Modelling and Simulation of Vortex-Induced Vibrations in Wind Turbines

This thesis investigates vortex-induced vibrations (VIV) in wind turbine towers and blades. It addresses the challenges posed by this complex aeroelastic phenomenon through two complementary approaches: the application of engineering models to wind turbine towers and high-fidelity simulations of wind turbine airfoil sections. The research aims to enhance our understanding and predictive capabilities regarding VIV, which is critical for ensuring the structural integrity and safe installation and maintenance of wind turbines. The first part of the thesis focuses on the application of time-domain engineering models to the NREL 5-MW wind turbine tower. Three types of models are analysed: Type A (forced system), Type B (fluidelastic system), and Type C (coupled system). The Type B model, which incorporates both stochastic lift forces and aeroelastic damping terms, is found to be effective for predicting the VIV response of both highly and lowly damped structures. The Type C model, while more complex due to the presence of an extra differential equation for the wake dynamics, offers the potential for a more physically grounded representation of the system, involving fewer semi-empirical approximations. The Type C model is especially promising in its application to wind turbine blades, given its inherent ability to capture the aeroelastic phenomena involved in VIV and the lack of experimental and full-scale data available to tune a Type B semi-empirical model. However, further research is needed to develop and validate a Type C model that is suited to the blade case. The second part of the thesis extends the investigation to wind turbine blades using high-fidelity fluid-structure interaction simulations. Three cases are considered: a 2D airfoil using the Reynolds-averaged equations (URANS) turbulence-modelling approach, and two 3D cases using a hybrid approach between URANS and large-eddy simulations (DDES), for two blade aspect ratios. The simulations reveal critical insights into vortex shedding behaviour, including intermittent shedding regimes and the challenges of defining a single Strouhal number for 3D cases. The VIV response is characterized using a novel growth rate metric, which effectively identifies the fluid-structure lock-in range even in short simulations. A strong agreement is found between 2D and 3D results within the lock-in range, highlighting the potential of 2D simulations for preliminary investigations. In conclusion, this thesis advances the understanding of VIV in wind turbines by analysing time-domain engineering models and high-fidelity simulations. The research provides a foundation for future work aimed at refining VIV models, incorporating turbulence and 3D effects, and validating findings through experimental data. These advancements contribute to the design of safer, more efficient wind turbines, supporting the global transition to sustainable energy. RESUMEN Esta tesis investiga las vibraciones inducidas por torbellinos (VIV) en torres y palas de aerogenerador. El desafío que representa predecir este complejo fenómeno aeroelástico se aborda mediante dos enfoques complementarios: la aplicación de modelos ingenieriles a torres de aerogeneradores y la simulación de alta fidelidad de secciones de pala de aerogeneradores. El objetivo de la investigación es mejorar nuestra comprensión y capacidad predictiva en relación con las VIV, lo cual es fundamental para garantizar la integridad estructural y la seguridad durante la instalación y mantenimiento de los aerogeneradores. La primera parte de la tesis se centra en la aplicación de modelos ingenieriles en el dominio del tiempo a la torre del aerogenerador NREL 5-MW. Se analizan tres tipos de modelos: Tipo A (sistema forzado), Tipo B (sistema fluidoelástico) y Tipo C (sistema acoplado). El modelo Tipo B, que incorpora tanto fuerzas de sustentación estocásticas como términos de amortiguamiento fluidoelástico, demuestra ser eficaz para predecir la respuesta a las VIV en estructuras tanto con bajo como con alto amortiguamiento. El modelo Tipo C, aunque más complejo debido a la incorporación de una ecuación diferencial adicional que representa la dinámica de la estela, ofrece el potencial de una representación más fundamentada físicamente del sistema, implicando menos aproximaciones semiempíricas. El modelo Tipo C resulta especialmente prometedor para su aplicación a palas de aerogeneradores, dado su capacidad inherente para capturar los fenómenos fluidoelásticos asociados a las VIV y la escasa disponibilidad de datos experimentales y mediciones en campo necesarios para ajustar un modelo Tipo B semiempírico. Sin embargo, queda como trabajo futuro el desarrollar y validar un modelo Tipo C adaptado específicamente al caso de las palas. La segunda parte de la tesis amplía la investigación a palas de aerogeneradores mediante simulaciones de interacción fluido-estructura de alta fidelidad. Se consideran tres casos: un perfil aerodinámico 2D utilizando las ecuaciones promediadas de Reynolds (URANS), y dos secciones 3D con diferente relación de aspecto, utilizando un método híbrido entre URANS y la resolución de grandes torbellinos (DDES). Las simulaciones revelan información crítica sobre el comportamiento del desprendimiento de torbellinos, incluida la aparición de regímenes intermitentes de desprendimiento y los desafíos que supone definir un único número de Strouhal en estos casos. La respuesta a las VIV se caracteriza de manera novedosa mediante una métrica de ritmo de crecimiento, que identifica de forma efectiva el rango de sincronización fluido-estructura incluso en simulaciones de corta duración. Se observa una fuerte concordancia entre los resultados 2D y 3D dentro del rango de sincronización, lo que pone de relieve el potencial de las simulaciones 2D para estudios preliminares. En conclusión, esta tesis contribuye al avance en la comprensión de las VIV en aerogeneradores mediante el análisis de modelos ingenieriles en el dominio del tiempo y simulaciones de alta fidelidad. La investigación sienta las bases para futuros trabajos orientados a refinar los modelos ingenieriles de VIV mediante simulaciones de alta fidelidad, incorporando efectos tridimensionales y debidos a la turbulencia, y validando los resultados mediante datos experimentales. Estos avances contribuyen al diseño de aerogeneradores más seguros y eficientes, apoyando la transición energética.