Koblitz, Tilman

Vindmølleindustrien benytter i stigende grad Computational Fluid Dynamics modeller til vind ressourcevurderinger; men de er typisk begrænset til at modellere vinden i det neutrale atmosfæriske grænselag. Hidtil er vigtige atmosfæriske processer som Coriolis kraft, termiske effekter og varmetransport, blevet ignoreret i de fleste modeller. For at mindre usikkerheden ved vind ressourcevurderinger, fokuserer det nuværende arbejde på atmosfærisk vinde der inkluderer stabilitet og Coriolis effekter. For at undersøge indflydelsen af disse effekter er der blevet udviklet en RANS model ramme, og de udviklede modeller er blevet implementeret i DTU Vindenergi CFD løser EllipSys3D. På grund af de høje Reynolds tal er beregningerne baseret på RANS ligningerne. Sammen med en to-lignings turbulens model kan vinden i hele det atmosfoeriske grænselag beregnes for meget lavere beregningsmæssige omkostninger end for eksempelvis med LES.Den udviklede ABL model er med succes valideret for en række forskellige testcases af stigende kompleksitet. Data fra flere målekampagner, vindtunnel eksperimenter, og tidligere numeriske simuleringer præsenteres og sammenlignes med modelresultater. En metode til at simulere den tidsafhængige ikke-neutrale atmosfæriske vind over komplekst terræn er udviklet: en indledende simulering bruges til at bestemme de tidsafhængige indløbsbetingelser, der benyttes til simulering af det komplekse terræn.Fordelen ved den præsenterede RANS model er dens generelle anvendelighed. Alle implementeringer i modellen er tuning fri, og med undtagelse af standardinput parametre behøves der ingen yderligere model koefficienter. Sammenfattende viser resultaterne, at de vigtigste karakteristika for både neutrale og ikke- neutral atmosfæriske vinde kan simuleres med de gennemførte ændringer. Den udviklede model forbedrer de forudsagte strømningsfelter over fladt og komplekst terræn, når man sammenligner mod neutrale modeller og målinger.For wind resource assessment, the wind industry is increasingly relying on Computational Fluid Dynamics models that focus on modeling the airflow in a neutrally stratified surface-layer. Physical processes like the Coriolis force, buoyancy forces and heat transport, that are important to the atmospheric boundary-layer, are mostly ignored so far. In order to decrease the uncertainty of wind resource assessment, the present work focuses on atmospheric flows that include atmospheric stability and the Coriolis effect. Within the present work a RANS model framework is developed and implemented into the DTU Wind Energy flow solver EllipSys3D. The high Reynolds number flows considered in this work are based on the solution of the Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations. Together with a two-equation closure method the flow within the whole boundary-layer can be computed at a much lower computational cost than e.g. using large-eddy simulations.The developed ABL model is successfully validated using a range of different test cases with increasing complexity. Data from several large scale field campaigns, wind tunnel experiments, and previous numerical simulations is presented and compared against model results. A method is developed how to simulate the time-dependant non-neutral ABL flow over complex terrain: a precursor simulation is used to specify unsteady inlet boundary conditions on complex terrain domains. The advantage of the developed RANS model framework is its general applicability. All implementations in the ABL model are tuning free, and except for standard site specific input parameters, no additional model coefficients need to be specified before the simulation. In summary the results show that the implemented modifications are applicable and reproduce the main flow characteristics of neutral and non-neutral ABL flow. The developed ABL model significantly improves the predicted flow fields over both flat and complex terrain, when compared against neutral models and measurements.<br/

Online Research Database In Technology

CFD Modeling of Non-Neutral Atmospheric Boundary Layer Conditions

http://orbit.dtu.dk/ws/files/99726846/DTU_Wind_Energy_PhD_0019_EN_.pdf

CFD Modeling of Non-Neutral Atmospheric Boundary Layer Conditions

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Online Research Database In Technology