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Refinement of a mesoscale model for large eddy simulation

Gasset, Nicolas (2014). Refinement of a mesoscale model for large eddy simulation. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

With the advent of wind energy technology, several methods have become mature and are seen today as standard for predicting and forecasting the wind. However, their results are still site dependent, and the increasing sizes of both modern wind turbines and wind farms tackle limits of existing methods. Some triggered processes extend to the junction between microscales and mesoscales.The main objectives of this thesis are thus to identify, implement and evaluate an approach allowing for microscale and mesoscale ABL flow modelling considering the various challenges of modern wind energy applications.

A literature review of ABL flow modelling from microscales to mesoscales first provides an overview of the specificities and abilities of existing methods. The combined mesoscale/large eddy simulation (LES) modelling appears to be the most promising approach, and the Compressible Community Mesoscale Model (MC2) is elected as the basis of the method in which the components required for LES are added and implemented. A detailed description of the mathematical model and the numerical aspects of the various components of the LES-capable MC2 are then presented so that a complete view of the proposed approach along with the specificities of its implementation are provided. This further allows to introduce the enhancements and new components of the method (separation of volumetric and deviatoric Reynolds tensor terms, vertical staggering, subgrid scale models, 3D turbulent diffusion, 3D turbulent kinetic energy equation), as well as the adaptation of its operating mode to allow for LES (initialization, large scale geostrophic forcing, surface and lateral boundaries). Finally, fundamental aspects and new components of the proposed approach are evaluated based on theoretical 1D Ekman boundary layer and 3D unsteady shear and buoyancy driven homogeneous surface full ABL cases. The model behaviour at high resolution as well as the components required for LES in MC2 are all finely evaluated, including: the dynamic kernel at high resolution; space and time discretization of the 3D turbulent diffusion; five subgrid scale models; and the sensitivity of the model to numerical parameters. Furthermore, LES test cases are thoroughly studied, showing that a longer time interval for post-processing than in the reference studies is needed due to a high but normal level of scatter in the results.

In the end, the obtained LES-capable mesoscale model is shown to perform on par with other similar reference LES models, albeit it is slightly more dissipative. It is thus demonstrated that the adapted MC2 is suitable for both micro- and mesoscales providing a strong foundation for more advanced studies.

Résumé traduit

L’avènement de la technologie éolienne s’est accompagné de l’arrivé à maturité des méthodes pour prédire et prévoir le vent. Toutefois, leurs résultats dépendent encore des sites étudiés, et leurs limites commencent à être atteintes avec l’augmentation de la taille des parcs et des éoliennes modernes. Certains des processus en présence sont maintenant à la limite des microéchelles et des mésoéchelles. Les objectifs de la thèse sont donc d’identifier, d’implémenter et d’évaluer une approche capable de modéliser les écoulements dans la couche limite atmosphérique (CLA) à ces échelles en considérant les défis liés aux applications éoliennes.

Une revue de la modélisation des écoulements de la CLA allant des microéchelles aux mésoéchelles est tout d’abord réalisée. La combinaison des approches mésoéchelle/simulation aux grandes échelles (SGÉ) ressort comme étant la plus prometteuse, et le Modèle Mésoéchelle Compressible Communautaire (MC2) est choisi comme point de départ auquel sont ajoutés et implémentés les éléments requis pour la SGÉ. S’en suivent, la description détaillée du modèle mathématique et des aspects numériques de la version de MC2 adaptée pour la SGÉ. Ainsi, l’approche proposée est clairement illustrées tant dans son ensemble, qu’au niveau des spécificités de son implémentation. Cela inclus les améliorations et les nouvelles composantes de la méthode (séparation du traitement des parties volumétriques et déviatoriques du tenseur de Reynolds, discrétisation verticale, modèles de sous-mailles, diffusion turbulente 3D, équation prognostique 3D de l’énergie cinétique turbulente), ainsi que les adaptations de son mode opératoire permettant la SGÉ (initialisation, forçages géostrophiques grande échelle, condition limites de surface et latérales). Finalement, les aspects fondamentaux et les nouvelles composantes de l’approche proposée sont évalués basé sur des cas 1D de couche limite d’Ekman et des cas 3D et instationnaires de CLA complète neutre et convective au dessus d’une surface homogène. Cela permet de finement évaluer : le noyau dynamique à haute résolution ; la discrétisation spatiale et temporelle de la diffusion turbulente 3D ; cinq modèles de sous-maille ; et la sensibilité du modèle aux paramètres numériques principaux. De plus, létude détaillée des cas tests 3D démontre que des intervalles de temps plus long que dans l’étude de référence sont nécessaires à cause d’une dispersion importante mais normale dans les résultats.

En définitive, il est prouvé que le modèle mésoéchelle adapté pour la SGÉ est aussi performant que les modèles SGÉ équivalents, quoique sensiblement plus dissipatif. Il est donc démontré que les modifications apportées à MC2 lui permettent d’opérer tant aux microéchelle qu’aux mésoéchelles, ce qui représente une base solide pour des études plus avancées.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philosophy". Bibliographie : pages 467-485.
Mots-clés libres: Couche limite (Météorologie) Modèles mathématiques. Couche limite (Météorologie) Dynamique des fluides. Dynamique des fluides numérique Modèles mathématiques. colonne, échelle, grand, modèle, simulation, couche limite atmosphérique, mésoéchelle, microéchelle, neutre, convectif, compressible
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Masson, Christian
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Benoit, Robert
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 14 mai 2014 14:47
Dernière modification: 14 mars 2017 00:20
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1258

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