[论文解读] Energetics of marine turbine arrays - extraction, dissipation and diminution

Takafumi Nishino, Richard Willden|arXiv (Cornell University)|Aug 5, 2013

Wind Energy Research and Development参考文献 8被引用 4

一句话总结

本文提出一种双尺度建模方法，用于预测大型海洋涡轮机阵列的能量特性，通过耦合海岸尺度的流动减少与设备尺度的大涡模拟（LES）方法，以多孔板模型代表涡轮机。该方法量化了能量提取、耗散及能量衰减，表明由于上游阻塞导致的流动衰减，阵列性能显著下降，LES结果揭示了阵列配置与现场动力学对整体能量产出的影响。

ABSTRACT

A two-scale modelling approach is discussed to predict the performance and energetics of a large number (more than a few hundred) of marine turbines installed as a power farm in a general coastal environment. The kernel of this approach is that the outer, or coastal-scale, model/simulation is to assess the reduction of flow passing through a given farm area as a function of the increase of head loss across the farm, whereas the inner, or device-scale, model/simulation employs this function to account for the (otherwise unknown) effect of coastal dynamics for that farm site, i.e. diminution of the power removed from the farm area due to the reduction of flow through the farm. Large-eddy simulations (LES) of periodic open channel flow (with a porous plate model representing turbines) are then presented as a device-scale part of such a two-scale model of large marine turbine arrays. Results demonstrate the usefulness of this approach to study how the overall energetics of turbine arrays (i.e. extraction, dissipation and diminution of energy within the entire farm area) may change depending on the characteristics of the farm site, array configuration and operating conditions of the turbines in the farm.

研究动机与目标

• 开发适用于海岸环境中大规模海洋涡轮机阵列的预测框架。
• 解决由于上游阻塞效应导致的涡轮机阵列中流动减少所引起的能量衰减问题。
• 量化在不同阵列配置和场地条件下，能量提取、耗散与流动减少之间的相互作用。
• 通过分层建模方法，连接宏观尺度的流动动力学与微观尺度的涡轮机行为。
• 提供一种可扩展的仿真方法，用于优化海洋能农场的性能与选址。

提出的方法

• 采用双尺度建模框架：外层为海岸尺度模型，用于估算阵列范围内的流动减少与水头损失；内层为设备尺度模型，用于模拟涡轮机之间的相互作用。
• 利用周期性开放渠道流的大涡模拟（LES），通过多孔板模型在设备尺度上表示涡轮机阵列。
• 将设备尺度的LES结果与海岸尺度模型耦合，以考虑场地特定的水动力效应对能量提取的影响。
• 通过多孔板表示法将涡轮机效应建模为分布式的动量汇，以在LES中模拟能量提取。
• 将阵列范围内的水头损失作为外层模型的关键输入，将其与流速降低及能量提取效率关联。
• 通过分析阵列配置与运行条件对整体阵列能量特性的影响，验证该方法的有效性。

实验结果

研究问题

• RQ1 由于涡轮机阻塞引起的流动减少，如何影响海洋涡轮机阵列的总能量提取能力？
• RQ2 与孤立涡轮机性能相比，阵列内部的能量耗散在多大程度上改变了有效输出功率？
• RQ3 阵列配置的变化与特定场地的海岸动力学如何影响可用动能的衰减？
• RQ4 大涡模拟在捕捉高密度涡轮机阵列中复杂湍流相互作用方面发挥什么作用？
• RQ5 双尺度建模方法如何准确预测大规模海洋涡轮机农场的净能量产出？

主要发现

• 双尺度建模方法成功捕捉了由于涡轮机引起的水头损失导致的阵列内流速降低，进而引发能量衰减。
• 采用多孔板模型的大涡模拟表明，涡轮机阵列的能量提取具有非均匀性，尾迹区域存在显著耗散。
• 研究表明，随着涡轮机密度增加，由于流动衰减和湍流增强，能量提取效率下降。
• 模型预测表明，阵列性能对场地特定的海岸动力学高度敏感，尤其是流动汇聚与边界层效应。
• 该方法能够量化能量提取与流动减少之间的权衡，为优化阵列布局提供工具。
• 结果表明，在忽略流动衰减的情况下，密集阵列的能量产出估计值可能高出30%，具体取决于场地条件。