Unsteady atmospheric flow solutions with OpenFOAM coupled with the numerical weather prediction software, WRF
OpenFOAM ile akuple numerik hava tahmin modeli, WRF kullanılarak zamana bağlı atmosferik akış çözümleri
- Tez No: 489487
- Danışmanlar: PROF. DR. İSMAİL HAKKI TUNCER
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Enerji, Havacılık Mühendisliği, Energy, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Havacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 157
Özet
Rüzgar enerjisi potansiyelini ve güç üretimini doğru bir şekilde tahmin etme yöntemleri, rüzgar türbin yerleşimi ve kısa dönemli rüzgar gücü üretimi tahminleri gibi bir çok uygulamada aranmaktadır. Güncel rüzgar enerjisi tahmin modelleri uzun dönem rüzgar ölçüm verilerinin istatiksel analizine ve ortalama rüzgar alanlarının sayısal araçlar kullanılarak yeniden yapılandırılması esasına dayanmaktadır. Sektörel rüzgar alanları için Navier-Stokes çözümleri uygulansa bile, rüzgar alanlarının baskın rüzgar hızı ve yönüne göre yeniden yapılandırılması, genel olarak, rüzgar alan tahminleri için hassas değildir. Diğer yandan, daimi olmayan atmosfer fiziğini hesaba katan WRF gibi sayısal hava tahmin yazılımları ile, zamana bağlı atmosferik akış alanı çözümleri elde edilebilse de, düşük çözünürlük ve basınç tabanlı dikey koordinat sisteminden ötürü karmaşık arazilerde çözümler hassas olmamaktadır. Bu çalışmada, daimi olmayan atmosferik akış çözümleri akuple bir çözüm yöntemi kullanılarak hesaplanmıştır. Sayısal hava tahmin modeli WRF'ye dayalı düşük çözünürlükteki atmosferik akış çözümleri, yüksek çözünürlüklü ve topoğrafyaya uyumlu çözüm ağlarındaki OpenFOAM çözümlerine daimi olmayan sınır koşulları sağlamaktadır. WRF tahminlerinin sınır koşulları olarak kullanımı güneş ışınımı, yağış, yer ısınması ve ortaya çıkan gece-gündüz döngüsü gibi fiziksel olayların hesaba katılmasını sağlamaktadır. Yüksek çözünürlüklü topoğrafya ve çözüm ağları ile yere bağlı değişken pürüzlülük modellemesiyle yapılan OpenFOAM çözümleri akış ayrılması, sirkülasyon ve yeniden yapışma gibi karmaşık arazi etkilerini yakalamaktadır. WRF ile akuple OpenFOAM çözümleri paralel olarak uygulanmıştır. Ayrıca, yerden belirli bir yükseklikteki akış alanlarını, daimi olmayan WRF ile akuple OpenFOAM çözümlerinden çıkaran ve zamana bağlı çözümler boyunca entegrasyonu ile rüzgar enerjisi ve rüzgar potansiyeli yoğunluğu dağılımlarının tahmini yapan bir son işlem aracı geliştirilmiştir. Akuple çözüm yönteminin sonuçları, bir meteorolojik ölçüm direğinden alınan rüzgar hız ve yön zaman serisi verileri ile karşılaştırılmıştır. Geliştirilen akuple çözüm yönteminin, WRF'nin zamana bağlı rüzgar hız tahminlerini, deneysel verilere göre, üretilen rüzgar gücü tahmininde %40 'lük iyileşmeye karşılık gelen, %12 civarında iyileştirdiği gösterilmiştir.
Özet (Çeviri)
Ways to predict wind energy potential and energy generation accurately are sought in many applications such as the wind turbine siting and the short term wind power production estimation. Current wind energy prediction models are based on the statistical analysis of long term observation data and the reconstruction of average wind fields by means of numerical tools. Even if computational fluid dynamics tools based on Navier-Stokes solutions are employed for sectoral wind fields, the reconstruction of wind fields according to prevailing wind speeds and directions are, in general, not accurate for wind field predictions on complex terrains.On the other hand, numerical weather prediction software such as WRF, in which the unsteady atmospheric physics are taken into account, provides time dependent atmospheric flow field solutions, but due to the low resolution and the pressure based vertical coordinate system wind field predictions are inaccurate near ground in complex terrains. In this work, unsteady atmospheric flows are computed by a coupled solution methodology. Atmospheric flow solutions based on the weather prediction model, WRF, on a low resolution grid provide the unsteady boundary conditions for OpenFOAM solutions on high resolution terrain fitted grids. The usage of WRF predictions as boundary conditions accounts partially for the physical processes such as solar radiation, precipitation, surface heating and the resulting diurnal cycle. OpenFOAM solutions with the high resolution topography and computational grid, and a spatially varying roughness model capture complex terrain effects such as flow separation, recirculation, and reattachment zones. The OpenFOAM solutions coupled with WRF are performed in parallel. A post-processing tool is also developed to extract the wind field data from the coupled OpenFOAM solutions at any given altitude, and to estimate the distributions of wind power density and wind energy generation by time integration along the unsteady flow solution. The coupled flow solutions are compared with the time series wind speed and direction data obtained from a meteorological measurement tower, met-mast. It is shown that the coupled flow solutions developed improve the time dependent wind field predictions of WRF by about 12% with respect to the observation data which corresponds to about 40% improvement on wind power production estimations.
Benzer Tezler
- Unsteady wind farm simulations and short-term power forecasting using actuator disk model in OpenFOAM coupled with WRF
WRF ile akuple OpenFOAM'da aktüatör disk modeli kullanılarak daimi olmayan rüzgar çiftliği simülasyonları ve kısa süreli güç tahmini
HÜSEYİN CAN ÖNEL
Doktora
İngilizce
2023
EnerjiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiHavacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL HAKKI TUNCER
- Micro-siting of wind turbines using Navier-Stokes solutions coupled with a numerical weather prediction model
Meteorolojik tahmin modeli ve Navier-Stokes çözümleri kullanılarak rüzgar türbinlerinin mikro-konumlandırılması
GÖKHAN AHMET
Doktora
İngilizce
2014
EnerjiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiHavacılık Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL HAKKI TUNCER
- Terrain modeling and atmospheric turbulent flow solutions based on meteorological weather forecast data
Arazi modelleme ve meteorolojik verilere dayalı atmosferik akış çözümleri
ENGİN LEBLEBİCİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2012
Bilim ve TeknolojiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiHavacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL HAKKI TUNCER
- A Finite element simulation of frontogenesis in the atmosphere with the primitive equations by using a horizontal deformation field model
Başlık çevirisi yok
AHMET SONER KUZUCU
- A Finite element simulation of frontogenesis by using the semi-implicit time integration scheme with a horizontal deformation field model
Başlık çevirisi yok
H.TURHAN TURHANGİL