[論文レビュー] Enhanced recovery and non-linear dynamics in the wake of a model floating offshore wind turbine submitted to side-to-side and fore-aft motion

Thomas Messmer, Michael Hölling+1 more|arXiv (Cornell University)|May 20, 2023

Fluid Dynamics and Vibration Analysis被引用数 5

ひとこと要約

この実験的風洞実験では、モデル化された浮体式洋上風力タービンの調和的側方向（スウェイ）および前後方向（サージ）運動が、流れ下の流れ場の回復および非線形ダイナミクスに与える影響を調査している。結果から、両運動が流れ下の流れ場回復を促進することが判明した—特にストローハル数 St ∈ [0.3, 0.6]（スウェイ）および St ∈ [0.3, 0.9]（サージ）の範囲で顕著であり、非線形空間的・時間的ダイナミクスに起因する動的輸送の増強により、特に同期したメーダリングや準周期的パulsイングが生じ、これにより下流のタービンにおけるエネルギー回収が向上する。

ABSTRACT

An experimental study in a wind tunnel is presented to explore the wake of a floating wind turbine subjected to harmonic side-to-side and fore-aft motions under laminar inflow conditions. The wake recovery is analysed as a function of the frequency of motion, measured by the Strouhal number, St. Our findings indicate that both directions of motion accelerate the transition to the far-wake compared to the fixed turbine. The experimental outcomes confirm the CFD results of Li et al. (2022) showing that sideways motions lead to faster wake recovery, especially for St in [0.3, 0.6]. Additionally, we find that fore-aft motions also lead to better recovery for St in [0.3, 0.9]. Moreover, we see that the recovery is closely linked to non-linear spatio-temporal dynamics. Special nonlinear dynamical effects are found in the shear layer region of the wake (y = R). For both directions of motion and St in [0.25, 0.55], the noisy wake dynamics synchronise to the frequency of the motion. For fore-aft motions and St in [0.55, 0.9], the wake shows more complex quasi-periodic phenomena. In fact, the driven frequency and a selfgenerated meandering mode emerge and interact non-linearly, as proved by occurring mixing components. Sideways motions result in large spatial structures of meandering. Fore-aft motions induce pulsing of the wake. Both modes are linked to the synchronisation effect. The quasi-periodic phenomena of fore-aft motions are connected to meandering mode. Overall, the spatio-temporal phenomena lead to faster recovery likely due to an increase of momentum transport towards wake centre.

研究の動機と目的

• 浮体式洋上風力タービンにおける平台の調和的運動が流れ場回復に与える影響を調査すること。
• 非線形空間的・時間的ダイナミクスが流れ場の進化および運動量輸送をどのように変化させるかを分析すること。
• 側方向（スウェイ）および前後方向（サージ）運動が、遠方流れ場領域への遷移に与える影響を特定すること。
• 運動周波数（ストローハル数）が流れ場回復および乱流特性に与える影響を定量化すること。
• 観察されたダイナミックモード（メーダリング、パルスイング）と強化された運動量交換および回復速度との関係を特定すること。

提案手法

• 層流流入条件下でのスケールモデル浮体式洋上風力タービン（MoWiTO 0.6）を用いた風洞実験。
• 変動周波数（St = 0.03 から 0.97）を変化させながら、スウェイ（側方向）およびサージ（前後方向）に制御された調和振動を適用。
• 流れ下距離 x/D = 6, 8, 10 で流れ欠損プロファイルを測定し、回復ダイナミクスを評価。
• ストローハル数（St = fD/U）を、運動周波数効果を特徴付ける主要な無次元パラメータとして用いた。
• 非線形ダイナミカル解析を実施し、流れ場の同期、準周期的挙動、混合成分を同定。
• 固定タービンベースラインと運動影響下のケースを比較し、運動に起因する回復促進を分離。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 調和的側方向運動は、浮体式風力タービンの流れ場回復および非線形ダイナミクスにどのように影響を与えるか？
• RQ2 前後方向運動は、固定タービンケースと比較して、流れ場回復をどの程度促進するか？
• RQ3 どのストローハル数で、同期化や準周期性を示す非線形空間的・時間的流れ場ダイナミクスが出現するか？
• RQ4 同期した流れ場モードと自己生成メーダリングが、運動量輸送および回復にどのように相互作用するか？
• RQ5 一貫性のある流れ場構造（メーダリング、パルスイング）と流れ場回復速度の関係は何か？

主な発見

• スウェイ運動は St ∈ [0.3, 0.6] の範囲で流れ場回復を顕著に加速し、特に St ≈ 0.4 で最も効果的な回復が観察された。
• サージ運動は St ∈ [0.3, 0.9] の範囲で回復を促進し、St ≈ 0.8 での回復は St ≈ 0.4 に比べて約10%高い値を示した。
• スウェイおよびサージ運動の両方において、St ∈ [0.25, 0.55] の範囲では、広帯域の流れ場ダイナミクスが駆動周波数に同期し、一貫性のある応答を示した。
• サージ運動が St ∈ [0.55, 0.9] の範囲で、駆動周波数と自己生成メーダリングモードの相互作用により、複雑な準周期的現象を生成したことが分かった。スペクトル解析による混合成分の確認で裏付けられた。
• スウェイ運動は大規模なメーダリング構造を誘発するが、サージ運動は流れ場にパルスイングを引き起こす。両者とも非線形同期および強化された運動量輸送と関連している。
• 最適な運動ケースでは、遠方流れ場領域への遷移が x ≤ 6D で発生するのに対し、固定タービンでは x ≈ 10D であった。これは、動的駆動により回復が早期に進行することを示している。