Ice Accretion Prediction on Wind Turbines and Consequent Power Losses

Ice accretion on wind turbine blades modifies the sectional profiles and causes alteration in the aerodynamic characteristic of the blades. The objective of this study is to determine performance losses on wind turbines due to the formation of ice in cold climate regions and mountainous areas where wind energy resources are found. In this study, the Blade Element Momentum method is employed together with an ice accretion prediction tool in order to estimate the ice build-up on wind turbine blades and the energy production for iced and clean blades. The predicted ice shapes of the various airfoil profiles are validated with the experimental data and it is shown that the tool developed is promising to be used in the prediction of power production losses of wind turbines

Otomatik türev araçları ile ayrık adjoint çözücü geliştirilmesi

Dış geometri aerodinamik eniyileme problemlerinde, gradyan tabanlı bir eniyileme yöntemi kullanıldığındaamaç fonksiyonunun geometri kontrol parametrelerine göre hassasiyetinin hesaplanması gerekmektedir. Buproblemlerde dış geometriyi kontrol eden parametre sayısı yüzlerce, binlerce olabilmektedir ve sonlu farklaryöntemi ile ilgili hassasiyet değerlerinin hesaplanabilmesi için kontrol parametresi kadar akış çözümüneihtiyaç duyulacaktır. Ancak adjoint yöntem kullanılarak, kontrol parametresi sayısından bağımsız olarak, birakış çözüm süresi ile eş değer zamanda bir amaç fonksiyonunun tüm kontrol parametrelerine hassasiyetihesaplanabilmektedir. İlgili hassasiyet değerlerini hesaplayabilen bir ayrık adjoint çözücü geliştirilmesi için,artık ve amaç fonksiyonlarının, çözüm ağı düğüm noktaları ve akış değişkenlerine göre kısmi türevdeğerlerini hesaplayan rutinlerin oluşturulması gerekmektedir. İlgili rutinlerin oluşturulması, doğrulanmasızahmet verici bir süreç gerektirmektedir. Fakat kaynak kod değişimi mantığıyla çalışan otomatik türev (OT)araçları, sağlanan her türlü hesaplama rutinine zincir kuralını sistematik olarak uygulayarak, rutinin çıktıdeğişkenlerinin, girdi değişkenlerine göre türevini hesaplayabilen yeni bir rutini zahmetsizce ve otomatikolarak üretebilirler. Ayrıca yöntem ile hesaplanan türev değerleri, sonlu farklar yöntemi ile hesaplananyaklaşık değerlerin aksine gerçek türev değerleri olup tek hata kaynağı bilgisayar aritmetiğidir. Buçalışmada, dış geometri eniyileme çalışmalarında ihtiyaç duyulan hassasiyet değerlerinin hesaplanması içinotomatik türev araçları ve ayrık adjoint [Giles, 2003] yöntemin kullanıldığı melez bir yaklaşımbenimsenmiştir. Bu yaklaşım ile adjoint yöntemin çok sayıda değişkene göre hassasiyet değerlerini bir akışçözüm süresi ile eş değer zamanda hesaplama yeteneğinden ve otomatik türev araçlarının türev hesaplayanrutinleri zahmetsizce üretebilme yeteneklerinden faydalanılmıştır. Yaklaşım sonlu hacimler yöntemi kullananiki boyutlu bir akış çözücü için adjoint çözücü geliştirilerek gösterilmiş ve sonuçları sonlu farklar yöntemi ileelde edilen sonuçlarla kıyaslanmıştır

Rüzgar Türbinlerinin Mikro Düzeyde Yer Seçimi için Navier- Stokes Akış Çözücüsünün Topografik Yapısız Çözüm Ağlarında Geliştirilmesi ve Kullanılması

TÜBİTAK MAG Proje15.05.2015Bu çalışmada türbülanslı atmosferik akış çözümlerinin elde edilmesi amacıyla ODTÜ Havacılık ve Uzay Mühendisliği Bölümünde geliştirilmekte olan, paralel hesaplama ortamında çalışabilen 3 boyutlu Navier-Stokes çözücü HYP3D, Mezo ölçekli meteorolojik tahmin yazılımı WRF ile akuple edilerek yüksek çözünürlüklü topografya üzerinde uzun dönemli rüzgar akış alanları ve rüzgar enerji potansiyeli hesaplanmıştır. Numerik çalışmalar bir rüzgar santralinin ve uzun dönemli atmosferik gözlem verilerinin olduğu Mersin-Mut bölgesinde uygulanmış, ve gözlem verileri ile doğrulanmıştır. Bu çözüm bölgesi için yüksek çözünürlüklü (1,5 arcsec, 30m) topografya haritası (DEM) temin edilmiştir. Bu topoğrafya verisi ile yüksek çözünürlüklü, yapılı ve hibrit çözüm ağları oluşturulmuştur. HYP3D çözümleri için gerekli sınır koşulları, yaygın olarak kullanılan, açık kaynak kodlu meteorolojik hava tahmin yazılımı WRF ile 1km çözünürlüklü çözüm ağında elde edilen akış çözümlerinden sağlanmıştır. Akuple çözümler için öncelikle seçilen dar bölgeyi içine alan daha büyük bir bölge için WRF ile uzun dönemli çözümler elde edilmiştir. WRF çözümlerinde kullanılan global ölçekli başlangıç ve sınır koşulları NCEP (National Centers for Environmental Prediction) Final Analysis (FNL from GFS) (ds083.2 dataset) veri setinden temin edilmiştir. HYP3D çözüm ağının dış hücreleri için gerekli olan zamana bağłı sınır koşulları ise düşük çözünürlüklü WRF çözümlerinden interpolasyon yöntemiyle elde edilmiştir. HYP3D .Navier-Stokes akış çözücüsünde ve meteorolojik tahmin yazılımı WRF 'de kullanılan çözüm ağ yapılarının ve çözünürlüklerin farklı olması sebebiyle, WRF ile hesaplanan akış değişkenlerinin Navier-Stokes çözücüsünün yeryüzeyine yakın bazı düğüm noktalarına interpolasyon yapılamamaktadır. Bu çalışmada düşük çözünürlüklü WRF çözüm ağı ile yüksek çözünürlüklü Navier-Stokes çözüm ağının yeryüzüne yakın bölgelerde yaklaşık olarak eşleştirilmesi için iki farklı yöntem denenmiştir. HYP3D yazılımında zamana bağlı sınır koşullarının veri dosyalarından okunarak paralel hesaplama ortamında uygulanması sağlanmıştır. HYP3D'de kullanılan türbülans modeli ile yüzey pürüzlülüğünün etkin bir şekilde modellenebilmesi için var olan Runge-Kutta açık (explicit) çözüm yöntemine ek olarak Simetrik Gauss-Seidel nokta kapalı (point implicit) çözüm yöntemi geliştirilmiş, performans değerlendirilmesi yapılmıştır. WRF ile akuple edilen yüksek çözünürlüklü Navier-Stokes çözümleri bir yıllık bir zaman aralığı için elde edilmiştir. Bu akış çözümlerinde elde edilen yüksek çözünürlüklü rüzgar alanları, rüzgar hızının eşdeğer çizgileri, Weibull dağılımları ve rüzgar gülü grafikleri ile değerlendirilmiştir. Akış değişkenleri, 7 gerçek gözlem verileri ve WRF sonuçları ile kıyaslanmış, paralel hesaplamalar için performans değerlendirmesi yapılmıştır. Ayrıca güç üretim eğrileri verilen örnek rüzgar türbinleri için yıllık enerji üretim haritaları elde edilmiştir

A 2-D unsteady Navier-Stokes solution method with overlapping/overset moving grids

A simple, robust numerical algorithm to localize intergrid boundary points and to interpolate unsteady solution variables across 2-D, overset/overlapping, structured computational grids is presented. Overset/ overlapping grids are allowed to move in time relative to each other. The intergrid boundary points are localized in terms of three grid points on the donor grid by a directional search algorithm. The final parameters of the search algorithm give the interpolation weights at the interpolation point. The method is independent of numerical solution algorithms and it may easily be implemented on any 2-D, single block flow solver to make it a multi-block, zonal solver with arbitrarily overset/ overlapping computational grids. In the present study, numerical results are presented for steady and unsteady, viscous flow solutions over a flapping/stationary airfoil combination in tandem and over a single airfoil undergoing a sinusoidal flapping motion. The computational domains are discretized with overlapping and/or overset subgrids, which move in time relative to each other. The intergrid boundary point localization on the donor grid and the interpolation of flow variables are found to be accurate and robust. Computed flow variables are continuous across the grid boundaries and an excellent agreement is obtained against the single grid solutions

Simple method for particle tracing in 2-D unsteady flows

A particle tracing method integrated into an unsteady Navier-Stokes solver with structured 2-D grids is presented. Particles may be released anywhere in the flowfield and are traced in time by convecting them with the local flow velocity. The localization of the particles is based on a sequential and directional search algorithm. The search algorithm provides interpolation weights at the localization point, which is needed to evaluate the local flow velocity. The method is applied to unsteady flow-fields over an impulsively started airfoil at an incidence, a single flapping airfoil, and a stationary airfoil/oscillating flap combination in tandem. It is shown that the method is accurate, efficient and robust, and remarkably captures the unsteady nature of the flowfields

Two-dimensional unsteady Navier-Stokes solution method with moving overset grids

A simple numerical algorithm to localize intergrid boundary points and to interpolate unsteady solution variables across two-dimensional, structured overset grids is presented. Overset grids are allowed to move in time relative to each other. Intergrid boundary points are localized in a triangular stencil on the donor grid by a directional search algorithm. The final parameters of the search algorithm give the interpolation weights at the intergrid boundary point. Numerical results are presented for steady and unsteady viscous flow solutions over an airfoil undergoing a sinusoidal flapping motion. Computed flowfields demonstrate the accuracy of the method, and excellent agreement is obtained against the single grid solutions. The method is independent of numerical solution algorithms, and it may easily be implemented on any two-dimensional, single-block how solver to make it a multiblock, zonal solver with arbitrarily overset/overlapping computational grids