Numerical enhancement of a mesoscale model for large-eddy simulation of the wind over steep terrain

Flores Maradiaga, Alex Geovanny (2018). Numerical enhancement of a mesoscale model for large-eddy simulation of the wind over steep terrain. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Mesoscale modelling of the atmospheric boundary layer has advanced significantly over the past decades, although there are still different numerical aspects that must be enhanced to achieve accurate wind simulations over steep topography. This has become a necessity since many applications, such as wind resource assessment, now require high fidelity results for viability analysis and decision-making. With the advent of high performance computing and more sophisticated software, the wind energy industry is increasingly interested in multiscale models based on combined configurations capable of yielding higher resolution results. The size of the modern wind farms now requires a multiscale analysis that allows the evaluation of the joint meso- and microscale processes triggered over complex topography. For this reason, mesoscale models with imbedded large-eddy simulation capabilities are well suited to become the next mainstream family of simulation toolkits for wind engineering.

The Mesoscale Compressible Community (MC2) model, subject of this work, is a good example since it is employed as the kernel of the Wind Energy Simulation Toolkit (WEST), introduced by the Recherche en Prévision Numérique (RPN) group of Environment Canada. MC2 performs well for wind simulations over flat, gentle and moderate terrain slopes, which led the wind energy community to be confident enough on employing it to generate the Canadian Wind Atlas. However, as with other similar models, several numerical issues such as wind overestimation and distorted circulation patterns have been identified in recent years from orographic flow simulations in presence of steep slopes. Hence, wind resource assessment over high impact topography, such as the Rocky Mountains or the Niagara Escarpment, cannot be entirely reliable and needs a revaluation with enhanced multiscale modelling.

By applying an eigenmode analysis, we have recognized the numerical instability and precisely measured the spurious noise problem, inherent of MC2’s classical three time-level semi-implicit (SI) scheme. With the appropriate redefinition of the prognostic thermodynamic variables, the SI time discretization, coupled with the semi-Lagrangian (SL) scheme, is now consistently structured in a way that it enables MC2 to solve the compressible non-hydrostatic Euler equations (EE) in a more stable and accurate fashion. MC2 is now able to perform wind simulations over steep slopes in the absence of time decentering, frequency filtering and other numerical damping mechanisms. Additionally, the climate-state classification of the statistical-dynamical downscaling (SDD) method is upgraded by including the Brunt-Väisälä frequency that accounts for the atmospheric thermal stratification effect on wind flow over topography. The present study provides a real orographic flow validation of these numerical enhancements in MC2, assessing their individual and combined contribution for an improved initialization and calculation of the surface wind in presence of high-impact terrain.

Lastly, the metric tensor adaptation of MC2’s imbedded large-eddy simulation (LES) method, necessary for wind modelling over mountainous terrain, has been achieved preserving the enhanced numerical stability and accuracy. Test results indicate that the enhanced MC2-LES model reproduces efficiently the expected flow patterns, separation and recirculation zone over steep terrain, and yields accurate results comparable to those reported from experimental data or by other researchers who use numerical models with similar or more sophisticated turbulence closure schemes.

Titre traduit

Amélioration numérique d'un modèle mésoéchelle pour la simulation aux grandes échelles du vent sur terrain escarpé

Résumé traduit

La modélisation à mésoéchelle de la couche limite atmosphérique a progressé de manière significative au cours des dernières décades, bien qu'il y ait encore des aspects numériques qui doivent être améliorés pour obtenir des simulations de vent précises sur une topographie escarpé. Ceci est devenu une nécessité puisque de nombreuses applications, telles que l'évaluation des ressources éoliennes, exigent maintenant des résultats de haute fidélité pour l'analyse de la viabilité et la prise de décision. Avec l'arrivée de l'informatique de haute performance et de logiciels plus sophistiqués, l'industrie de l'énergie éolienne s'intéresse de plus en plus aux modèles multi-échelles basés sur des configurations combinées capables de produire des résultats à plus haute résolution. La taille des parcs éoliens modernes nécessite maintenant une analyse multi-échelle qui permet l'évaluation des processus méso- et microéchelle déclenchés sur topographie complexe. Pour cette raison, les modèles à mésoéchelle avec des capacités de large-eddy simulation sont bien adaptés pour devenir la prochaine grande famille de kits de simulation pour l'ingénierie éolienne.

Le modèle MC2 (Mesoscale Compressible Community), sujet de ce travail, est un bon exemple puisqu'il est utilisé comme noyau du Wind Energy Simulation Toolkit (WEST), présentée par le groupe RPN d'Environnement Canada. MC2 se comporte bien pour les simulations du vent sur terrain plat et sur des pentes douces et modérées, ce qui a amené la communauté de l'énergie éolienne à être confiante pour l'utiliser pour générer l'Atlas éolien du Canada. Cependant, comme avec d'autres modèles similaires, plusieurs problèmes numériques tels que la surestimation du vent et des circulation distorsionnées ont été identifiés ces dernières années à partir de simulations d'écoulement orographique en présence de fortes pentes. Par conséquent, l'évaluation des ressources éoliennes au-dessus d'une topographie à fort impact, comme les Montagnes Rocheuses ou l'escarpement du Niagara, ne peut pas être entièrement fiable et nécessite une réévaluation avec une modélisation multi-échelle améliorée.

En appliquant une analyse spectral, nous avons reconnu l'instabilité numérique et mesuré avec précision le bruit parasite inhérent au schéma semi-implicite (SI) classique à trois niveaux de temps de MC2. Avec la redefinition appropriée des variables thermodynamiques pronostiques, la discrétisation temporelle SI, couplée au schéma semi-lagrangien (SL), est maintenant structurée de façon à permettre à MC2 de résoudre les équations d'Euler (EE) nonhydrostatiques compressibles dans une mode plus stable et précise. MC2 est maintenant capable d'effectuer des simulations du vent sur des pentes abruptes en l'absence de décentrage temporel, de filtre de fréquence et d'autres mécanismes d'amortissement numérique. En outre, la classification de la méthode Statistical Dynamical Downscaling (SDD) est améliorée en incluant la fréquence de Brunt-Väisälä qui tient compte de l'effet de stratification thermique atmosphérique sur le débit du vent par rapport à la topographie. La présente étude fournit une vraie validation orographique de ces améliorations numériques dans MC2, en évaluant leurcontribution individuelle et combinée pour une meilleure initialisation et un calcul du vent de surface en présence de terrain à fort impact.

Enfin, l'adaptation du tenseur métrique de la méthode de simulation aux grandes échelles (LES) implémenté dans MC2, nécessaire à la modélisation du vent sur les terrains montagneux, a été réalisé en préservant la stabilité et la précision numériques améliorées. Les résultats des tests indiquent que le modèle MC2-LES amélioré reproduit efficacement les modèles d'écoulement prévus, la séparation et la recirculation sur terrain escarpé et donne des résultats précis comparables à ceux rapportés par les données expérimentales ou par d'autres chercheurs utilisant des modèles numériques avec des systèmes de fermeture de turbulence plus sophistiqués.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 187-201).
Mots-clés libres:	couche limite atmosphérique, évaluation des ressources éoliennes, modélisation mésoéchelle, simulation aux grandes échelles, terrain complexe, bruit numérique, stabilité numérique, schéma semi-implicite, écoulement du vent à stratification neutre
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Benoit, Robert
Codirecteur:	Codirecteur Masson, Christian
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	14 mars 2019 20:29
Dernière modification:	14 mars 2019 20:29
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2233

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