to capture the relevant the scales both in time and space for nowadays industrial-size machines (with rotors over 100 m in diameter). Therefore, there is a need to aim at a combination of engineering and scientific models. The structure of this thesis is designed in accordance to the previous fact, so there are clearly two parts or approaches within the conducted research: zero dimensional models and CFD based analysis.

For those zero-dimensional and (computationally) cheaper approach, the efforts done were the next: visualization and side improvements on the well known BEM code for pre-design purposes; designing an AeroElectric coupled algorithm to merge BEM with simple generator models that exclude details on electric circuits; designing a C++ code to study the dynamics
of wind turbines coupling different component models; implementation of energy production based algorithms to optimize blades pre-designed with BEM, given the wind resources at the real location.

CFD-based analysis are meant to be the tools to design wind turbines in the future. Nowadays and for the years to come, they are and will be under ongoing research. The efforts done to this rescpect have been the next: exploration, implementation and analysis of Non-Inertial Reference Frame, Immersed Boundary Method, Sliding Meshes. Additionally, Adaptive Mesh Refinement and Wall Model LES methods have been explored too.

Esta tesis se focaliza en el estudio y mejora de las técnicas asociadas a la generación de una plataforma virtual para la simulación de la Aerodinámica presente en Aerogeneradores de eje horizontal cuyo objetivo último es hacer la energía eólica más competitiva. Las ecuaciones de Navier-Stokes gobiernan la Aerodinámica, que es un aspecto no resuelto y en constante investigación debido a la inabilidad de capturar las escalas turbulentas, temporales y espaciales, presentes en los aerogeneradores de tamaño industrial actuales (con diámetro de rotor por encima de los 100 m). Se necesitan ambas estrategias: modelos ingenieriles para su rápido diseño y también modelos más refinados al máximo nivel científico. La estructura de esta tesis responde precisamente a esta necesidad. Se han llevado a cabo dos estrategias bien diferencias: la construcción de modelos cero-dimensionales por un lado, y la estrategia de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) por otro. Los modelos cero-dimensionales son más asequibles y baratos desde un punto de vista computacional. Los esfuerzos realizados en este sentido son los siguientes: visualización de resultados y mejora de los conocidos modelos BEM (Blade Element Momentum) para estrategias de prediseño; diseño del algoritmo AeroElectric, que acopla los modelos BEM con la parte electrica del aerogenerador, llevando a cabo una visión simplificada que excluye un análisis de sus circuitos eléctricos; diseño de un código en C++ capaz de analizar el comportamiento dinámico de los aerogeneradores, modelizando sus diferentes componentes en base a los códigos ya expuestos; implementación del cálculo de la producción energética en base a algoritmos de optimización de la geometría de las palas, ya en función de los recursos eólicos de la zona en su localización final. El análisis a través de CFD aspira a ser la herramienta de diseño de aerogeneradores del futuro. A día de hoy e incluso por los próximos años, hay una prometedora línea de investigación al respecto. Los esfuerzos realizados en esta dirección son los siguientes: exploración, implementación y análisis de los métodos Non-Inertial Reference Frame (sistema de referencia no inercial), Immersed Boundary Method (IBM, método de la frontera submergida) y Sliding Meshes (mallas deslizantes). Además, las estrategias de Adaptive Mesh Refinement (refinamiento local adaptivo) and Wall Model LES (modelos de pared aplicados a LES) han sido explorados también. Ambos métodos (modelos ingenieriles y simulaciones detalladas) demandan fuertes estructuras de procesamiento geométrico. Lidiar con geometría es el cuello de botella y una parte crucial. De hecho, es el primer paso para el análisis posterior y su procesamiento es laborioso y muy costoso computacionalmente hablando. Así pues, la implementación de un entorno para la gestión geométrica fue desarrollado y presentado con anterioridad a dichos modelos. Los puntos principales del estudio geométrico son cuatro. El primero lidia con la gestión de la información asociada a la geometría de un perfil desde un punto de vista computacional y genérico. El segundo corresponde a la automatización del proceso de diseño de modelos CAD para palas, ya sea para el mallado o su fabricación final. El tercero responde a necesidad de IBM de disponer de una plataforma para gestionar la geometria de los diferentes componentes de un aerogenerador. Y el último punto trata sobre el desarrollo de un algorimo para computar las distancias desde cualquier punto de la malla al modelo geométrico de la pala basado en un archivo STL.