Actuator line model using simplified force calculation methods
Creators
- 1. Uppsala University
- 2. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas
- 3. University of Buenos Aires
Description
Abstract. To simulate transient wind turbine wake interaction problems using limited wind turbine data, two new variants of the actuator line technique are proposed in which the rotor blade forces are computed locally using generic load data. The proposed models, which are extensions of the actuator disc force models proposed by Navarro Diaz et al. (2019a) and Sørensen et al. (2020), only demand thrust and power coefficients and the tip speed ratio as input parameters. In the paper it is shown the analogy between the Actuator Disc Method (ADM) and the Actuator Line Method (ALM) and from this derive a simple methodology to implement local forces in the ALM without the need for knowledge of blade geometry and local airfoil data. Two simplified variants of ALMs are proposed, an analytical one based on Sørensen et al. (2020) and a numerical one based on Navarro Diaz et al. (2019a). The proposed models are compared to the ADM, using analogous data, as well as to the classical ALM based on blade element theory, which provides more detailed force distributions by using airfoil data. To evaluate the local force calculation, the analysis of a partial wake interaction case between two wind turbines is carried out for an uniform laminar inflow and for a turbulent neutral atmospheric boundary layer inflow. The computations are performed using the Large Eddy Simulation facility in OpenFOAM, including SOWFA libraries and the reference NREL 5MW wind turbine as test case. In the single turbine case, computed normal and tangential force distributions along the blade showed a very good agreement between the employed models. The two new ALMs exhibited the same distribution as the ALM based on geometry and airfoil data, with minor differences due to the particular tip correction needed in the ALM. For the challenging partially impacted wake case, the analytical and numerical approaches manage both to correctly capture the force distribution at the different regions of the rotor area, with, however, a consistent overestimation of the normal force outside the wake and an underestimation inside the wake. The analytical approach shows a slightly better performance in wake impact cases compared to the numerical one. As expected, the ALMs gave a much more detailed prediction of the higher frequency power output fluctuations than the ADM. These promising findings open the possibility to simulate commercial wind farms in transient inflows using ALM, without having to get access to actual wind turbine and airfoil data, which in most cases are restricted due to confidentiality.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
الملخص. لمحاكاة مشاكل تفاعل استيقاظ توربينات الرياح العابرة باستخدام بيانات توربينات الرياح المحدودة، يتم اقتراح نوعين جديدين من تقنية خط المشغل حيث يتم حساب قوى شفرة الدوار محليًا باستخدام بيانات الحمل العامة. النماذج المقترحة، وهي امتدادات لنماذج قوة قرص المشغل التي اقترحها Navarro Diaz et al. (2019a) و Sørensen et al. (2020)، تتطلب فقط معاملات الدفع والطاقة ونسبة سرعة الطرف كمعلمات إدخال. في الورقة، يظهر التشابه بين طريقة قرص المشغل (ADM) وطريقة خط المشغل (ALM) ومن هذا نستمد منهجية بسيطة لتنفيذ القوى المحلية في ALM دون الحاجة إلى معرفة هندسة الشفرة وبيانات الرفرفة الهوائية المحلية. يُقترح نوعان مبسطان من ALMs، أحدهما تحليلي يستند إلى Sørensen et al. (2020) والآخر رقمي يستند إلى Navarro Diaz et al. (2019a). تتم مقارنة النماذج المقترحة بـ ADM، باستخدام بيانات مماثلة، وكذلك بـ ALM الكلاسيكي بناءً على نظرية عنصر الشفرة، والتي توفر توزيعات قوة أكثر تفصيلاً باستخدام بيانات الجنيح. لتقييم حساب القوة المحلية، يتم تحليل حالة تفاعل الاستيقاظ الجزئي بين اثنين من توربينات الرياح من أجل تدفق صفائحي موحد ولتدفق طبقة حدود جوي محايدة مضطربة. يتم إجراء الحسابات باستخدام مرفق محاكاة الدوامة الكبير في OpenFOAM، بما في ذلك مكتبات SOWFA وتوربينات الرياح NREL 5MW المرجعية كحالة اختبار. في حالة التوربين الفردي، أظهرت توزيعات القوة العادية والمماسية المحسوبة على طول الشفرة اتفاقًا جيدًا جدًا بين النماذج المستخدمة. أظهر الاثنان الجديدان لاتحاد المحفوظات والمكتبات والمتاحف ALM نفس التوزيع الذي أظهره اتحاد المحفوظات والمكتبات والمتاحف ALM بناءً على بيانات الهندسة والرقائق الهوائية، مع وجود اختلافات طفيفة بسبب تصحيح الطرف المحدد المطلوب في اتحاد المحفوظات والمكتبات والمتاحف ALM. بالنسبة لحالة الاستيقاظ المتأثرة جزئيًا، تعمل الأساليب التحليلية والعددية على التقاط توزيع القوة بشكل صحيح في المناطق المختلفة من منطقة الدوار، مع المبالغة المستمرة في تقدير القوة الطبيعية خارج الاستيقاظ والتقليل من شأنها داخل الاستيقاظ. يُظهر النهج التحليلي أداءً أفضل قليلاً في حالات تأثير الاستيقاظ مقارنةً بالنهج العددي. كما هو متوقع، قدم اتحاد المحفوظات والمكتبات والمتاحف ALMs تنبؤًا أكثر تفصيلاً لتقلبات خرج طاقة التردد الأعلى من الإدارة. تفتح هذه النتائج الواعدة إمكانية محاكاة مزارع الرياح التجارية في التدفقات العابرة باستخدام اتحاد المحفوظات والمكتبات والمتاحف ALM، دون الحاجة إلى الوصول إلى توربينات الرياح الفعلية وبيانات الجنيح، والتي تكون مقيدة في معظم الحالات بسبب السرية.Translated Description (French)
Résumé. Pour simuler des problèmes transitoires d'interaction de sillage d'éolienne en utilisant des données limitées d'éolienne, deux nouvelles variantes de la technique de ligne d'actionneur sont proposées dans lesquelles les forces de pale de rotor sont calculées localement en utilisant des données de charge génériques. Les modèles proposés, qui sont des extensions des modèles de force de disque d'actionneur proposés par Navarro Diaz et al. (2019a) et Sørensen et al. (2020), ne demandent que des coefficients de poussée et de puissance et le rapport de vitesse de pointe comme paramètres d'entrée. Dans l'article, il est montré l'analogie entre la méthode du disque d'actionneur (ADM) et la méthode de la ligne d'actionneur (ALM) et de là dérive une méthodologie simple pour mettre en œuvre des forces locales dans l'ALM sans avoir besoin de connaître la géométrie de la pale et les données locales de la surface portante. Deux variantes simplifiées des MLA sont proposées, une variante analytique basée sur Sørensen et al. (2020) et une variante numérique basée sur Navarro Diaz et al. (2019a). Les modèles proposés sont comparés à l'ADM, en utilisant des données analogues, ainsi qu'à l'ALM classique basé sur la théorie des éléments de pale, qui fournit des distributions de force plus détaillées en utilisant des données de profil aérodynamique. Pour évaluer le calcul de la force locale, l'analyse d'un cas d'interaction de sillage partiel entre deux éoliennes est réalisée pour une entrée laminaire uniforme et pour une entrée de couche limite atmosphérique neutre turbulente. Les calculs sont effectués à l'aide de l'installation de simulation de grands tourbillons dans OpenFOAM, y compris les bibliothèques SOWFA et l'éolienne de référence NREL 5MW comme cas de test. Dans le cas d'une seule turbine, les distributions calculées des forces normales et tangentielles le long de l'aube ont montré un très bon accord entre les modèles utilisés. Les deux nouveaux ALM présentaient la même distribution que l'ALM basée sur les données de géométrie et de profil aérodynamique, avec des différences mineures dues à la correction de pointe particulière nécessaire dans l'ALM. Pour le cas difficile du sillage partiellement impacté, les approches analytique et numérique parviennent à la fois à capturer correctement la distribution de la force aux différentes régions de la zone du rotor, avec cependant une surestimation constante de la force normale à l'extérieur du sillage et une sous-estimation à l'intérieur du sillage. L'approche analytique montre une performance légèrement meilleure dans les cas d'impact de sillage par rapport au cas numérique. Comme prévu, les ALM ont donné une prédiction beaucoup plus détaillée des fluctuations de la puissance de sortie à plus haute fréquence que l'ADM. Ces résultats prometteurs ouvrent la possibilité de simuler des parcs éoliens commerciaux dans des flux entrants transitoires à l'aide de l'ALM, sans avoir à accéder aux données réelles sur les éoliennes et les profils aérodynamiques, qui dans la plupart des cas sont limitées en raison de la confidentialité.Translated Description (Spanish)
Resumen. Para simular problemas de interacción de estela de turbina eólica transitoria utilizando datos limitados de la turbina eólica, se proponen dos nuevas variantes de la técnica de línea de actuador en la que las fuerzas de la pala del rotor se calculan localmente utilizando datos de carga genéricos. Los modelos propuestos, que son extensiones de los modelos de fuerza del disco del actuador propuestos por Navarro Díaz et al. (2019a) y Sørensen et al. (2020), solo exigen coeficientes de empuje y potencia y la relación de velocidad de punta como parámetros de entrada. En el documento se muestra la analogía entre el Método del Disco del Actuador (ADM) y el Método de la Línea del Actuador (ALM) y de esto se deriva una metodología simple para implementar fuerzas locales en el ALM sin la necesidad de conocer la geometría de la pala y los datos del perfil aerodinámico local. Se proponen dos variantes simplificadas de las ALM, una analítica basada en Sørensen et al. (2020) y una numérica basada en Navarro Díaz et al. (2019a). Los modelos propuestos se comparan con el ADM, utilizando datos análogos, así como con el ALM clásico basado en la teoría del elemento de pala, que proporciona distribuciones de fuerza más detalladas mediante el uso de datos de perfil aerodinámico. Para evaluar el cálculo de la fuerza local, se realiza el análisis de un caso de interacción de estela parcial entre dos aerogeneradores para una entrada laminar uniforme y para una entrada de capa límite atmosférica neutra turbulenta. Los cálculos se realizan utilizando la instalación Large Eddy Simulation en OpenFOAM, incluidas las bibliotecas SOWFA y la turbina eólica de referencia NREL 5MW como caso de prueba. En el caso de una sola turbina, las distribuciones de fuerzas normales y tangenciales calculadas a lo largo de la pala mostraron una muy buena concordancia entre los modelos empleados. Los dos nuevos ALM mostraron la misma distribución que el ALM en función de la geometría y los datos del perfil aerodinámico, con pequeñas diferencias debido a la corrección particular de la punta necesaria en el ALM. Para el desafiante caso de estela parcialmente impactada, los enfoques analíticos y numéricos logran capturar correctamente la distribución de la fuerza en las diferentes regiones del área del rotor, con, sin embargo, una sobreestimación constante de la fuerza normal fuera de la estela y una subestimación dentro de la estela. El enfoque analítico muestra un rendimiento ligeramente mejor en los casos de impacto de estela en comparación con el numérico. Como era de esperar, el ALMS dio una predicción mucho más detallada de las fluctuaciones de salida de potencia de mayor frecuencia que el ADM. Estos prometedores hallazgos abren la posibilidad de simular parques eólicos comerciales en entradas transitorias utilizando ALM, sin tener que acceder a datos reales de aerogeneradores y perfiles aerodinámicos, que en la mayoría de los casos están restringidos debido a la confidencialidad.Files
wes-8-363-2023.pdf.pdf
Files
(5.9 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:1a369466448474a2ee825244dd55e23e
|
5.9 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- نموذج خط المشغل باستخدام طرق حساب القوة المبسطة
- Translated title (French)
- Modèle de ligne d'actionneur utilisant des méthodes de calcul de force simplifiées
- Translated title (Spanish)
- Modelo de línea de actuador utilizando métodos simplificados de cálculo de fuerza
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4309449697
- DOI
- 10.5194/wes-2022-106