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Response of the wind-turbine wake to a turbulent atmospheric boundary-layer flow
Response of the wind-turbine wake to a turbulent atmospheric boundary-layer flow
Die Eigenschaften des Nachlaufs einer Windturbine werden für verschiedene im Laufe eines Tages in einer turbulenten Grenzschicht auftretende atmosphärische Schichtungen mit Grobstruktursimulationen mit dem Strömungslöser EULAG untersucht. Dafür wurde eine Methode zur Erhaltung der Hintergrundturbulenz für Windturbinensimulationen mit offenen Randbedingungen in Strömungsrichtung entwickelt. Dies wird durch das Aufprägen der turbulenten Fluktuationen in der spektralen Energieverteilung einer neutralen Grenzschicht ermöglicht. Weiter lässt sich damit das permanente Einlesen von turbulenten Einströmprofilen in die Windturbinensimulationen vermeiden. Zusätzlich wurden idealisierte Tagesgangsimulationen über homogenen und heterogenen Oberflächen durchgeführt. Der Tagesgang zeigt einen signifikanten Einfluss auf den Wind und die Turbulenz in der atmosphärischen Grenzschicht. Unter homogenen Bedingungen treten in der stabilen und der morgendlichen Grenzschicht eine starke vertikale Windscherung und eine Änderung der Windrichtung mit der Höhe auf, wohingegen in der konvektiven und der abendlichen Grenzschicht die Turbulenz in der Atmosphäre stark ausgeprägt ist. Unter heterogenen Bedingungen hat die nächtliche Zunahme der Scherung einen grossen Einfluss auf Wind und Turbulenz, und führt zu einer Kompensation der Ekmanspirale. Windturbinensimulationen werden mit synchronisierten Daten aus den Tagesgangsimulationen betrieben. Die sich ergebenden Nachläufe sind von der Stabilität der Atmosphäre beeinflusst und haben ihrerseits einen Einfluss auf die Energieeffizienz der Windturbine. Das Strömungsfeld wird durch eine schnellere Einmischung unter konvektiven Bedingungen am Tag, im Gegensatz zur Nacht, geprägt. Die Nachläufe, die sich in der abendlichen und morgendlichen Grenzschicht entwickeln, sind entscheidend von der vorhergehenden atmosphärischen Situation beeinflusst. Um diese äusserst rechenintensiven Tagesgangsimulationen zu vermeiden, wurde die Methode zur Aufrechterhaltung der Hintergrundturbulenz zu einer Parametrisierung ausgeweitet. Diese beinhaltet eine schichtungsspezifische Gewichtung sowie entsprechende Hintergrundwindprofile, beides aus der idealisierten Tagesgangsimulation über homogener Oberfläche abgeleitet. Die Windturbinensimulationen mit Parametrisierung zeigen eine gute Übereinstimmung mit den synchronisierten Windturbinensimulationen aus der Tagesgangsimulation über homogener Oberfläche und reduzieren die erforderliche Rechenzeit um den Faktor 100. Dies spricht für eine einfache und äusserst effiziente Parametrisierung des turbulenten einströmenden Windfeldes für Grobstruktursimulationen unterschiedlicher thermischer Schichtungen., The wake characteristics of a wind turbine for different regimes occurring throughout the diurnal cycle are investigated systematically by means of large-eddy simulation with the geophysical flow solver EULAG. A methodology to maintain the turbulence of the background flow in wind-turbine simulations with open streamwise boundaries, without the necessity of the permanent import of turbulence data, was developed. These requirements are fulfilled by applying the turbulent fluctuations of the spectral energy distribution of a neutral boundary layer in the wind-turbine simulations. Further, idealized diurnal cycle simulations over homogeneous and heterogeneous surface were performed. Under homogeneous conditions, the diurnal cycle significantly impacts the low-level wind shear and the atmospheric turbulence. A strong vertical wind shear and veering with height occur in the nocturnal stable boundary layer and in the morning boundary layer, whereas the atmospheric turbulence is much larger in the convective boundary layer and in the evening boundary layer. The increased shear under heterogeneous conditions change these characteristics, counteracting the formation of the night-time Ekman spiral. Synchronized turbulent inflow data from the diurnal cycle simulations drive the wind-turbine simulations. The resulting wake is strongly influenced by the stability of the atmosphere and has an impact on the efficiency of the wind turbine. The flow in the wake recovers more rapidly under convective conditions during the day, than under stable conditions at night. The wake characteristics of the transitional periods are influenced by the flow regime prior to the transition. To alleviate the computational extremely expensive diurnal cycle simulations, the turbulence preserving method was extended to a parameterization, which includes a stratification related weighting and suitable background wind profiles, both resulting from the idealized diurnal cycle precursor simulation over homogeneous surface. The following parameterization wind-turbine simulations are in good agreement with the synchronized diurnal cycle wind-turbine simulations over homogeneous surface and reduce the computational costs by a factor of 100. Therefore, they result in a simple, numerically efficient, and computationally fast parameterization of turbulent wind-turbine flows for large-eddy simulations of different thermal stratifications.
atmospheric baoundary layer large-eddy simulation turbulence wind-turbine wake diurnal cycle
Englberger, Antonia
2017
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Englberger, Antonia (2017): Response of the wind-turbine wake to a turbulent atmospheric boundary-layer flow. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

Die Eigenschaften des Nachlaufs einer Windturbine werden für verschiedene im Laufe eines Tages in einer turbulenten Grenzschicht auftretende atmosphärische Schichtungen mit Grobstruktursimulationen mit dem Strömungslöser EULAG untersucht. Dafür wurde eine Methode zur Erhaltung der Hintergrundturbulenz für Windturbinensimulationen mit offenen Randbedingungen in Strömungsrichtung entwickelt. Dies wird durch das Aufprägen der turbulenten Fluktuationen in der spektralen Energieverteilung einer neutralen Grenzschicht ermöglicht. Weiter lässt sich damit das permanente Einlesen von turbulenten Einströmprofilen in die Windturbinensimulationen vermeiden. Zusätzlich wurden idealisierte Tagesgangsimulationen über homogenen und heterogenen Oberflächen durchgeführt. Der Tagesgang zeigt einen signifikanten Einfluss auf den Wind und die Turbulenz in der atmosphärischen Grenzschicht. Unter homogenen Bedingungen treten in der stabilen und der morgendlichen Grenzschicht eine starke vertikale Windscherung und eine Änderung der Windrichtung mit der Höhe auf, wohingegen in der konvektiven und der abendlichen Grenzschicht die Turbulenz in der Atmosphäre stark ausgeprägt ist. Unter heterogenen Bedingungen hat die nächtliche Zunahme der Scherung einen grossen Einfluss auf Wind und Turbulenz, und führt zu einer Kompensation der Ekmanspirale. Windturbinensimulationen werden mit synchronisierten Daten aus den Tagesgangsimulationen betrieben. Die sich ergebenden Nachläufe sind von der Stabilität der Atmosphäre beeinflusst und haben ihrerseits einen Einfluss auf die Energieeffizienz der Windturbine. Das Strömungsfeld wird durch eine schnellere Einmischung unter konvektiven Bedingungen am Tag, im Gegensatz zur Nacht, geprägt. Die Nachläufe, die sich in der abendlichen und morgendlichen Grenzschicht entwickeln, sind entscheidend von der vorhergehenden atmosphärischen Situation beeinflusst. Um diese äusserst rechenintensiven Tagesgangsimulationen zu vermeiden, wurde die Methode zur Aufrechterhaltung der Hintergrundturbulenz zu einer Parametrisierung ausgeweitet. Diese beinhaltet eine schichtungsspezifische Gewichtung sowie entsprechende Hintergrundwindprofile, beides aus der idealisierten Tagesgangsimulation über homogener Oberfläche abgeleitet. Die Windturbinensimulationen mit Parametrisierung zeigen eine gute Übereinstimmung mit den synchronisierten Windturbinensimulationen aus der Tagesgangsimulation über homogener Oberfläche und reduzieren die erforderliche Rechenzeit um den Faktor 100. Dies spricht für eine einfache und äusserst effiziente Parametrisierung des turbulenten einströmenden Windfeldes für Grobstruktursimulationen unterschiedlicher thermischer Schichtungen.

Abstract

The wake characteristics of a wind turbine for different regimes occurring throughout the diurnal cycle are investigated systematically by means of large-eddy simulation with the geophysical flow solver EULAG. A methodology to maintain the turbulence of the background flow in wind-turbine simulations with open streamwise boundaries, without the necessity of the permanent import of turbulence data, was developed. These requirements are fulfilled by applying the turbulent fluctuations of the spectral energy distribution of a neutral boundary layer in the wind-turbine simulations. Further, idealized diurnal cycle simulations over homogeneous and heterogeneous surface were performed. Under homogeneous conditions, the diurnal cycle significantly impacts the low-level wind shear and the atmospheric turbulence. A strong vertical wind shear and veering with height occur in the nocturnal stable boundary layer and in the morning boundary layer, whereas the atmospheric turbulence is much larger in the convective boundary layer and in the evening boundary layer. The increased shear under heterogeneous conditions change these characteristics, counteracting the formation of the night-time Ekman spiral. Synchronized turbulent inflow data from the diurnal cycle simulations drive the wind-turbine simulations. The resulting wake is strongly influenced by the stability of the atmosphere and has an impact on the efficiency of the wind turbine. The flow in the wake recovers more rapidly under convective conditions during the day, than under stable conditions at night. The wake characteristics of the transitional periods are influenced by the flow regime prior to the transition. To alleviate the computational extremely expensive diurnal cycle simulations, the turbulence preserving method was extended to a parameterization, which includes a stratification related weighting and suitable background wind profiles, both resulting from the idealized diurnal cycle precursor simulation over homogeneous surface. The following parameterization wind-turbine simulations are in good agreement with the synchronized diurnal cycle wind-turbine simulations over homogeneous surface and reduce the computational costs by a factor of 100. Therefore, they result in a simple, numerically efficient, and computationally fast parameterization of turbulent wind-turbine flows for large-eddy simulations of different thermal stratifications.