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Tesis:

ABL simulations with uncertain weather parameters and impact on WT performance and near-field noise

  • Autor: KALE, Baris

  • Título: ABL simulations with uncertain weather parameters and impact on WT performance and near-field noise

  • Fecha: 2024

  • Materia:

  • Escuela: E.T.S.I. AERONÁUTICA Y DEL ESPACIO

  • Departamentos: AERONAVES Y VEHICULOS ESPACIALES

  • Acceso electrónico: https://oa.upm.es/80430/

  • Director/a 1º: VAN BEECK, Jeroen
  • Director/a 2º: CUERVA TEJERO, Álvaro

  • Resumen: Esta tesis se centra en el impacto de las condiciones de estabilidad atmosférica sobre el comportamiento aerodinámico y aeroacústico de aerogeneradores a escala real que operan en condiciones atmosféricas realistas. El modelado del flujo de la capa límite atmosférica (ABL, de sus siglas en Inglés) para condiciones variables de estabilidad atmosférica se realiza utilizando un modelo numérico de predicción meteorológica (NWP, de sus siglas en Inglés), el llamado modelo investigación y predicción meteorológica (WRF, de sus siglas en Inglés), que resuelve las ecuaciones de la mecánica del fluidos no hidrostáticas totalmente compresibles en forma de flujo utilizando un sistema de coordenadas verticales de sigmapresión. El modelo WRF es capaz de acoplar una amplia gama de escalas atmosféricas mediante el empleo de una técnica de anidamiento, que permite la reducción dinámica de la turbulencia atmosférica desde la escala sinóptica (105-106 m) y la mesoescala (103-105 m) hasta la microescala tridimensional (100-102 m). A escalas más pequeñas que ∼103 m en las que no se puede suponer que la turbulencia atmosférica sea unidimensional, se utiliza un marco de simulación de grandes torbellinos (LES de sus siglas en Inglés) para resolver las escalas más energéticas de la turbulencia atmosférica, cuya estructura y evolución son de gran importancia en el comportamiento de los sistemas eólicos (WRF-LES). Aparte de las ventajas mencionadas anteriormente, el modelo WRF-LES también incorpora la física atmosférica necesaria para una representación precisa de las características del flujo ABL que cambian constantemente durante un ciclo diurno. A pesar de ser un potente modelo numérico para reproducir la turbulencia atmosférica multiescala, el modelo WRF-LES carece de representación de la interacción local entre el flujo ABL y los aerogeneradores. Una modelización adecuada del flujo ABL turbulento que determina la dinámica de los aerogeneradores requiere una reproducción precisa de la turbulencia atmosf érica, desde escalas sinópticas hasta escalas del orden de la anchura de la capa límite sobre las palas. Para tener en cuenta el intercambio de energía cinética entre los aerogeneradores y el flujo ABL circundante, así como para comprender la influencia de las características locales del terreno y las condiciones meteorológicas, con una fuerte componente de incertidumbre, en el comportamiento de la estela, la respuesta aerodinámica y la huella acústica de los aerogeneradores, se han implementado modelos generalizados de disco actuador (GAD de sus siglas en Inglés) y de linea actuadora (GAL de sus siglas en Inglés) dentro del entorno WRF-LES. Ambas parametrizaciones de los aerogeneradores, denominadas modelos WRF-LES-GAD (WLGD) y WRF-LES-GAL (WLGL), son fundamentales para establecer una representación suficientemente precisa de la interacción realista flujo ABL-aerogenerador, uno de los principales pilares del proyecto del que forma parte este trabajo. Para evaluar la precisión de la reproducción de las características estadísticas de los patrones idealizados de viento turbulento sobre terreno llano, inducidos por varios forzamientos geostróficos a gran escala dentro de un ABL neutro, se ha empleado un algoritmo estocástico de generación de turbulencia atmosférica, conocido como Método de Perturbación Celular (CPM, de sus siglas en Inglés). Este método se integra en el marco WRFLES y se compara con el algoritmo estándar de generación de turbulencia utilizado en el modelo LES dentro de WRF. El enfoque principal se ha centrado en el examen de estos patrones de viento turbulento dentro de un plano vertical situado en el centro del dominio computacional, que abarca un rotor típico de aerogenerador a escala real. Además, este estudio pone especial énfasis en la consistencia estadística de los campos de viento turbulento completamente desarrollados a través de diferentes escenarios utilizando CPM. Estos escenarios se comparan con las simulaciones de referencia idealizadas generadas mediante el algoritmo estándar de generación de turbulencia empleado en el modelo WRF-LES, con el objetivo principal de obtener una visión completa de las características de la turbulencia atmosférica que influyen en la carga de los aerogeneradores. Antes de probar los modelos WLGD y WLGD en condiciones reales y de implementar una metodología para incorporar predicciones realistas del modelo WLGL acoplado con un modelo del ruido de un aerogenerador a escala real, los modelos WLGL y WLGD, se validan frente a los datos disponibles recogidos en la bibliografía. Se han seleccionado tres casos de prueba para cuantificar la fiabilidad, fidelidad y precisión de las dos parametrizaciones del aerogenerador. El primer caso, que constituye la línea base de todos los casos de prueba, se basa en el análisis de la aerodinámica de la estela del aerogenerador en condiciones de flujo estacionario y uniforme, con una velocidad del viento de entrada de 8 m s−1. Se utiliza el aerogenerador de referencia NREL de 5 MW para modelar la interacción flujo de aire-aerogenerador y se comparan los resultados de ambos modelos, incluyendo las distribuciones radiales del ángulo de ataque promediado en el tiempo a lo largo de las palas, la velocidad longitudinal, la resistencia y la sustentación no dimensionales, así como los perfiles verticales de la velocidad longitudinal y las componente longitudinal del tensor de esfuerzo de Reynolds en diferentes puntos aguas abajo del rotor del aerogenerador, con los resultados de los códigos LES disponibles. Además, se ha realizado un análisis de sensibilidad para analizar la influencia de la función de distribución espacial de la fuerza aerodinámica, la anchura del kernel de regularización, y la corrección en las variables aerodinámicas de de las secciones de pala por efectos tridimensionales (por ejemplo, distribuciones radiales del ángulo de ataque, velocidad longitudinal, sustentación y resistencia adimensionales) y la respuesta aerodinámica del aerogenerador (por ejemplo, potencia, tracción y par). Este estudio proporciona información sobre los parámetros del aerogenerador que deben seleccionarse a la hora de determinar las variables óptimas en cuanto a la configuración computacional. Los resultados han mostrado que las estimaciones de los modelos WLGD y WLGL concuerdan adecuadamente con los resultados de otros códigos LES en la zona de estela próxima, sin embargo, se han observado tendencias ligeramente diferentes en la zona lejana de la estela, cuando se produce la transición laminar a turbulenta. Por ejemplo, la diferencia relativa promedio entre los perfiles verticales medios de velocidad longitudinal de los modelos WLGD/WLGL y el modelo SOWFA del Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL) asciende aproximadamente a 3.15% y 3.44% en el plano del rotor, respectivamente. Sin embargo, esta discrepancia aumenta a alrededor de 11.31% y 12.84% cuando la evaluación se realiza en una ubicación situada a una distancia de nueve diámetros de rotor aguas abajo del rotor. A continuación, el modelo WLGD se valida frente a los datos de potencia medidos en el parque eólico de Lillgrund, que consta de 48 aerogeneradores Siemens de 2.3 MW. Este estudio se centra en la investigación de la interacción entre múltiples aerogeneradores que operan en condiciones de flujo ABL neutro, con una velocidad media del viento a la altura del buje de ∼ 8 m s−1 y una intensidad de turbulencia de ∼ 5%. La potencia media de cada aerogenerador se normaliza por la mediana de la producción de potencia de los aerogeneradores de la primera fila. Además, también se analiza la contribución fraccional de cada aerogenerador a la producción total de energía del parque eólico. Los resultados se comparan bien con las mediciones de potencia a pesar de la existencia de pequeñas diferencias entre la velocidad del viento modelada y medida y la intensidad de la turbulencia a la altura del buje. Las turbinas eólicas de la fila frontal generan la mayor potencia, contribuyendo con un 38.4% del total de potencia, mientras que las turbinas de la segunda fila producen la menor potencia, representando solo un 4.6% del total de potencia dentro de la planta. Por último, los modelos WLGD y WLGL se han validado frente a mediciones de campo y resultados LES disponibles en condiciones ABL neutras, inestables y estables observadas durante una campaña de mediciones en el emplazamiento de pruebas Scaled Wind Farm Technology (SWiFT), una vez calibradas las condiciones de entrada del flujo frente a los datos de un mástil meteorológico situado a 2.5 diámetros aguas arriba del aerogenerador Vestas V27 en pruebas. Este análisis incluye una comparación de los perfiles verticales de la velocidad del viento promediados lateral y temporalmente, así como la dirección del viento y la energía cinética turbulenta a la altura del buje en la ubicación del mástil meteorológico. Además, también se exploran los espectros de las componentes de velocidad longitudinal y lateral para asegurar si la resolución espacial utilizada en el LES es suficiente para resolver las estructuras turbulentas mas energéticas. Posteriormente, se analizan cualitativamente los campos de velocidad media, varianza y vorticidad de la estela, junto con los espectros y espectros cruzados de las componentes de velocidad en la estela. Se realiza un análisis de cuantificación del déficit de velocidad de la estela y de la respuesta aerodinámica del aerogenerador, que incluye una comparación de la velocidad de rotación, la potencia y el par del generador, así como el coeficiente de tracción, y se comparan los resultados de ambos modelos con los datos existentes. En general, las estimaciones de los modelos WLGD y WLGL son bastante precisas a la hora de reproducir el comportamiento de la estela y la respuesta aerodinámica del aerogenerador Vestas V27, para todas las condiciones de estabilidad atmosférica analizadas. Por ejemplo, bajo condiciones neutras de la capa límite atmosférica (ABL), la discrepancia entre los modelos GAL y GAD en la predicción de la potencia y el par del generador es aproximadamente del 7% y del 7%, respectivamente. De manera similar, bajo condiciones inestables de la ABL, la diferencia es de alrededor del 6% tanto para la potencia como para el par. Del mismo modo, bajo condiciones neutras de la ABL, la variación es de aproximadamente el 6% para la potencia y el 7% para el par. Sin embargo, se encuentran dificultades a la hora de predecir correctamente condiciones estables debido a la insuficiente resolución de malla empleada por los modelos WLGD y WLGL como consecuencia de la limitada disponibilidad de recursos computacionales. Como paso final de esta tesis, se ha aplicado el modelo WLGL a otros casos reales y se ha evaluado la respuesta aerodinámica de diferentes aerogeneradores para diferentes condiciones ABL observadas durante campañas experimentales en los emplazamientos de ensayo de Perdig˜ao (terreno complejo) y Hovsore (terreno llano). Estas comparaciones son de especial interés, ya que el objetivo es analizar el comportamiento aerodinámico y aeroacústico de un aerogenerador a escala real, operando en terreno real con condiciones atmosféricas reales. Para ello, se ha elegido el modelo WLGL en lugar del modelo WLGD ya que el modelo WLGL es capaz de seguir las posiciones de las palas en cada paso de tiempo y, por tanto, proporciona información más realista y precisa sobre las magnitudes aerodinámicas calculadas para las secciones de pala. Mediante varias simulaciones numéricas de diferentes condiciones ABL observadas en el emplazamiento de Perdig˜ao, se comprobó que el modelo WLGL puede reproducir adecuadamente la turbulencia atmosférica y el comportamiento de la estela del aerogenerador genérico Vestas V80. Dado que no se dispone de datos de diseño del aerogenerador real Enercon E-82 instalado en el emplazamiento de Perdig˜ao, se modeló en su lugar el aerogenerador genérico Vestas V80 con diámetro de rotor, altura de buje y potencia de salida similares. En cuanto al caso de estudio de Perdigao, para validar el flujo ABL en la zona de pruebas, se han comparado con los datos experimentales las series temporales modelizadas de velocidad horizontal del viento, dirección del viento y gradiente de temperatura potencial, así como sus perfiles verticales promediados en el tiempo, en tres mástiles meteorológicos diferentes. Aunque los perfiles verticales de la velocidad del viento en las crestas y la dirección del viento en el valle sobrestimaron los datos de campo, para los periodos respectivos, en general se obtuvieron resultados bastante satisfactorios. Esto también demuestra las dificultades de modelizar el flujo ABL en terrenos complejos debido a las interacciones entre las características del terreno y el flujo ABL. Los espectros y espectros cruzados de las componentes de velocidad y los espectros cruzados de flujo de calor sensible proporcionados por el modelo WLGL son bastante compatibles con los valores experimentales obtenidos a partir de las medidas de las torres DTU de 100 m, excepto por la subestimación del contenido energético del flujo frecuencias. Se ha empleado una gran proporción de anidamiento entre los dominios de mesoescala y microescala para eludir deliberadamente la brecha espectral a escalas entre 102-103 m donde ni los modelos de turbulencia de capa límite planetaria (PBL de sus siglas en Inglés) ni los de las escalas filtradas (SFS de sus siglas en Inglés) pueden funcionar correctamente. Se ha utilizado un método de generación estocástica de turbulencia en dominios WRF-LES de microescala que se añade a la condición impuesta por los dominios de mesoescala para evitar la resolución insuficiente de la turbulencia atmosférica en dominios de microescala. Debido a la insuficiente generación de flotabilidad en las simulaciones de condiciones ABL neutras e inestables, los perfiles de velocidad de la estela captados por los lidares (DLR) no se pudieron reproducir con precisión por el modelo WLGL y, por tanto, la extensión horizontal de la estela resultó ser mayor. La respuesta aerodinámica del aerogenerador modelizado se comparó satisfactoriamente con los datos teóricos de potencia y empuje recogidos en la bibliografía. El caso de estudio de Hovsore ha sido central en el segundo objetivo consistente en utilizar los ángulos de ataque y velocidades relativas (o número de Reynolds) estimados por el modelo WLGL en la predicción de ruido acústico de campo cercano de un aerogenerador de tamaño real operando con turbulencia atmosférica realista. Una de las novedades desarrolladas en esta tesis, además de la implementación de las parametrizaciones WLGD y WLGL del aerogenerador dentro del entorno WRF-LES, consiste en que las magnitudes aerodinámicas estimadas por el modelo WLGL para las condiciones de flujo ABL realista se han incorporado a un modelo computacional de la aeroacústica utilizando una estrategia de acoplamiento explícito. Esto permite predecir el ruido del aerogenerador a escala real (en esta tesis sólo se considera el ruido de borde de salida) teniendo en cuenta la no uniformidad y no estacionariedad de la velocidad del viento y, por lo tanto, la velocidad relativa que perciben las palas, lo que proporciona predicciones de ruido más precisas en comparación con los enfoques de modelado de ruido estándar que utilizan la velocidad del viento promediada en el tiempo para predecir el ruido del aerogenerador. Antes de analizar el ruido de los aerogeneradores a escala real, se validaron las condiciones de flujo ABL con los datos recogidos en el mástil meteorológico de 116.5 m en Hovsore. La configuración computacional óptima se determinó a partir de la selección de datos de reanálisis y esquemas PBL. Dado que no existen datos experimentales para comparar el comportamiento de la estela y el comportamiento aerodinámico de los aerogeneradores, los resultados del modelo WLGL se examinaron cualitativamente. Para la modelización del ruido, se realizó una serie de simulaciones RANS (Reynolds- Averaged Navier-Stokes) para el perfil aerodinámico NACA 0012, con el fin de determinar la configuración de malla óptima que se utilizaría en los cálculos de ruido posteriores. A pesar de que el aerogenerador Siemens de 2.3 MW instalado en el emplazamiento de pruebas de Hovsore no utiliza el perfil aerodinámico NACA 0012, se ha llevado a cabo un análisis de independencia de malla para este perfil aerodinámico debido a la disponibilidad de una extensa base de datos numérica y experimental para su comparación. Una vez determinada la configuración óptima de la malla, se aplicó la misma configuración computacional al perfil aerodinámico NACA 63(3)218, que constituye el último 30% de la pala del aerogenerador. Se obtuvieron resultados bastante satisfactorios al compararlos con los datos numéricos y experimentales disponibles para los perfiles NACA 0012 y NACA 63(3)218 y el aerogenerador a escala real. El método utilizado para el modelado del ruido de borde de salida del aerogenerador Siemens permite utilizar explícitamente las estimaciones del modelo WLGL del ángulo de ataque y la velocidad relativa en un esquema numérico del problema aeroacústico, utilizando el modelo de Amiet para el ruido de borde de salida. ABSTRACT This dissertation focuses on the impact of atmospheric stability conditions on the aerodynamic and aeroacoustic performance of real-scale wind turbines operating in realistic atmospheric conditions. The atmospheric boundary layer (ABL) flow modeling for varying atmospheric stability conditions is done using a numerical weather prediction (NWP) model, the so-called Weather Research and Forecasting (WRF) model, which solves the fully compressible non-hydrostatic flow equations in flux form using a sigma-pressure vertical coordinate system. The WRF model is able to couple a wide range of atmospheric scales by employing a nesting technique, which allows dynamical downscaling of atmospheric turbulence from synoptic-scale (105-106 m) and mesoscale (103-105 m) to three-dimensional microscale (100-102 m). At scales smaller than ∼ 103 m where atmospheric turbulence cannot be assumed to be one-dimensional, a large-eddy simulation (LES) framework is used to resolve energy-containing large eddies whose structure and evolution are of great importance for wind energy systems (WRF-LES). Apart from the advantages mentioned previously, the WRF-LES model also incorporates atmospheric physics required for an accurate representation of ABL flow characteristics that constantly change during a diurnal cycle. Despite being a powerful numerical model for modeling multi-scale atmospheric turbulence, the WRF-LES model lacks representation of the local interaction between ABL flow and wind turbines. Proper modeling of the turbulent ABL flow driving wind turbine dynamics requires accurate reproduction of atmospheric turbulence, from synoptic scales to scales on the order of the blade boundary layer width. To account for the kinetic energy exchange between wind turbines and surrounding ABL flow, as well as to understand the influence of the local terrain characteristics and uncertain weather conditions on the wake behavior, aerodynamic response, and noise footprint of the wind turbines, generalized actuator disk (GAD) and generalized actuator line (GAL) models have been implemented within the WRF-LES framework. Both of these wind turbine parameterizations, referred to as the WRF-LES-GAD (WLGD) and WRF-LES-GAL (WLGL) models, are critical for establishing a sufficiently accurate representation of realistic ABL flow-wind turbine interaction, one of the main pillars of the project of which this work is a part. To assess the accuracy of reproducing statistical characteristics of idealized turbulent wind patterns over flat terrain, induced by various geostrophic large-scale forcings within a neutral ABL, a stochastic atmospheric turbulence generation algorithm, known as the Cell Perturbation Method (CPM), has been employed. This method is integrated into the WRF-LES framework and is compared with the standard turbulence generation algorithm used in the LES model within WRF. The main focus has been centered on the examination of these turbulent wind patterns within a vertical plane positioned at the computational domain’s center, which encompasses a typical full-scale wind turbine rotor. Furthermore, this study places particular emphasis on the statistical consistency of fully-developed turbulent wind fields across different scenarios using CPM. These scenarios are then compared to the idealized baseline simulations generated through the standard turbulence generation algorithm employed within the WRF-LES model, with the primary objective of gaining comprehensive insights into the atmospheric turbulence characteristics that influence wind turbine loading. Prior to testing the WLGD and WLGD models in real-world wind energy applications and developing a methodology for incorporating realistic predictions of the coupled WLGL model in the aeroacoustic noise modeling of a full-size wind turbine, the two wind turbine models have been validated against available data reported in the literature. Three test cases have been selected to quantify the reliability, fidelity, and accuracy of the two wind turbine parameterizations. The first case, which constitutes the baseline of the whole test cases, is based on analyzing wind turbine wake aerodynamics in steady and uniform flow conditions, with an inflow wind speed of 8 m s−1. The reference NREL 5 MW wind turbine is used to model airflow-wind turbine interaction and results, including radial distributions of time- and blade-averaged angle of attack, longitudinal velocity, non- drag and lift, as well as vertical profiles of longitudinal velocity and longitudinal Reynolds stress tensor component at different locations downstream of the wind turbine rotor, from both models are compared with results from available LES codes. Moreover, a sensitivity analysis has been performed to analyze the influence of aerodynamic force smearing function, regularization kernel width, and correction of airfoils for three-dimensional effects on various aerodynamic quantities (e.g., radial distributions of the angle of attack, longitudinal velocity, nondimensional lift and drag) and the aerodynamic response of the wind turbine (e.g., power, thrust, and torque output). Such a study is of key importance as it provides information on which wind turbine parameters should be selected when determining the optimal parameters and computational set-up. The results have shown that both the WLGD and WLGL model estimates agree quite well with the results from other LES codes in the near wake. However, all LES codes exhibited slightly different trends in the far wake when the laminar to turbulent transition occurred. For example, the mean relative difference between the mean vertical profiles of longitudinal velocity from the WLGD/WLGL models and the National Renewable Energy Laboratory (NREL) SOWFA model amounts to roughly 3.15% and 3.44% at the rotor plane, respectively. However, this discrepancy increases to approximately 11.31% and 12.84% when the evaluation is carried out at a location situated at a distance of nine rotor diameters downstream from the rotor. Next, the WLGD model is validated against measured power data in the Lillgrund wind farm, which consists of 48 Siemens 2.3 MW wind turbines. This study focuses on the investigation of the interaction between multiple wind turbines operating in neutral ABL flow conditions, with an average hub height wind speed of ∼8 m s−1 and turbulence intensity of ∼5%. The mean power from each wind turbine is normalized by the median power production of the front-row wind turbines. In addition, the fractional contribution of each wind turbine to the entire wind farm power production is also analyzed. Results compare well to power measurements despite minor differences observed between the modeled and measured wind speed and turbulence intensity at hub height. The front-row wind turbines generate the highest power, contributing to 38.4% of the total power, while the second-row turbines produce the least power, accounting for only 4.6% of the total power within the plant. Finally, the WLGD and WLGL models have been validated against field measurements and available LES results under neutral, unstable, and stable ABL conditions observed during a measurement campaign at the Scaled Wind Farm Technology (SWiFT) test site. After that analysis, inflow conditions were calibrated against data from a meteorological mast located 2.5 rotor diameter upstream of the Vestas V27 wind turbine. This analysis involves a comparison of vertical profiles of laterally- and temporally-averaged wind speed, wind direction, and turbulence kinetic energy at hub height at the meteorological mast location. Besides, the spectra of the longitudinal and lateral velocity components are also explored to ensure whether the spatial resolution used in LES is sufficient to resolve energy-containing eddies. Later, wake mean velocity, variance, and vorticity fields, along with the spectra and cross-spectra of velocity components in the wake are analyzed qualitatively. An error quantification analysis for the wake velocity deficit and the aerodynamic response of the wind turbine, including a comparison for rotational speed, generator power and torque, as well as aerodynamic thrust coefficient, is performed and results from both models are compared with the existing data. Overall, WLGD and WLGL model estimates are rather accurate in reproducing the wake behavior and aerodynamic response of the Vestas V27 wind turbine for all the atmospheric stability conditions tested. For instance, under neutral ABL conditions, the discrepancy between the GAL and GAD models in predicting generator power and torque is approximately 7% and 7%, respectively. Similarly, under unstable ABL conditions, the difference is about 6% for both power and torque. Likewise, under neutral ABL conditions, the variation is around 6% for power and 7% for torque. However, difficulties are found under stable conditions due to the insufficient grid resolution employed by the WLGD and WLGL models, as a consequence of the limited availability of computational resources. As the final step of this dissertation, the WLGL model has been used in real-world scenarios of wind energy applications. The performance of different wind turbines has been evaluated for different ABL conditions observed during field campaigns at the Perdig˜ao and Hovsore test sites. It is one of the essential steps of this dissertation, as the aim is to analyze the aerodynamic and aeroacoustic performance of a full-scale wind turbine operating in real terrain under realistic atmospheric conditions. For this purpose, the WLGL model has been chosen instead of the WLGD model since the WLGL model is capable of tracking the positions of the blades at each time step, and therefore provides more realistic and accurate information about the aerodynamic quantities calculated for the blade elements. In various numerical simulations of different ABL conditions observed at the Perdig˜ao site, it was found that the WLGL model can adequately reproduce the atmospheric turbulence and wake behavior of the generic Vestas V80 wind turbine. Since design data for the actual wind turbine Enercon E-82 wind turbine installed at the Perdig˜ao test site is unavailable, the generic Vestas V80 wind turbine with similar rotor diameter, hub height, and power output was modeled instead. In order to validate the ABL flow in the test site, the modeled time series of horizontal wind speed, wind direction, and potential temperature gradient, as well as their time-averaged vertical profiles, collected from three different meteorological masts, have been compared with the existing experimental data. Although the vertical profiles of wind speed on the ridges and wind direction in the valley overestimated the field data for the respective periods, quite satisfactory results were obtained in general. This also demonstrates the difficulties in modeling ABL flow in complex terrain due to interactions between terrain features and ABL flow. The spectra and cross-spectra of velocity components and sensible heat flux cross-spectra from the WLGL model are quite compatible with the measurement data from the 100 m DTU towers, except for the underestimated flow energy content at low frequencies. A large nesting ratio has been employed between mesoscale and microscale domains to deliberately bypass the spectral gap at scales between 102-103 m where neither planetary boundary layer (PBL) nor sub-filter scale (SFS) turbulence models can work properly. A method of stochastically generating atmospheric turbulence on microscale WRF-LES domains from mesoscale inflow has been utilized to avoid insufficient resolution of atmospheric turbulence on microscale domains. Due to insufficient buoyancy generation in simulations of neutral and unstable ABL conditions, the upward shift in the wake velocity profiles captured by DLR lidars could not be accurately reproduced by the WLGL model, and thus the horizontal extension of the wake was found to be longer. The aerodynamic performance of the modeled wind turbine was compared with the theoretical power and thrust data reported in the literature, and it was observed that the estimated results were close to the existing data. The second objective is to utilize the angles of attack and relative velocities (or Reynolds number) estimated by the WLGL model in near-field aeroacoustic noise prediction of a full-size wind turbine operating under realistic atmospheric turbulence. One of the novelties outlined in this dissertation, in addition to the implementation of the WLGD and WLGL wind turbine parameterizations to the WRF-LES solver, is that the aerodynamic quantities estimated by the WLGL model for unsteady, non-uniform and realistic ABL flow conditions have been incorporated in an aeroacoustic solver using an explicit coupling strategy. This allows to predict full-size wind turbine noise (only trailing-edge noise is considered in this dissertation) by taking into account the non-uniformities in wind speed, and thus, the relative velocity seen by the blades, giving more accurate noise predictions compared to the standard noise modeling approaches that use time-averaged wind speed to predict the wind turbine noise. Before analyzing full-scale wind turbine noise, the ABL flow conditions were validated against data collected from the 116.5 m Hovsore meteorological mast. The optimum computational set-up was determined based on the selection of re-analysis data and PBL schemes. Since there is no experimental data to compare wind turbine wake behavior and aerodynamic performance, the WLGL model results were examined qualitatively. For aeroacoustic noise modeling, a series of Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) simulations for the NACA 0012 airfoil was performed in order to determine the optimum mesh configuration to use in further aeroacoustic noise computations. Even though the Siemens 2.3 MW wind turbine installed at the Hovsore test site does not use the NACA 0012 type airfoil, a mesh independence analysis has been carried out for this airfoil due to the availability of an extensive numerical and experimental database for comparison. Once the optimum mesh configuration has been determined, the same computational set-up was applied to the NACA 63(3)218 airfoil, constituting the last 30% of the wind turbine blade. Quite satisfactory results were obtained when compared with the available numerical and experimental data for the isolated NACA 0012 and NACA 63(3)218 airfoils, and fullscale Siemens wind turbine. The method used for the trailing-edge noise modeling of the Siemens wind turbine helps make explicit use of WLGL model estimates of the angle of attack and relative velocity in an aeroacoustic solver, using Amiet’s model for trailing-edge noise. It provides a more accurate representation of realistic aerodynamic noise emitted by a full-size wind turbine.