[논문 리뷰] Effects of wind veer on a yawed wind turbine wake in atmospheric boundary layer flow

Ghanesh Narasimhan, Dennice F. Gayme외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 10. 18.

Wind Energy Research and Development인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 대기권 경계층에서 코리olis 힘에 의해 유도되는 바람 기울기(veer)가 기울어진 풍력 터빈 기수의 비대칭적 진화에 미치는 영향을 Large Eddy Simulations(LES)를 사용하여 조사한다. 바람 기울기로 인한 스파이널 방향 이동을 포함하는 수정된 분석적 기수 모델을 제안하여, 기울기 효과를 忽시하는 모델에 비해 실제 기울기 흐름에서 속도 결손과 기수 변형을 더 정확하게 예측한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기본적으로 중립인 대기권 경계층(CNBL)에서의 바람 기울기가 기울어진 터빈 기수의 구조와 진화에 어떻게 영향을 주는지 이해하기.
• 기울기 조건에서 비대칭적 기수 변형을 유도하는 종방향 소용돌이와 반대 방향 소용돌이 쌍(CVP)의 역할을 규명하기.
• 진짜 중립 경계층(TNBL)에서 개발된 기존 분석 기수 모델을 확장하여 바람 기울기 효과를 포함함으로써 실제 ABL 흐름에서의 예측 정확도를 향상시키기.
• 바람 기울기로 인한 횡방향 속도 프로파일에 기반한 기울기 보정 항을 개발하고, 이를 통해 스파이널 기수 이동을 정확하게 모델링할 수 있도록 하기.

제안 방법

• 진짜 중립 경계층(TNBL)과 바람 기울기가 있는 전통적 중립 경계층(CNBL)에서 기울어진 풍력 터빈의 Large Eddy Simulations(LES)를 수행한다.
• LES 데이터를 사용하여 평균 종방향 소용돌이와 속도 결손의 진화를 분석하며, 특히 CVP의 상단과 하단 소용돌이의 비대칭성에 중점을 둔다.
• 바람 기울기로 인한 스파이널 방향 이동을 선형 근사화된 기울기 속도 프로파일 $ V(z) = -S(z - z_h) $ 를 사용하여 모델링한다. 여기서 $ S $ 는 LES로부터 유도된 기울기율이다.
• Abkar 등(2018)과 Bastankhah 등(2022)의 소용돌이 시트 기반 분석 기수 모델을 수정하여 기울기 보정 항을 포함시켜, 말랑한 기수 형태와 속도 결손을 예측할 수 있도록 한다.
• 다양한 유하 거리에서의 평균 속도 분포를 비교하여, 수정된 모델을 LES 결과와 검증한다.
• 초합의 원리를 적용하여 터빈 기울기로 인한 소용돌이와 코리olis로 인한 기울기 소용돌이를 모델 내에서 덧셈 성분으로 간주한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대기권 경계층에서의 바람 기울기는 기울어진 풍력 터빈 기수의 종방향 소용돌이 대칭성과 진화에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 바람 기울기는 반대 방향 소용돌이 쌍(CVP)의 구조를 어느 정도 왜곡시켜 비대칭적 기수 휘어짐과 변형을 유도하는가?
• RQ3 기존의 기울어진 터빈을 위한 분석 기수 모델에 기울기로 인한 스파이널 방향 이동 항을 추가하여 기울기 효과를 포함시킬 수 있는가?
• RQ4 TNBL와 비교하여 CNBL 조건에서 수정된 분석 기수 모델이 평균 속도 결손과 기수 형태를 얼마나 정확하게 예측하는가?
• RQ5 기울기로 인한 소용돌이와 터빈 기울기로 인한 소용돌이 중 어느 것이 전체 기수 역학과 휘어짐에 더 큰 기여를 하는가?

주요 결과

• CNBL에서의 바람 기울기는 반대 방향 소용돌이 쌍(CVP)에 상당한 비대칭성을 유도하며, 지면 근처의 차별적 이류 속도로 인해 하단 소용돌이가 상단 소용돌이보다 더 크게 횡방향으로 이동한다.
• 기울기로 인한 종방향 소용돌이는 터빈 기울기로 인한 소용돌이에 덧붙여져 하단 소용돌이를 강화하고 상단 소용돌이를 약화시킨다.
• 기울기를 제거하면 CVP의 구조는 대칭이 되며 TNBL 경우와 유사하게 되어, 기울기가 비대칭성의 주요 원인임을 확인한다.
• 기울기로 인한 이동 항 $ V(z) = -S(z - z_h) $ 를 포함한 수정된 분석 기수 모델은 평균 속도 결손과 기수 형태에서 LES 데이터와 강한 일치를 보인다.
• 모델은 TNBL 및 CNBL 조건 모두에서 말랑한 반달 모양의 기수 형태를 성공적으로 예측하며, 기울기를 忽시하는 기존 모델보다 정확도가 높다.
• 기울기 보정 항은 기울기 각도까지 $ 30^ ext{°} $ 범위에서 기수 휘어짐과 속도 분포를 정확하게 예측할 수 있게 하여, 풍력 발전소 제어 전략에 넓은 적용 가능성을 시사한다.