Response of the wind-turbine wake to a turbulent atmospheric boundary-layer flow

摘要

Die Eigenschaften des Nachlaufs einer Windturbine werden für verschiedene im Laufe eines Tages in einer turbulenten Grenzschicht auftretende atmosphärische Schichtungen mit Grobstruktursimulationen mit dem Strömungslöser EULAG untersucht. Dafür wurde eine Methode zur Erhaltung der Hintergrundturbulenz für Windturbinensimulationen mit offenen Randbedingungen in Strömungsrichtung entwickelt. Dies wird durch das Aufprägen der turbulenten Fluktuationen in der spektralen Energieverteilung einer neutralen Grenzschicht ermöglicht. Weiter lässt sich damit das permanente Einlesen von turbulenten Einströmprofilen in die Windturbinensimulationen vermeiden. Zusätzlich wurden idealisierte Tagesgangsimulationen über homogenen und heterogenen Oberflächen durchgeführt. Der Tagesgang zeigt einen signifikanten Einfluss auf den Wind und die Turbulenz in der atmosphärischen Grenzschicht. Unter homogenen Bedingungen treten in der stabilen und der morgendlichen Grenzschicht eine starke vertikale Windscherung und eine Änderung der Windrichtung mit der Höhe auf, wohingegen in der konvektiven und der abendlichen Grenzschicht die Turbulenz in der Atmosphäre stark ausgeprägt ist. Unter heterogenen Bedingungen hat die nächtliche Zunahme der Scherung einen grossen Einfluss auf Wind und Turbulenz, und führt zu einer Kompensation der Ekmanspirale. Windturbinensimulationen werden mit synchronisierten Daten aus den Tagesgangsimulationen betrieben. Die sich ergebenden Nachläufe sind von der Stabilität der Atmosphäre beeinflusst und haben ihrerseits einen Einfluss auf die Energieeffizienz der Windturbine. Das Strömungsfeld wird durch eine schnellere Einmischung unter konvektiven Bedingungen am Tag, im Gegensatz zur Nacht, geprägt. Die Nachläufe, die sich in der abendlichen und morgendlichen Grenzschicht entwickeln, sind entscheidend von der vorhergehenden atmosphärischen Situation beeinflusst. Um diese äusserst rechenintensiven Tagesgangsimulationen zu vermeiden, wurde die Methode zur Aufrechterhaltung der Hintergrundturbulenz zu einer Parametrisierung ausgeweitet. Diese beinhaltet eine schichtungsspezifische Gewichtung sowie entsprechende Hintergrundwindprofile, beides aus der idealisierten Tagesgangsimulation über homogener Oberfläche abgeleitet. Die Windturbinensimulationen mit Parametrisierung zeigen eine gute Übereinstimmung mit den synchronisierten Windturbinensimulationen aus der Tagesgangsimulation über homogener udOberfläche und reduzieren die erforderliche Rechenzeit um den Faktor 100. Dies spricht für eine einfache und äusserst effiziente Parametrisierung des turbulenten einströmenden Windfeldes für Grobstruktursimulationen unterschiedlicher thermischer Schichtungen.