Application of actuator surface concept in LES simulations of the near wake of wind turbines

Nathan, Jörn (2018). Application of actuator surface concept in LES simulations of the near wake of wind turbines. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

During the last decades wind energy became a crucial part of the renewable energy mix seeking to satisfy the growing energy demands in a sustainable manner. While current state of the art wind turbine blades are close to their aerodynamical optimum, the challenge lies today in the viability of concepted wind farms. Hence wind farm designs aim for denser turbine arrangements and topographically more complex terrains. Therefore the interaction between turbines namely through the wind turbine wakes become an important aspect of the layout of a wind farm. Theses wakes are characterized by an elevated turbulence level and a noticeable velocity deficit. While the wind energy industry prefers more approximative solutions for the sake of computational costs, the non-linear character of the phenomenon is best captured by the Navier-Stokes equations. As there exists no analytical solution, computational fluid dynamics is used to tackle this equation. Depending on the turbulence modelling different levels of accuracy can be achieved.

The objective of this work is to examine the near wake of a wind turbine for different kinds of ambient turbulences. The rotor is represented by the actuator line method implemented in the widely popular wind energy framework SOWFA from NREL, USA. In order to evaluate the here used method a non-turbulent test case is validated against another popular wind energy framework EllipSys3D and then verified with the results from the open jet wind tunnel experiments MEXICO and NEW MEXICO. By adapting the distribution width of the force within the computational domain this approach is then extended towards an actuator surface. An optimal distribution width depending on the grid resolution is found empirically for the here presented case.

After the base case is established and successfully tested the rotor is immersed in homogeneous isotropic turbulence for which a custom boundary condition for the OpenFOAM framework is conceived. Then the synthetic turbulence field obtained by the Mann algorithm is imposed on the large-eddy simulation with dynamic Lagrangian model for the sub-grid scales. Finally the rotor is exposed to a shear layer turbulence using an external library allowing to impose a synthetic turbulent field obtained from the Mann algorithm on a sheared flow. By analyzing the vortex properties and the energy spectra in both cases the influence of the ambient turbulence on the near wake are deduced. Another interesting aspect is the way how the energy spectra gives insight in how far downstream the effects of the distinct blades are noticable.

Titre traduit

Application de la surface actuatrice dans des simulations aux grandes échelles pour le sillage proche

Résumé traduit

Au cours des dernières décennies, l’énergie éolienne est devenue une partie cruciale des energies renouvelables, qui cherchent à satisfaire la demande d’énergie d’une façon durable. La conception actuelle des pales des éoliennes est proche de son optimum aérodynamique, donc le défi principal, de nos jours, est la viabibilité dans la concecption des parcs éoliens. En conséquence, les parcs éoliens sont développés avec une densité des turbines plus élévée et sur des terrains plus complexes au niveau de la topographie. C’est ainsi que l’interaction entre les turbines, notamment par les sillages, joue un rôle très important dans la conception des sites. Les sillages sont caracterisés par le niveau élévé de la turbulence et le déficit de la vitesse. Alors que l’industrie préfère des solutions approximatives à cause des coûts de calcul, le caractère non-linéaire du phénomène est mieux décrit par les équations de Navier-Stokes. Dû au fait qu’il n’y a pas de solution analytique pour ces équations, la dynamique des fluids computationnelle est souvent utilisée. Des niveaux différents de fidélité peuvent être atteints selon la représentation de la turbulence.

L’objectif de ce travail est d’examiner le sillage proche d’une éolienne pour des turbulences ambiantes différentes. Le rotor est représenté par la méthode de la ligne actuatrice implementée dans le cadre applicatif très populaire SOWFA du NREL, USA. Un cas sans turbulence ambiante est validé avec une autre structure logicielle pour l’énergie éolienne populaire, Ellip-Sys3D. Par la suite, le cas est vérifié avec des résultats expérimentaux provenant des experiences en soufflerie MEXICO et NEW MEXICO. En adaptant la largeur de distribution de la force dans le domaine numérique, la ligne actuatrice se dirige vers la surface actuatrice. La largeur de distribution pour le cas présenté ici est déterminée d’une façon empirique.

Une fois le cas de base établi, le rotor est immergé dans une turbulence homogène isotrope pour laquelle une condition à la frontière a été conçue dans le cadre applicatif OpenFOAM. La turbulence synthétique obtenue par l’algorithme de Mann est imposée à la simulation aux grandes échelles avec le modèle dynamique Lagrangien pour les échelles de sous-maille. Finalement, le rotor est exposé à la turbulence cisaillée générée par une librairie externe permettant l’utilisation de la turbulence synthétique obtenue par l’algorithme de Mann dans un cas cisaillé. En analysant les propriétés tourbillonaires et le spectre d’énergie dans les deux cas de turbulence, on peut déduire l’influence de la turbulence ambiante sur le sillage proche. Un autre aspect intéressant est de déterminer, grâce aux spectres, jusqu’à quelle distance en aval les pales distinctes du rotor peuvent être ressenties par l’écoulement.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy" Bibliographie : pages 147-155.
Mots-clés libres:	Éoliennes Aérodynamique. Sillage (Aérodynamique) Turbulence Modèles mathématiques. Rotors Modèles mathématiques. Dynamique des fluides numérique. Écoulement cisaillé. Centrales éoliennes Conception et construction. actuateur, échelle, grand, isotrope, homogène, proche, sillage, simulation, surface, énergie éolienne, sillage des éoliennes, modélisation de turbulence, ligne actuatrice, turbulence cisaillée
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Masson, Christian
Codirecteur:	Codirecteur Dufresne, Louis
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	19 sept. 2018 20:59
Dernière modification:	19 sept. 2018 20:59
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2088

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