Caracterización numérica de la turbulencia en el estela de una aeroturbina mediante un modelo de simulación de grandes escalas

Resumen

Las estelas de aeroturbinas son un interesante tema de estudio. El defecto de momento y el incremento en el nivel de turbulencia creado por las máquinas en un parque eólico suele causar una reducción en la potencia generada y cargas transitorias en otras turbinas. En parques en que, por escasez de espacio, el aumento de los costes de obra civil, etc., los aerogeneradores se sitúan demasiado cerca unos de otros, la intensidad de turbulencia puede crecer lo suficiente como para causar en algunos de ellos un daño considerable debido a las cargas dinámicas y al fenómeno de fatiga. La presente Tesis Doctoral tiene como objetivo caracterizar la turbulencia en la estela de una aeroturbina a través de simulación numérica. Lo novedoso de la metodología desarrollada es la utilización de la técnica conocida como Simulación de Grandes Escalas (normalmente conocido por sus siglas en inglés LES, de Large−Eddy Simulation). LES proporciona una solución del campo fluido tridimensional y no estacionaria, resolviendo físicamente la turbulencia a excepción de las pequeñas escalas que son modelizadas. Los modelos existentes hasta la fecha utilizan un cierre de las ecuaciones de tipo RANS estableciendo un promedio de Reynolds sobre todas las escalas turbulentas, de manera que sólo proporcionan información sobre los valores medios de las magnitudes fluidas. Los recursos computacionales requeridos por la simulación LES son mayores que los de los modelos RANS pero muy razonables y al alcance de cualquiera. Uno de los objetivos de importancia de la Tesis es la simulación numérica de la estela en condiciones que reproduzcan la turbulencia ambiente atmosférica. Las propiedades de la turbulencia del viento son bien conocidas, pero difícilmente reproducibles. Una gran parte del trabajo realizado ha estado encaminado a la obtención de un viento numérico con propiedades turbulentas próximas a las del flujo atmosférico. El paso siguiente es la introducción de un modelo simplificado de aeroturbina, que se engloba dentro del grupo de modelos del tipo de disco actuador. La turbina se representa a través de una serie de fuerzas de volumen introducidas en cierta selección de celdas de la malla. La simulación de grandes escalas permite obtener las propiedades fluidas en el seno de la estela, en particular los defectos de velocidad y las componentes del tensor de Reynolds, relacionadas con la intensidad de turbulencia en las tres direcciones del espacio y con los esfuerzos turbulentos de cortadura. Con el objeto de validar los métodos empleados, los resultados de la simulación de la estela son comparados con datos experimentales obtenidos en parques eólicos existentes en la actualidad y también con ciertas correlaciones analíticas propuestas previamente por diversos autores. La capacidad de LES ha permitido además reproducir ciertas propiedades de la turbulencia a las que no es posible llegar con los modelos de tipo RANS. Se han calculado los espectros de densidad de potencia y de coherencia espacial, que han sido comparados también con datos experimentales de este tipo. ABSTRACT Wind turbine wakes are an interesting topic of study. Velocity defects and the increase of turbulence generated by the turbines in a wind farm usually cause a reduction in power generation and unsteady loads over other machines. In wind farms where, because of shortage of space, high cost of civil works, etc., the wind turbines are placed too close ones to the others, turbulence intensity may increase sufficiently to cause measurable damage due to fatigue and dynamic loads on some of them. The objective of this Thesis research is to characterize the turbulence in a wind turbine wake with numerical simulation. What is new in the developed methodology is the use of the technique known as Large−Eddy Simulation (LES). LES provides a three−dimensional and unsteady solution of fluid flow resolving turbulence physically except the smallest scales, which are modelled. The current models use a RANS closure method based in a Reynolds average over all scales of turbulence, so they provide information only about the average value of flow magnitudes. The computational resources required by LES are higher than RANS’s ones, but very reasonable. One of the important goals of the Thesis is to perform the numerical simulation of the wake reproducing the atmospheric environmental turbulence. The turbulent properties of wind are well known but hardly reproducible. A big part of the work done has been focused on obtaining a numerical wind with similar turbulent properties to the ones of the atmospheric flow. Next step is to introduce a simplified model of wind turbine, that can be included in the sort of models known as actuator disk models. Wind turbine is then represented as a set of body forces placed in some selected grid cells. LES allows us to obtain the flow properties inside the wake, particularly the velocity defects and the components of the Reynolds stress tensor, related to the turbulence intensities in the three spatial directions and with turbulent shear stresses. In order to validate the methodology, the results of the wake simulation are compared with experimental data obtained in existing wind farms and with analytical correlations previously proposed by some authors. LES potentiality permits as well to reproduce some turbulence properties that are impossible to get with RANS type models. Power density and spatial coherence spectra have been calculated and compared with experimental data of this kind.