Evaluating the accuracy of RANS wind flow modeling and its impact on capacity factor for moderately complex forested terrain

Morales Garza, Viridiana Guadalupe (2017). Evaluating the accuracy of RANS wind flow modeling and its impact on capacity factor for moderately complex forested terrain. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The growth of onshore wind energy into the second largest renewable energy source has depended on overcoming many technological challenges. One of the main research priorities has been minimizing the uncertainty associated with wind energy yield calculations. The success of these calculations strongly depends on accurate wind resource assessment mainly done with wind speed measurements. Notwithstanding, a lack of measurement data justifies the use of computational modeling with promising results. But significant modeling challenges remain when analyzing turbulence over forested complex sites. These challenges are considered in this work with the main objective of evaluating the uncertainty in the wind flow predictions over moderately complex forested terrain and its impact on capacity factor, using the Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) equations coupled with a modified k-ε turbulence closure in the open-source software OpenFOAM v.2.4.0.

With the effects of complex topography implicitly captured in the RANS equations, the effects of the forest are explicitly calculated with two models: a displacement height model, and a canopy model that estimates the pressure loss due to the forest through analogy with porous media. To properly simulate the atmospheric boundary layer (ABL), the specific boundary conditions that rely on the law of the wall are implemented based on the recommendations of Richards and Hoxey, and Hargreaves and Wright. To validate the canopy model, the case of a fully-developed wind flow within and above a horizontally homogeneous black spruce forest is reproduced. Furthermore, two practical limitations are considered: 1) the physical foliage parameters may not be accessible for all type of forests; therefore, a generic leaf area density (α) distribution that is in agreement with the published results is tested; and 2) the published case limits its use to cyclic boundary conditions which are not practical for real site cases. Therefore, for cases without cyclic boundary conditions, two sensitivity analyses on the friction velocity u∗ and roughness length at the inlet z0inlet are tested. Different values of either of them give no significant difference in the vicinity of the forest, but they do at higher altitudes approaching the top boundary. This highlights the importance of imposing a proper fully-developed flow at the inlet condition.

Four model cases are calculated for a site located in Quebec, Canada: A) terrain only, B) displacement height, C) canopy model with a uniform forest, and D) canopy model with the real forest distribution. The results are compared in terms of speed-up factors S (normalized velocities) with two years of measurement data from EDF-EN. Overall, the canopy model provides a better agreement with the mean statistical results than the other models. And where the terrain is densely forested, the assumption of a constant forest height delivers promising results. Finally, it is shown that the uncertainty in the energy calculation in terms of capacity factor CF is a non-linear function of the uncertainty in S. In this case, the 2.76% uncertainty in speed-up factor associated with the real forest distribution model leads to an uncertainty in the energy calculation of just 5.76%.

Titre traduit

Évaluation de la precision de la modélisation RANS de l'écoulement du vent et son impact sur le facteur de capacité pour un terrain forestier modérément complexe

Résumé traduit

La croissance de l’énergie éolienne terrestre jusqu’à être la deuxième plus grande source d’énergie renouvelable a reposé sur la résolution de nombreux défis technologiques. L’une des principales priorités de recherche a été de minimiser l’incertitude associée aux calculs du rendement de l’énergie éolienne. Le succès de ces calculs dépend fortement de la précision de l’évaluation des ressources éoliennes, principalement effectuée avec des mesures de la vitesse du vent. Nonobstant, un manque de données de mesure justifie l’utilisation de la modélisation computationnelle avec des résultats prometteurs. Cependant, des défis de modélisation significatifs demeurent lors de l’analyse de la turbulence sur des sites complexes forestiers. Ces défis sont considérés dans ce travail avec l’objectif principal d’évaluer l’incertitude des predictions de l’écoulement du vent sur des terrains forestiers modérément complexes et son impact sur le facteur de capacité, en utilisant les équations de la moyenne de Reynolds des equations de Navier-Stokes couplées à une fermeture de turbulence k-ε modifiée dans le logiciel libre OpenFOAM v.2.4.0.

Avec les effets de la topographie complexe capturés implicitement dans les équations RANS, les effets de la forêt sont explicitement calculés avec deux modèles: un modèle de déplacement de hauteur, et un modèle de canopée qui estime les pertes de pression causées par la forêt, par analogie avec des milieux poreux. Pour simuler correctement la couche limite atmosphérique (CLA), les conditions aux limites qui prennent en compte la loi de paroi sont implémentées sur la base des recommandations de Richards et Hoxey, et Hargreaves et Wright. Pour valider le modèle de canopée, le cas d’un écoulement de vent entièrement développé à l’intérieur et au dessus d’une forêt d’épinettes noires horizontalement homogène est reproduit. De plus, deux limites pratiques sont considérées: 1) les paramètres physiques du feuillage peuvent ne pas être accessibles pour tous les types de forêts; par conséquent, une distribution générique de la densité de la surface foliaire (α) qui est en accord avec les résultats publiés, est testée; et 2) le cas publié limite son utilisation à des conditions aux limites cycliques qui ne sont pas pratiques pour les cas de sites réels. Par conséquent, pour les cas sans conditions aux limites cycliques, deux analyses de sensibilité sur la vitesse de frottement u∗ et sur la longueur de rugosité à l’entrée z0inlet sont testées. Des valeurs différentes de l’une ou l’autre ne donnent aucune difference significative au voisinage de la forêt, mais elles le font à des altitudes plus élevées en s’approchant de la limite supérieure. Cela souligne l’importance d’imposer un écoulement de vent approprié, et entièrement développé à la condition d’entrée.

Quatre cas modèles sont calculés pour un site situé au Québec, Canada: A) terrain seulement, B) déplacement de hauteur, C) modèle de canopée avec une forêt uniforme et D) modèle de canopée avec la distribution forestière réelle. Les résultats sont comparés en termes de facteurs d’accélération S (vitesses normalisées) avec deux ans de données de mesure à partir d’EDF-EN. Globalement, le modèle de canopée fournit un meilleur accord avec les résultats statistiques moyens que les autres modèles. Et où le terrain est densément boisé, l’hypothèse d’une hauteur de forêt constante offre des résultats prometteurs. Finalement, il est démontré que l’incertitude dans le calcul de l’énergie en termes de facteur de capacité CF est une fonction non linéaire de l’incertitude sur S. Dans ce cas, l’incertitude de 2,76% dans le facteur d’accélération associé au modèle de distribution forestière réelle conduit à une incertitude dans le calcul de l’énergie de seulement 5,76%.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements master's degree in mechanical engineering". Bibliographie : pages 103-108.
Mots-clés libres:	Vents Prévision Modèles mathématiques. Air Écoulement Modèles mathématiques. Turbulence atmosphérique. Forêts. Couche limite (Météorologie) Modèles numériques de terrain. Couvert forestier Modèles mathématiques. Dynamique des fluides numérique. Énergie éolienne. capacité, complexe, facteur, RANS, terrain
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Masson, Christian
Codirecteur:	Codirecteur Sumner, Jonathon
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	27 mars 2018 18:39
Dernière modification:	27 mars 2018 18:39
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2021

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