Development of a coupling framework for wind turbine aeroelastic steady-state calculations

Abstract

La industria de la energía eólica utiliza herramientas de ingeniería asistidas por ordenador para diseñar y optimizar aerogeneradores. Los aerogeneradores modernos tienen palas más grandes y flexibles, lo que puede desafiar las hipótesis de modelización tradicionales. En respuesta, se desarrollan nuevos métodos para comprender y modelizar mejor el comportamiento de los rotores. La modelización aeroelástica de los aerogeneradores requiere un modelo aerodinámico y otro estructural, que aborden las complejidades de cada disciplina por separado. Luego, estos modelos se acoplan para lograr una solución unificada del sistema. Dado que el acoplamiento a los modelos de aerogeneradores existentes puede ser complicado, es beneficioso hacerlo de manera más modular. En este proyecto, dos modelos de código abierto se acoplan para crear un modelo aeroelástico de estado estacionario para turbinas eólicas, utilizando un marco para aumentar la modularidad de los componentes del código en el lenguaje de programación Python. El modelo Blade Elements Vortex Cylinder (BEVC) se utiliza para la aerodinámica y el modelo estructural basado en la co-rotación, CoRot, se utiliza para la dinámica estructural. El método utilizado para el acoplamiento es el del método de punto fijo. Tras la implementación, el modelo se valida frente a HAWC2, el modelo aeroelástico de vanguardia de la DTU, en diversas condiciones operativas utilizando el aerogenerador de referencia de 15 MW de la IEA. Esta validación demuestra la precisión y fiabilidad del modelo resultante. Además, se explora el comportamiento de convergencia del acoplamiento para diferentes niveles de discretización de las palas del aerogenerador. Los resultados confirman que el modelo converge a un ritmo lineal, como era de esperar con los métodos de acoplamiento utilizados, requiriendo menos de diez iteraciones. El estudio de convergencia también permite comparar los niveles de discretización en función del error mínimo alcanzado, que muestra buenos resultados incluso para niveles de discretización bajos.

The wind energy industry uses computer-aided engineering tools to design and optimize wind turbines. Modern wind turbines have larger and more flexible blades, which can challenge traditional modeling assumptions. In response, new methods are being developed to better understand and model rotor behavior.

Aeroelastic modeling of wind turbines requires both an aerodynamic model and a structural model, which address the complexities of each discipline separately. These models are then coupled to achieve a unified solution for the system. Since coupling to existing wind turbine models can be complex, it is beneficial to approach this in a more modular way.

In this project, two open-source models are coupled to create a steady-state aeroelastic model for wind turbines, using a framework to increase the modularity of code components in the Python programming language. The Blade Elements Vortex Cylinder (BEVC) model is used for aerodynamics, and the co-rotational based structural model, CoRot, is used for structural dynamics. The method used for coupling is the fixed-point method.

After implementation, the model is validated against HAWC2, DTU's state-of-the-art aeroelastic model, under various operational conditions using the IEA 15 MW reference wind turbine. This validation demonstrates the accuracy and reliability of the resulting model. Additionally, the convergence behavior of the coupling is explored for different levels of blade discretization of the wind turbine. The results confirm that the model converges at a linear rate, as expected with the coupling methods used, requiring fewer than ten iterations. The convergence study also allows for comparison of the discretization levels based on the minimum error achieved, which shows good results even for low discretization levels.