Unsteady Aerodynamics of a Savonius wind rotor: a new computational approach for the simulation of energy performance

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Oggetto del lavoro (traduzione)

Paragonato agli altri rotori di turbine eoliche il rotore Savonius offre performance più basse in termini di coefficiente di potenza, ma d'altra parte, offre alcuni vantaggi quali l'estrema semplicità di costruzione, la sua capacità di auto-avviamento e la sua capacità di auto-orientamento alla direzione del vento. Sebbene sia un rotore molto adatto ad essere integrato in ambiente urbano come mini e micro tubine, si dimostra poco adatto alle applicazioni che richiedono elevata potenza. Per questa ragione alcuni studi aerodinamici sono stati condotti con lo scopo di incrementarne le prestazioni aerodinamiche.Lo scopo di questa ricerca è aumentare la conoscenza della complessa fluidodinamica che si sviluppa attorno al rotore Savonius e di valutare le sue prestazioni. E' stato sviluppato un modello dell'interazione tra il flusso e le pale del rotore, il modello è stato validato paragonando i risultati con quelli sperimentali ottenuti nella Galleria del Vento Ambientale dell'Università politecnica delle Marche.

In questo lavoro è stata realizzata una procedura computazionale a circuito chiuso, che utilizza FLUENT e MatLab in grado di modellare l'interazione fluido-corpo rigido, nel caso del sistema ad un grado di libertà costituito dalla turbina eolica. In particolare le equazioni del flusso turbolento sono state risolte usando un accurato approccio RANS (equazioni di Navier Stokes mediate alla Reynolds) non stazionario, accoppiato con un modello di turbolenza a quattro equazioni. Inoltre la strategia di soluzione usata, che prevede il rotore con velocità angolare variabile, inserito in un riferimento inerziale,   ha consentito di tenere in conto i contributi delle forze di Coriolìs e centrifuga nelle equazioni della turbolenza (generalmente trascurati) e di ottenere una previsione molto accurata   del comportamento non stazionario della coppia aerodinamica sul rotore. I dati ottenuti dalla simulazione CFD sono stati inseriti in una procedura MatLab, appositamente sviluppata, per calcolare il moto del corpo solido, integrando la seconda equazione cardinale della dinamica per il sistema rotante e determinare la sua velocità di rotazione. Il nuovo valore della velocità angolare è stato ancora inserito in FLUENT, chiudendo il ciclo, come dati di partenza di una nuova simulazione. La procedura implementata ha consentito una stima numerica delle prestazioni energetiche del rotore Savonius. I dati numerici paragonati a quelli misurati hanno fornito un ottimo accordo, evidenziando la possibilità di utilizzare tale procedura numerica per la stima delle prestazioni di rotore con nuove forme delle pale.

Job task

When compared with of other wind turbine the Savonius wind rotor offers lower performance in terms of power coef fi cient, on the other hand it offers a number of advantages as it is extremely simple to built, it is self-starting and it has no need to be oriented in the wind direction. Although it is well suited to be integrated in urban environment as mini or micro wind turbine it is inappropriate when high power is requested. For this reason several studies have been carried-out in recent years in order to improve its aerodynamic performance. The aim of this research is to gain an insight into the complex fl ow fi eld developing around a Savonius wind rotor and to evaluate its performance. A mathematical model of the interaction between the fl ow fi eld and the rotor blades was developed and validated by comparing its results with data obtained at Environmental Wind Tunnel (EWT) laboratory of the " Polytechnic University of Marche " . In this work a computational closed loop procedure, capable of modelling the fluid-rigid body interaction in the case of wind turbine one degree of freedom   system,   has been produced using MatLab and FLUENT. In particular,   turbulent flow governing equations have been solved using a very accurate unsteady RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes equations) approach with a four equations turbulence model. Moreover, to take into account the rotor rotation,   a solution strategy locating the turbine, with variable rotor angular velocity, in an inertial frame, has been used. This allowed to consider Coriolìs and centrifugal forces contributions in the turbulence equations (usually neglected) and to obtain a very accurate prediction of the unsteady behaviour of the aerodynamic torque on the rotor. Data obtained from CFD simulation was used in a custom MatLab procedure to evaluate the motion of the solid body, integrating the second cardinal equation of the dynamics for the rotating system and calculate its angular velocity. New value of the angular velocity was again transmitted to FLUENT, closing the loop, in order to start a new simulation. The procedure implemented, allowed a numerical estimation of the energy performance of the Savonius wind rotor. Numerical data compared with measured ones showed a very good agreement, enlightening the opportunity to use this procedure for the energy   performance estimation of rotors with new blade shapes.

Referente:

Prof. Renato Ricci

Dipartimento di Energetica - Facoltà di Ingegneria

tel. 071 2204758

e-mail: r.ricci@univpm.it