Tesis:
Generation of Spectral Representations of Urban Wind Fields From LES and Experimental Databases for Aeroelastic Simulations of Wind Turbines
- Autor: ELAGAMY, Mohanad
- Título: Generation of Spectral Representations of Urban Wind Fields From LES and Experimental Databases for Aeroelastic Simulations of Wind Turbines
- Fecha: 2024
- Materia:
- Escuela: E.T.S.I. AERONÁUTICA Y DEL ESPACIO
- Departamentos: AERONAVES Y VEHICULOS ESPACIALES
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/80793/
- Director/a 1º: GALLEGO CASTILLO, Cristóbal José
- Director/a 2º: CUERVA TEJERO, Álvaro
- Resumen: The increase in demand for renewable energy has led to a need to assess various types of sites, particularly urban areas, for wind turbine installation. Small wind turbines in urban environments require minimal space, and they can be installed in proximity to high electricity demand regions. However, existing aeroelastic design standards (IEC 61400-2) developed for open terrains may lead to inaccurate results due to the distinct wind field characteristics of urban environments. The present thesis proposes the use of large eddy simulation to characterize the urban wind field statistics to be used in the generation of synthetic wind velocity fields to be used in the aeroelastic simulation of wind turbines operating in urban environments, to contribute, in the future, to the updating of the design standards of urban wind turbines. Spectral representation methods and sequential methods were employed for the synthesis of urban wind fields, with a particular focus on the autoregressive and vector autoregressive models. As a novelty, these models were developed to include second-order statistical information described in the frequency domain as they typically utilize inputs described in the time domain. This is done through the use of the relation of poles and the autoregressive spectrum, as well as the exploitation of the connection between eigenvalues of the companion matrix of the vector autoregressive of order one representation and the vector autoregressive spectra. Von Karman and Mann turbulence models were employed as target spectra to assess the proposed approaches.
A large eddy simulation analysis was conducted to replicate an experimental study of a particular urban area flow case, a single high-rise building exposed to a turbulent inflow representative of Eurocode terrain category II. The conducted large eddy simulation study was used to provide second-order statistics of the wind field at three locations: the rooftop of the high-rise building along a vertical line at its center, a plane parallel to the wind direction in the middle of the rooftop, and a plane perpendicular to the wind direction also situated in the middle of the rooftop. The provided statistical information at the three locations were used to synthesize urban wind fields using the spectra-based vector autoregressive approach, the covariance-based vector autoregressive approach, and the spectral representation method, respectively. The results demonstrate that both the spectral representation methods and the sequential methods are capable of reproducing the statistical targets of highly non-homogeneous and anisotropic wind fields, and the non-Gaussianity nature of the urban wind field which has been accounted for by applying the quantile-to-quantile transformations of the histograms of the velocity components. However, each approach possesses distinct advantages. The covariance-based methods present a good capability in reproducing target covariances and variances of random processes that represent the wind velocity field, while the spectra-based approaches reproduce well target spectra. The choice of method should be based on the specific requirements of the synthetic wind fields intended application.
RESUMEN
El aumento en la demanda de energía renovable ha llevado a la necesidad de evaluar varios considerar diferentes tipos de emplazamientos, especialmente en áreas urbanas, para la instalación de aerogeneradores. Los Pequeños Aerogeneradores en entornos urbanos requieren un espacio mínimo y pueden ser instalados cerca de regiones con alta demanda de energía. Sin embargo, las normas de diseño existentes (IEC 61400-2) desarrolladas para terrenos abiertos pueden llevar a resultados inexactos debido a las características particulares del campo de viento en entornos urbanos. La presente tesis propone utilizar la simulación de grandes escalas para caracterizar las estadísticas del campo de viento urbano que son necesarias para general campos de viento sintético que puedan ser utilizados en la simulación aeroelástica de aerogeneradores operando en estos entornos con objecto de contribuir, en un futuro, a la actualización de las normas de diseño de aerogeneradores para ser utilizados en emplazemintos urbanos. Se han empleado Métodos de Representación Espectral y métodos secuenciales para la síntesis de campos de viento urbanos, con un enfoque particular en los modelos autorregresivo y autorregresivo vectorial. Estos modelos se han desarrollado para incluir información estadística de segundo orden descrita en el dominio de frecuencia, ya que normalmente utilizan entradas descritas en el dominio del tiempo. Esto se ha logrado mediante el uso de la relación de polos y el espectro autorregresivo, así como la explotación de la conexión entre los autovalores de la matriz compañera de la representación autorregresivo vectorial de orden uno y los espectros autorregresivo vectorial.
Se han empleado los modelos de turbulencia de Von Karman y Mann para obtener un espectro objetivo y evaluar los enfoques propuestos. Se ha llevado a cabo un análsis simulación de grandes escalas para replicar un estudio experimental de un caso particular en una zona urbana, un solo edificio de gran altura expuesto a un campo de velocidad turbulenta representativa de la categoría de terreno II del Eurocódigo. El estudio simulación de grandes escalas realizado se ha utilizado para determinar estadísticas de segundo orden del campo de viento en tres ubicaciones: en la azotea del edificio de gran altura a o largo de una línea vertical localizada en su centro, en un plano paralelo a la dirección del viento en el centro de la azotea y en un plano perpendicular a la dirección del viento, también ubicado en el centro de la azotea. La información estadística obtenida en las tres ubicaciones se ha utilizado para sintetizar el campo de viento urbano utilizando el enfoque autorregresivo vectorial basado en espectros, el enfoque autorregresivo vectorial basado en covarianzas y el enfoque métodos de representación espectral, respectivamente. Los resultados demuestran que tanto los enfoques métodos de representación espectral como los métodos secuenciales son capaces de reproducir las características estadísticas de segundo orden, en dos puntos y dos instantes, de campos de viento altamente no homogéneos y anisotrópos, así como la naturaleza no gaussiana del campo de viento urbano, que puede tenerse en cuenta aplicando técnicas de transformación de cuantil-a-cuantil de las correspondientes histogramas. Las metodologías de síntesis analizadas presentan ventajas características. De este modo, los métodos basados en covarianzas tienen una buena capacidad para reproducir las covarianzas y las varianzas de los procesos aleatorios que representan los campos de velocidad de viento urbano, mientras que los enfoques basados en espectros reproducen bien los espectros objetivos. La elección del método debe basarse en los requisitos específicos de la aplicación prevista del campo de viento sintético.