Large eddy simulation of a marine turbine in a stable stratified flow condition

The present study concerns the evaluation of the effects of stable stratified condition on turbine performance and wake development. The numerical analysis has been carried out by means of Large Eddy simulation (LES) through the in-house LES-COAST model coupled with a turbine module that computes the turbine induced forces. The capability of the model in reproducing power and thrust characteristics of a turbine has been proved from the comparison between the numerical results and the experimental data supplied by literature. Since the stratification is an important factor in the marine dynamics, the aim is to evaluate the interaction between the stratification and the turbine. Moreover the overall power production of a tidal farm and the power output of the single turbines can be influenced by the effects that stratification entails on the flow field. To the best of our knowledge, in the marine field there is no research aimed at studying the influence of marine stratification on wake recover and turbine performance. Tidal sites where marine turbines are installed can be subject to the presence of density stable stratified conditions. The density stratification is due to temperature and/or salinity variations between the superficial and the bottom water. In order to evaluate the influence of stratification on power output and wake development and recover, we simulated to types of stable stratified condition: a weak and a strong stratification. The weak stratification has been simulated imposing a temperature jump in order to obtain a vertical density profile with a step shape. For the strong stratification, we imposed a salinity jump with a step shape which gives rise to an higher density variation compared to the weak case. Then the turbine has been introduced into the stratified fields and the results have been compared. The analysis of the results highlights that the stratification has an impact on turbine production and on wake development and recover. Moreover the turbine mixing effect is analyzed.

Il presente studio è incentrato sulla valutazione delle performance e sviluppo della scia di una turbina marina soggetta a condizioni di stratificazione stabile. Lo studio numerico è stato condotto per mezzo della tecnica di ‘Large Eddy Simulation’ (LES) mediante l’utilizzo del modello LES-COAST, sviluppato dal gruppo di ricerca. Il modello numerico è stato validato attraverso la comparazione tra i risultati numerici e dati di laboratorio(reperiti in letteratura) riguardanti la potenza estratta e la forza di thrust generata dalla turbina. Data l’importanza della stratificazione nelle dinamiche marine, l’ obbiettivo è studiare l’interazione tra la stratificazione e il campo della turbina. Inoltre la produzione globale di un parco di turbine marine e la produzione delle singole turbine possono essere influenzati dagli effetti della stratificazione sul campo di moto. Per quanto riguarda la letteratura, non sono state individuate ricerche con lo scopo di studiare gli effetti della stratificazione sullo sviluppo della scia e della produzione di energia della turbina. I siti di marea nei quali le turbine vengono istallate possono essere soggetti alla presenza di stratificazione stabile di densità. La stratificazione di densità è causata da variazioni di temperatura e/o salinità tra le acque superficiali e le acque del fondo marino. Allo scopo di valutare gli effetti della stratificazione sulla produzione di energia e sul recupero del deficit di velocità, sono stati simulati due tipi di stratificazione stabile: una condizione intensa e una condizione debole. La stratificazione di tipo debole è stata simulata imponendo un salto di temperatura in modo da ottenere un profilo di densità a forma di gradino. Per quanto riguarda la stratificazione intensa, è stato imposto un salto di salinità, anche in questo caso a forma di gradino, il quale produce una maggiore variazione di densità rispetto al caso debole. Successivamente la turbina è stata introdotta all’interno dei due campi stratificati e i conseguenti risultati sono stati comparati. L’analisi dei risultati dimostra che la stratificazione ha un impatto sulla produzione di energia della turbina e sull’evoluzione e recupero della scia. Inoltre l’effetto di mescolamento causato dalla turbina è stato analizzato