[論文レビュー] Effects of wind veer on a yawed wind turbine wake in atmospheric boundary layer flow

Ghanesh Narasimhan, Dennice F. Gayme+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2022

Wind Energy Research and Development被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、大渇乱シミュレーション（LES）を用いて、大気境界層内の科リolis力によって引き起こされる風の垂直風向（veer）が、ねじれた風力タービンの流れの非対称的発展に与える影響を調査する。風向に起因するスパン方向のずれを組み込んだ修正された解析的流れモデルを提案し、風向を無視するモデルと比較して、現実の風向を伴う流れにおける速度欠損と流れの変形の予測精度を著しく向上させる。

ABSTRACT

Large Eddy Simulations (LES) are used to study the effects of veer (the height-dependent lateral deflection of wind velocity due to Coriolis acceleration) on the evolution of wind turbine wakes. Specifically, this work focuses on turbines that are yawed with respect to the mean incoming wind velocity, which produces laterally deflected wakes that have a curled (crescent-shaped) structure. These effects can be attributed to the introduction of streamwise mean vorticity and the formation of a Counter-rotating Vortex Pair (CVP) on the top and bottom of the wake. In a Truly Neutral Boundary Layer (TNBL) in which wind veer effects are absent, these effects can be captured well with existing analytical wake models (Bastankhah et al. J. Fluid Mech. (2022), 933, A2). However, in the more realistic case of atmospheric boundary layers subjected to Coriolis acceleration, existing models need to be re-examined and generalized to include the effects of wind veer. To this end, the flow in a Conventionally Neutral Atmospheric Boundary Layer (CNBL) interacting with a yawed wind turbine is investigated in this study. Results indicate that in the presence of veer the CVP's top and bottom vortices exhibit considerable asymmetry. However, upon removing the veer component of vorticity, the resulting distribution is much more symmetric and agrees well with that observed in a TNBL. These results are used to develop a simple correction to predict the mean velocity distribution in the wake of a yawing turbine in a CNBL using analytical models. The correction includes the veer-induced sideways wake deformation, as proposed by Abkar et al. (Energies (2018), 11(7), 1838). The resulting model predictions are compared to mean velocity distributions from the LES and good agreement is obtained.

研究の動機と目的

• 従来の中性大気境界層（CNBL）における風向が、ねじれたタービンの流れの構造と発展に与える影響を理解すること。
• 風向条件下での非対称的流れの変形を引き起こすストリームワイズ渦度および反転渦対（CVP）の役割を特定すること。
• 真に中性な境界層（TNBL）を想定して開発された従来の解析的流れモデルを、風向の影響を含めるように拡張し、現実のA BL流れにおける予測精度を向上させること。
• 風向に起因する横方向速度プロファイルに基づく風向補正項を考案・検証し、スパン方向の流れのずれを正確にモデル化すること。

提案手法

• 真に中性な境界層（TNBL）および風向を有する従来の中性境界層（CNBL）におけるねじれた風力タービンの大型渦シミュレーション（LES）を実施する。
• LESデータを用いて、平均のストリームワイズ渦度および速度欠損の発展を分析し、特にCVPの上部および下部の渦における非対称性に注目する。
• 風向に起因するスパン方向のずれを、風向速度プロファイルの線形近似 $ V(z) = -S(z - z_h) $ を用いてモデル化する。ここで $ S $ はLESから導出された剪断率である。
• Abkarら（2018）およびBastankhahら（2022）のバーテックスシートに基づく解析的流れモデルを、風向補正項を組み込む形で変更し、ねじれた流れの形状と速度欠損を予測可能にする。
• 異なる下流位置における予測された平均速度分布を、LES結果と比較することで、修正モデルの妥当性を検証する。
• 重ね合わせの原理を用い、タービンのねじれに起因する渦度と科リオリスに起因する風向渦度を、モデル内で加法的成分として扱う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大気境界層における風向は、ねじれた風力タービンの流れにおけるストリームワイズ渦度の対称性と発展にどのように影響を与えるか？
• RQ2 風向は反転渦対（CVP）の構造をどの程度歪め、非対称的な流れのずれと変形を引き起こすか？
• RQ3 従来のねじれたタービン用解析的流れモデルに、風向に起因するスパン方向のずれ項を追加することで、風向の影響を含めた一般化が可能か？
• RQ4 風向を伴うCNBLにおける平均速度欠損と流れの形状を、修正された解析的モデルがどの程度LESデータと一致して予測できるか？
• RQ5 風向に起因する渦度とタービンのねじれに起因する渦度の、全体の流れのダイナミクスおよびずれに及ぼす相対的寄与度はいかほどか？

主な発見

• CNBLにおける風向は、反転渦対（CVP）に顕著な非対称性を引き起こし、地表面付近の異なる広がり速度のため、下部の渦が上部の渦よりも顕著に横方向にずれる。
• 風向に起因するストリームワイズ渦度が、タービンのねじれに起因する渦度に加法的に重畳され、下部の渦を強化し、上部の渦を弱める。
• 風向を除去すると、CVP構造は対称的となり、TNBLケースとよく一致するため、風向が非対称性の主因であることが確認される。
• 風向に起因するずれ項 $ V(z) = -S(z - z_h) $ を組み込んだ修正された解析的流れモデルは、平均速度欠損と流れの形状において、LESデータと強い一致を示す。
• モデルは、TNBLおよびCNBLの両条件において、ねじれた月牙形の流れ構造を正確に予測でき、風向を無視する従来のモデルよりも精度が向上している。
• 風向補正項により、$ 30^ ext{°} $ までのねじれ角に対しても、流れのずれと速度分布の予測が正確に行えることが示され、風力発電所の制御戦略への広範な適用可能性が示唆される。