On the characteristics of the wake of a wind turbine undergoing large motions caused by a floating structure: an insight based on experiments and multi-fidelity simulations from the OC6 Phase III Project

This study reports the results of the second round of analyses of the OC6 project Phase III. While the first round investigated rotor aerodynamic loading, here focus is given to the wake behavior of a floating wind turbine under large motion. Wind tunnel experimental data from the UNsteady Aerodynamics for FLOating Wind (UNAFLOW) project are compared with the results of simulations provided by participants with methods and codes of different levels of fidelity. The effect of platform motion both on the near and the far wake is investigated. More specifically, the behavior of tip vortices in the near wake is evaluated through multiple metrics, such as streamwise position, core radius, convection velocity, and circulation. Additionally, the onset of velocity oscillations in the far wake is analyzed because this can have a negative effect on stability and loading of downstream rotors. Results in the near wake for unsteady cases confirm that simulations and experiments tend to diverge from the expected linearized quasi-steady behavior when the rotor reduced frequency increases over 0.5. Additionally, differences across the simulations become significant, suggesting that further efforts are required to tune the currently available methodologies in order to correctly evaluate the aerodynamic response of a floating wind turbine in unsteady conditions. Regarding the far wake, it is seen that, in some conditions, numerical methods over-predict the impact of platform motion on the velocity fluctuations. Moreover, results suggest that, different from original expectations about a faster wake recovery in a floating wind turbine, the effect of platform motion on the far wake seems to be limited or even oriented to the generation of a wake less prone to dissipation.</p

OC6 project phase III : validation of the aerodynamic loading on a wind turbine rotor undergoing large motion caused by a floating support structure

This paper provides a summary of the work done within Phase III of the Offshore Code Comparison, Collaboration, Continued, with Correlation and unCertainty project (OC6), under International Energy Agency Wind Task 30. This phase focused on validating the aerodynamic loading on a wind turbine rotor undergoing large motion caused by a floating support structure. Numerical models of the Danish Technical University 10-MW reference wind turbine were validated using measurement data from a 1:75 scale test performed during the UNsteady Aerodynamics for FLOating Wind (UNAFLOW) project and a follow-on experimental campaign, both performed at the Politecnico di Milano wind tunnel. Validation of the models was performed by comparing the loads for steady (fixed platform) and unsteady wind conditions (harmonic motion of the platform). For the unsteady wind conditions, the platform was forced to oscillate in the surge and pitch directions under several frequencies and amplitudes. These oscillations result in a wind variation that impacts the rotor loads (e.g., thrust and torque). For the conditions studied in these tests, the system mainly described a quasi-steady aerodynamic behavior. Only a small hysteresis in airfoil performance undergoing angle of attack variations in attached flow was observed. During the experiments, the rotor speed and blade pitch angle were held constant. However, in real wind turbine operating conditions, the surge and pitch variations would result in rotor speed variations and/or blade pitch actuations depending on the wind turbine controller region that the system is operating. Additional simulations with these control parameters were conducted to verify the fidelity between different models. Participant results showed in general a good agreement with the experimental measurements and the need to account for dynamic inflow when there are changes in the flow conditions due to the rotor speed variations or blade pitch actuations in response to surge and pitch motion. Numerical models not accounting for dynamic inflow effects predicted rotor loads that were 9 % lower in amplitude during rotor speed variations and 18 % higher in amplitude during blade pitch actuations

Modélisation aéro-élastique des éoliennes flottantes avec des méthodes vortex

Floating offshore wind turbines are set on a foundation free to move under the effect of the winds and waves. This induces a relative motion between the wind turbine rotor and the incoming wind. The Blade Element Momentum Theory, widely used to study the aerodynamics of wind turbines relies on empirical corrections to model these unsteady conditions. In this thesis, medium fidelity aerodynamic models are used to provide more insight into the unsteady aerodynamic loads on a moving wind turbine rotor. The phenomenon of dynamic inflow is studied with regard to floating wind turbines. Imposed surge motions are first explored with a lifting line free vortex wake model and an actuator line model. The aerodynamics of a wind turbine after three perturbations are studied: a blade pitch step; a rotor speed step and a surge velocity step. The Free Vortex Wake method and an analytical helical vortex model based on the Joukowsky rotor model are used to study the dynamic behavior of the induced velocity at the blades. To improve upon the imposed motions cases, a Free Vortex wake code is coupled to a hydro-servo-elastic code to study floating wind turbines in real metocean conditions. A wake simplification model is proposed to enable long simulations at a reasonable computational cost. The coupled code is validated against experimental and numerical data. The aero-hydro-servo-elastic code is used to evaluate the influence of the aerodynamic models on the computed damage of an industrial scale floating wind turbine.Les éoliennes flottantes sont placées sur un flotteur, libre de bouger sous l'effet combiné du vent et des vagues. Cela induit un mouvement relatif entre l'éolienne et le vent incident. La méthode Blade Element Momentum largement utilisée pour l'étude aérodynamique des éoliennes utilise des corrections empiriques pour modéliser ces conditions instationnaires de fonctionnement. Dans cette thèse, des modèles aérodynamiques de niveau intermédiaire sont utilisés pour améliorer la compréhension des forces aérodynamiques instationnaires sur une éolienne en mouvement. Le phénomène de Dynamic Inflow est étudié pour les éoliennes flottantes. Des mouvements de translation imposés sont d'abord étudiés avec un modèle vortex à ligne portante ainsi qu'un modèle Actuator Line. L'aérodynamique d'une éolienne après trois perturbations est étudiée : un changement de l'angle d'orientation des pâles, un changement de la vitesse de rotation et un changement de la vitesse de translation du rotor. La méthode Free Vortex Wake à ligne portante et un modèle hélicoïdale analytique basé sur le modèle de rotor de Joukowsky sont utilisés pour étudier le comportement dynamique de la vitesse induite par le sillage au niveau des pâles. Pour approfondir l'étude de l'aérodynamique des éoliennes flottantes, un modèle Free Vortex Wake à ligne portante est couplé à un code hydro-servo-élastique pour étudier les éoliennes flottantes dans des conditions réelles de fonctionnement. Une méthode de simplification du sillage est proposée pour pouvoir réaliser des simulations de temps physique long à un coût de calcul raisonnable. Le code couplé est validé par comparaison à des résultats expérimentaux et numériques. Le code aero-hydro-servo-élastique est utilisé pour évaluer l'influence du modèle aérodynamique sur les dommages dus à la fatigue pour une éolienne flottante de taille industrielle

Modélisation aéro-élastique des éoliennes flottantes avec des méthodes vortex

Floating offshore wind turbines are set on a foundation free to move under the effect of the winds and waves. This induces a relative motion between the wind turbine rotor and the incoming wind. The Blade Element Momentum Theory, widely used to study the aerodynamics of wind turbines relies on empirical corrections to model these unsteady conditions. In this thesis, medium fidelity aerodynamic models are used to provide more insight into the unsteady aerodynamic loads on a moving wind turbine rotor. The phenomenon of dynamic inflow is studied with regard to floating wind turbines. Imposed surge motions are first explored with a lifting line free vortex wake model and an actuator line model. The aerodynamics of a wind turbine after three perturbations are studied: a blade pitch step; a rotor speed step and a surge velocity step. The Free Vortex Wake method and an analytical helical vortex model based on the Joukowsky rotor model are used to study the dynamic behavior of the induced velocity at the blades. To improve upon the imposed motions cases, a Free Vortex wake code is coupled to a hydro-servo-elastic code to study floating wind turbines in real metocean conditions. A wake simplification model is proposed to enable long simulations at a reasonable computational cost. The coupled code is validated against experimental and numerical data. The aero-hydro-servo-elastic code is used to evaluate the influence of the aerodynamic models on the computed damage of an industrial scale floating wind turbine.Les éoliennes flottantes sont placées sur un flotteur, libre de bouger sous l'effet combiné du vent et des vagues. Cela induit un mouvement relatif entre l'éolienne et le vent incident. La méthode Blade Element Momentum largement utilisée pour l'étude aérodynamique des éoliennes utilise des corrections empiriques pour modéliser ces conditions instationnaires de fonctionnement. Dans cette thèse, des modèles aérodynamiques de niveau intermédiaire sont utilisés pour améliorer la compréhension des forces aérodynamiques instationnaires sur une éolienne en mouvement. Le phénomène de Dynamic Inflow est étudié pour les éoliennes flottantes. Des mouvements de translation imposés sont d'abord étudiés avec un modèle vortex à ligne portante ainsi qu'un modèle Actuator Line. L'aérodynamique d'une éolienne après trois perturbations est étudiée : un changement de l'angle d'orientation des pâles, un changement de la vitesse de rotation et un changement de la vitesse de translation du rotor. La méthode Free Vortex Wake à ligne portante et un modèle hélicoïdale analytique basé sur le modèle de rotor de Joukowsky sont utilisés pour étudier le comportement dynamique de la vitesse induite par le sillage au niveau des pâles. Pour approfondir l'étude de l'aérodynamique des éoliennes flottantes, un modèle Free Vortex Wake à ligne portante est couplé à un code hydro-servo-élastique pour étudier les éoliennes flottantes dans des conditions réelles de fonctionnement. Une méthode de simplification du sillage est proposée pour pouvoir réaliser des simulations de temps physique long à un coût de calcul raisonnable. Le code couplé est validé par comparaison à des résultats expérimentaux et numériques. Le code aero-hydro-servo-élastique est utilisé pour évaluer l'influence du modèle aérodynamique sur les dommages dus à la fatigue pour une éolienne flottante de taille industrielle

Modélisation aéro-élastique des éoliennes flottantes avec des méthodes vortex

Floating offshore wind turbines are set on a foundation free to move under the effect of the winds and waves. This induces a relative motion between the wind turbine rotor and the incoming wind. The Blade Element Momentum Theory, widely used to study the aerodynamics of wind turbines relies on empirical corrections to model these unsteady conditions. In this thesis, medium fidelity aerodynamic models are used to provide more insight into the unsteady aerodynamic loads on a moving wind turbine rotor. The phenomenon of dynamic inflow is studied with regard to floating wind turbines. Imposed surge motions are first explored with a lifting line free vortex wake model and an actuator line model. The aerodynamics of a wind turbine after three perturbations are studied: a blade pitch step; a rotor speed step and a surge velocity step. The Free Vortex Wake method and an analytical helical vortex model based on the Joukowsky rotor model are used to study the dynamic behavior of the induced velocity at the blades. To improve upon the imposed motions cases, a Free Vortex wake code is coupled to a hydro-servo-elastic code to study floating wind turbines in real metocean conditions. A wake simplification model is proposed to enable long simulations at a reasonable computational cost. The coupled code is validated against experimental and numerical data. The aero-hydro-servo-elastic code is used to evaluate the influence of the aerodynamic models on the computed damage of an industrial scale floating wind turbine.Les éoliennes flottantes sont placées sur un flotteur, libre de bouger sous l'effet combiné du vent et des vagues. Cela induit un mouvement relatif entre l'éolienne et le vent incident. La méthode Blade Element Momentum largement utilisée pour l'étude aérodynamique des éoliennes utilise des corrections empiriques pour modéliser ces conditions instationnaires de fonctionnement. Dans cette thèse, des modèles aérodynamiques de niveau intermédiaire sont utilisés pour améliorer la compréhension des forces aérodynamiques instationnaires sur une éolienne en mouvement. Le phénomène de Dynamic Inflow est étudié pour les éoliennes flottantes. Des mouvements de translation imposés sont d'abord étudiés avec un modèle vortex à ligne portante ainsi qu'un modèle Actuator Line. L'aérodynamique d'une éolienne après trois perturbations est étudiée : un changement de l'angle d'orientation des pâles, un changement de la vitesse de rotation et un changement de la vitesse de translation du rotor. La méthode Free Vortex Wake à ligne portante et un modèle hélicoïdale analytique basé sur le modèle de rotor de Joukowsky sont utilisés pour étudier le comportement dynamique de la vitesse induite par le sillage au niveau des pâles. Pour approfondir l'étude de l'aérodynamique des éoliennes flottantes, un modèle Free Vortex Wake à ligne portante est couplé à un code hydro-servo-élastique pour étudier les éoliennes flottantes dans des conditions réelles de fonctionnement. Une méthode de simplification du sillage est proposée pour pouvoir réaliser des simulations de temps physique long à un coût de calcul raisonnable. Le code couplé est validé par comparaison à des résultats expérimentaux et numériques. Le code aero-hydro-servo-élastique est utilisé pour évaluer l'influence du modèle aérodynamique sur les dommages dus à la fatigue pour une éolienne flottante de taille industrielle

Experimenting with Matryoshka Co-Simulation: Building Parallel and Hierarchical FMUs

International audienceThe development of complex multi-domain and multi-physic systems, such as Smart Electric Grids, have given rise to new challenges in the simulation domain. These challenges concern the capability to couple multiple domain-specific simulators, and the FMI standard is an answer to this. But they also concern the scalability and the accuracy of the simulation within an heterogenous system. We propose and implement here the concept of a Matryoshka FMU, i.e. a first of its kind FMU compliant with the version 2.0 of the FMI standard. It encapsulates DACCOSIM – our distributed and parallel master architecture – and the FMUs it controls. The Matryoshka automatically adapts its internal time steps to ensure the required accuracy while it is controlled by an external FMU-compliant simulator. We present the JavaFMI tools and the DACCOSIM middleware used in the automatic building process of such Matryoshka FMUs. This approach is then applied on a real-life Distributed Energy System scenario. Regarding the Modelica system simulated in Dymola, improvements up to 250% in terms of computational performance are achieved while preserving the simulation accuracy and enhancing its integration capability

On the characteristics of the wake of a wind turbine undergoing large motions caused by a floating structure: an insight based on experiments and multi-fidelity simulations from the OC6 Phase III Project - Supplementary material

This link stores the supplemenary material for the paper: "On the characteristics of the wake of a wind turbine undergoing large motions caused by a floating structure: an insight based on experiments and multi-fidelity simulations from the OC6 Phase III Project" published on Wind Energy Science. The pdf file contains the plots for all the investigated metrics analysed in this work, which could not be reported in the manuscript due to space constraints. Further details about this results can be found in the original publication