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Turbullence modelling of the atmospheric boundary layer over complex topography

Bautista, Mary Carmen (2015). Turbullence modelling of the atmospheric boundary layer over complex topography. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Nowadays, the wind energy industry employs different types of turbulence models which are capable of reproducing the correct and realistic behaviour of relatively simple flows (e.g. Wind over flat, homogeneous and obstacle free terrain). However, as the complexity of the flow increases (e.g. wind over complex topography), the accuracy of the turbulence models may be greatly reduced, and in general, their computational cost rises significantly. Accurate and reliable flow simulations are still not practical for wind industry applications over complex terrain.

To improve wind flow simulations over complex terrain, two of the main challenges that the wind energy sector faces are addressed. The first challenge is related to the fact that ground surface modelling treatments are valid only on flat terrain. Nevertheless, it is a common practice to use those surface treatments on simulations over complex terrain. However, the k − ω SST (shear stress transport) turbulence model has a novel surface treatment that is less dépendent on flat terrain assumptions. The second challenge is the high computational cost when accuracy and reliable turbulence statistics are needed. Nonetheless hybrid turbulence models could provide a good compromise between accuracy and computational cost. A turbulence model based on the k − ω SST model and the simplified improved delayed detached-eddy simulation (SIDDES) hybrid technique is proposed to address those needs.

To validate this model for atmospheric flows, first an extensive analysis of certain canonical flows was carried out. This rigorous validation helped understand the inherent limitations of the turbulence model within the specific numerical framework. Subsequently, computations of the neutrally stratified atmospheric flow over flat homogeneous terrain and then over complex topography were conducted. The results show that the k − ω SST-SIDDES turbulence model is able to predict realistic wind behaviour over flat terrain and more complex cases. The vertical grid refinement in the near-wall region required by this model poses a major challenge for the mesh generator. But despite this limitation, k − ω SST-SIDDES turbulence model proved to be a suitable approach for modelling the wind flow over complex terrain without relying on flat terrain assumptions or requiring substantial computer resources.

Titre traduit

Modélisation de la turbulence dans la couche limite atmosphérique sur terrains complexes

Résumé traduit

De nos jours, l’industrie de l’énergie éolienne emploie différents types de modèle de turbulence qui sont capables de reproduire correctement et de manière réaliste le comportement de divers écoulements relativement simples (par ex.: vent au dessus d’un terrain plat, homogène et sans obstacles). Cependant, l’augmentation de la complexité de l’écoulement (par ex.: dans le cas de topographies complexes) diminue grandement la précision des modèles de turbulence, tout en augmentant le coût des calculs. Par conséquent, les simulations précises et fiables des écoulements au-dessus des terrains complexes demeurent peu pratiques pour les applications du secteur éolien.

Afin d’améliorer les simulations d’écoulement du vent au-dessus des terrains complexes, deux des principales difficultés rencontrées dans ce domaine seront présentées dans cette thèse. La première difficulté est liée au fait que les traitements existants de modèles de surface ne sont valides que pour les terrains plats. Néanmoins, ces traitements sont fréquemment appliqués à des simulations d’écoulement au-dessus de terrain complexes. Cependant, le modèle de turbulence k − ω SST (shear stress transport) possède un traitement novateur de la surface qui le rend moins dépendant des suppositions de terrains plats. La seconde difficulté correspond aux coûts prohibitifs des simulations lorsque des statistiques précises et fiables sont requises. Cependant, les modèles hybrides de turbulence peuvent présenter un compromis idéal entre précision et coût de calculs. Prenant tout cela en compte, les travaux de cette thèse emploient un modèle de turbulence basé sur le modèle k−ω ainsi que sur la technique hybride dite “simplified improved delayed detached-eddy simulation” (SIDDES), afin d’adresser les besoins du secteur de l’énergie éolienne.

Pour valider ce modèle d’écoulement atmosphérique, une analyse détaillée d’écoulements typiques est effectuée. Cette validation rigoureuse permet de mieux comprendre les limitations intrinsèques du modèle de turbulence dans le cadre des calculs numériques effectués. Par la suite, des simulations de l’écoulement dans la couche atmosphérique neutre au-dessus d’un terrain plat et homogène sont conduites. Les résultats montrent que le modèle de turbulence k − ω SST-SIDDES reproduit de manière réaliste le comportement du vent au-dessus de terrains plats et complexes. La finesse verticale de la grille de calcul proche des limites du domaine requises par ce modèle présente un problème majeur pour la création du maillage. Cependant, malgré cette limitation, il est démontré dans cette thèse que le modèle de turbulence k-omega SST-SIDDES représente une approche appropriée à la modélisation de l’écoulement du vent au-dessus des terrains complexes, et ce, sans avoir à supposer que le terrain est plat et sans exiger d’importantes ressources de calculs.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thesis presented to the École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philosophy". Bibliographie : pages 179-188.
Mots-clés libres: Air Écoulement Modèles mathématiques. Turbulence atmosphérique. Couche limite (Météorologie) Topographie. Modèles numériques de terrain. Industrie éolienne. technologie éolienne, modélisation de la turbulence, model hybride, terrain complexe, simulations micro-échelle
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Dufresne, Louis
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Masson, Christian
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 02 déc. 2015 14:59
Dernière modification: 10 déc. 2016 16:48
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1570

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