Boudreault, Louis-Etienne

Numerisk modellering er et nyttigt redskab, når vindressourcen for vindmøller skal vurderes. På land kan skove forårsage forhøjet turbulens og “shear” i vinden,hvilket generelt mindsker vindmøllers produktivitet. Der er derfor brug for høj præcision, når vinden over skove skal vurderes. Skove er imidlertid heterogene og forårsager komplekse strømningsdynamikker, der er svære at fange i numeriske modeller. For at kunne forbedre modellerne er det vigtigt med en præcis beskrivelse af den heterogene skovstruktur. En systematisk metode til at opnå en præcis beskrivelse af den heterogene skovstruktur ud fra luftbaserede LiDAR scanninger er defineret. Metoden bliver grundigt valideret med jordbaserede målinger af træhøjden og af skovens frontarealdensitet, og metoden bliver optimeret med hensyn til både størrelsen og variabiliteten af frontareal densiteten. I et hvert punkt af et fintmasket net, dækkende et 5×5 km2 skov område i Sverige, bliver skovstrukturen bestemt med LiDARmetoden samt flybaserede scanninger. Nettet danner grundlag for RANS simuleringer (Reynolds-averaged Navier-Stokes), og vind målinger fra en mast anvendes til validering. De to beregnede vindretninger er påvirket forskelligt af skoven; men for begge retninger er der god overensstemmelse mellem den beregnede ogmålte vindhastighed. Gradvise forenklinger af skovbeskrivelsen viser den store indflydelse, som skovens små heterogeniteter har på strømningsdynamikken. En anden højopløst helikopter-baseret LiDAR scanning bruges til en yderst detaljeret beskrivelse af en skovkant på Falster (Danmark), hvor der tidligere har været en målekampagne. Denne skovbeskrivelse anvendes i en LES simulering (large-eddy simulation) ved hjælp af systemet: “Advanced Regional Prediction System”. Resultaterne viser vigtig rumlig variabilitet i strømningen i tæt korrelation med den heterogene skovstruktur.Både RANS og LES undersøgelserne viser, at en detaljeret beskrivelse af strømningen over og i heterogene skove kan opnås ved hjælp af LiDAR-baserede parametriseringer. I jagten på højere præcision er der derfor åbnet op for nye måder til at udvikle og evaluere vind modeller til skovrigt landskab.Numerical modeling is a useful tool for estimating the local wind resource in relation to wind turbine siting. At onshore sites, the wind climate is often influenced by nearby forests and they cause an increase in wind shear and turbulence intensity,which may compromise the performance of wind turbines. The wind flow over forests therefore needs to be predicted with a high degree of accuracy. Forests are however inhomogeneous in nature causing complex flow dynamics difficult to capture in numerical models. An accurate description of the canopy structure is necessary to properly evaluate the performance of wind models in such environment.A systematic method to acquire gridded input of canopy structure from aircraft based LiDAR scans of heterogeneous forests is defined. An extensive validation against ground-based measurements of the vertically summed frontal area density(or plant area index) and tree height is performed. The method is optimized both in terms of plant area index magnitude and spatial variability. A forest grid is generated from the LiDAR method using airplane scans of a 5×5 km2 forested site in Sweden. The grid serves as the basis for Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) simulations. Wind observations from an instrumented mast are used for validation where a good correlation is found for the mean wind speed of two contrasting wind directions with different influences from the upstream forest. The effects of successive simplifications of the forest representation show an important influence of the smaller heterogeneities on the flow when the site is complex. A second helicopter-based LiDAR scan of high resolution is used to create a highly detailed forest grid at the site of a previous forest edge experiment on the island of Falster in Denmark. This input is used in a large-eddy simulation (LES) study using the Advanced Regional Prediction System. The results show important spatial variability in the flow field, in close correlation with the canopy structure.Both the RANS and the LES studies demonstrate that a detailed representation of the flow over and inside inhomogeneous forests can be acquired using the LiDAR based forest parameterization. This opens up for a new way of developing and evaluating wind models adapted to complex forested terrains

Online Research Database In Technology

Reynolds-averaged Navier-Stokes and Large-Eddy Simulation Over and Inside Inhomogeneous Forests

http://orbit.dtu.dk/ws/files/117912168/PHD_0042_leboudreault.pdf

Reynolds-averaged Navier-Stokes and Large-Eddy Simulation Over and Inside Inhomogeneous Forests

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Online Research Database In Technology