Numerical simulations of wind turbine wake interactions using actuator line and LES models
Rüzgar türbini izbölgesi etkileşimlerinin aktüatör çizgi ve LES modelleri ile nümerik simülasyonu
- Tez No: 574792
- Danışmanlar: PROF. DR. İSMAİL HAKKI TUNCER
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Enerji, Havacılık Mühendisliği, Energy, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- 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: 135
Özet
Rüzgar, geleceğin en yüksek potansiyele sahip yenilenebilir enerji kaynaklarından biridir. Yıllar içindeki optimizasyon çalışmaları ile Yatay Eksenli Rüzgar Türbinleri en verimli tip olarak öne çıkmıştır ve büyük ölçekli ticari rüzgar tarlalarında kullanılan tek model haline gelmiştir. Rüzgar tarlalarından yüksek verim alınmasında kanat tasarımı kadar türbinlerin yerleşim planlaması da büyük rol oynamaktadır. Bu planlama aşamasında en önemli parametre, türbinlerin kaçınılmaz bir şekilde oluşturduğu izbölgesinin diğer türbinler üzerinde neden olduğu güç kaybıdır. İzbölgesi, oldukça karmaşık ve etkisi sınır şartlarına bağlı olarak büyük farklılıklar gösteren bir yapıdır. Bu durum özellikle onlarca türbin bulunan rüzgar tarlalarında modellenmesi zor bir problem haline gelmektedir. Çeşitli analitik veya deneysel verilere dayalı geliştirilen basitleştirilmiş izbölgesi modelleri mevcuttur ancak isabet oranları kısıtlı kalmıştır. Yakın zamanda bilgisayar teknolojisi ile birlikte gelişen Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği, türbin ve izbölgesi modellemesi için yüksek doğruluklu yöntemler sunmaktadır. Bu yöntemlerden biri, sınır tabakanın çözülmesine gerek kalmadan türbin kanatlarının hacimsel kuvvetler olarak temsil edildiği ve hesaplama gücünden yüksek oranda kar sağlayan Aktüatör Çizgi Modeli'dir. Bu çalışmada, Aktüatör Çizgi Modeli'nin rüzgar enerjisi uygulamalarındaki doğruluk oranının ve elverişliliğinin değerlendirilmesi amaçlanmıştır. Bu doğrultuda modelin çeşitli simülasyon parametrelerine olan hassassiyeti incelenmiş ve bulunan en iyi değerler ile sıralı iki rüzgar türbininin simülasyonu yapılmıştır. Aktüatör Çizgi Modeli açık kaynak kodlu OpenFOAM yazılımına entegre edilmiş ve Navier-Stokes denklemleri burada çözülmüştür. Kanat Elemanı Momentum yöntemi ile karşılaştırıldığında modelin türbin güç üretim değerlerini başarılı bir şekilde hesapladığı görülmüştür. İzbölgesindeki türbülans ve girdap yapıları en iyi LES modeli ile yakalanmış, hızdaki eksilme eğrileri ve alan değişkenlerinin grafikleri sunulmuştur. Ayrıca modelin atmosferik sınır tabaka etkisindeki homojen olmayan akış şartlarını da yakalayabildiği gösterilmiştir.
Özet (Çeviri)
Wind is one of the most promising renewable energy resources of the future. After years of optimization studies, Horizontal Axis Wind Turbines shine out as the most efficient type and have been the only model used in large scale commercial wind farms. Layout planning plays an important role in getting the most power out of a wind farm as much as turbine blade design. Most important parameter in this planning phase is the inevitable wake generated by rotors and its impact on other wind turbines which results in power loss. Wake is a higly complex structure whose effects are immensely sensitive to boundary conditions. This situation raises a problem that is difficult to model, especially in wind farms where dozens of turbines are in operation simultaneously. Various analytical and empirical data based simplified wake models have been developed, but they all have a limited use in practical applications. With rapid advancements in computer technologies, Computational Fluid Dynamics offers high fidelity methods for wind turbine and wake simulations. One of these methods is the Actuator Line Model, where turbine blades are represented as distributed volumetric forces without the need of boundary layer resolution, hence saving some significant computational resource. In this study, accuracy and feasibility of Actuator Line Model in wind energy applications is evaluated. Model's sensitivity to several simulation parameters are assessed and two in-line turbines are simulated using best performing values. OpenFOAM software is used for Actuator Line Model implementation and Navier-Stokes solutions. Results are validated with Blade Element Momentum theory solutions and the model performed well in estimating turbine power production. Turbulent and vortical structures in the wake are best captured with LES turbulence model, velocity deficit curves and field variable plots are presented. Also, the model is capable of handling non-homogeneous conditions under atmospheric boundary layer flow.
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
- Computation of aerodynamically generated sound for rod-airfoil wake interactions
Airfoil-silinidir etkileşiminde aerodinamik olarak üretilen sesin hesaplanması
ELİF YILDIRIM
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Havacılık ve Uzay Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BAHA ZAFER
- Rüzgar tarlası verisi kullanılarak analitik rüzgar türbin izi modellerinin performanslarının değerlendirilmesi
Evaluation of performances of analytical wind turbine wake models using wind farm data
TARIK KAYTANCI
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiMeteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞÜKRAN SİBEL MENTEŞ
- Torpido benzeri geometri çevresindeki akış yapısının araştırılması
Investigation of flow structure around torpedo like geometries
SERCAN YAĞMUR
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Makine MühendisliğiSelçuk ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. FARUK KÖSE
- A transport equation model for the residual stress tensor in large eddy simulation of axial turbine flows
Aksiyal türbin akışlarının large eddy simülasyonunda artık gerilme tensörü için bir taşıma denklemi modeli
SEBİT ABDALLAH KOKO KODY
Doktora
İngilizce
2014
Makine MühendisliğiMarmara ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. EMRE ALPMAN
YRD. DOÇ. DR. BARIŞ YILMAZ