As wind industry is developing steadily oshore, the wind turbine spacing remainsa key element for maximizing revenues and reducing loading from turbineswake interaction. In the case of relatively close to shore oshore wind farms, orlarge arrays onshore, the turbulence intensity coming from dierent sectors canhave an eect on wake growth and decay. In an attempt to obtain wind featuresat site, some boundary conditions for micro-siting simulation are found, using acommercial RANS ow solver CFD software was used. The approach in this workcould be described more practical than theoretical and could be more useful fordevelopers than pure CFD specialists.By simulating with three dierent roughness length for open sea, with theappropriate and contextual assumptions, for the oshore Lillgrund wind farm,vertical proles and turbulence intensity were extracted from the WindSim softwareat the meteorological mast position and enabled measurement comparison.In a second attempt to compare the eect of the wind and turbulence prolespreviously obtained, a sector of interest is simulated with the actuator disc model.In general, the site conditions over the large-scale domain evaluated by thecommercial software are satisfactory after adjusting the roughness length for theopen sea. The turbulence intensity trend for various in ow angle is capturedby the simulations and computed wind proles are for the most part adequately.A comparison of spring and winter ltered measurements enable discussion uponsome sectors disagreement. As for the small-scale actuator disc model using thedeveloped site conditions, the result is over-estimated by the simulations, especiallyfor the second row downstream.

Este trabalho apresenta um estudo experimental acerca da influência da razão de espaçamento e da intensidade de turbulência no escoamento biestável. É estudado o escoamento sobre dois cilindros dispostos lado a lado, para o canal aerodinâmico com intensidade de turbulência inferior a 1%, para o canal aerodinâmico com grade promotora de turbulência com intensidade de turbulência de 8 a 7%, e para uma seção do canal aerodinâmico sem paredes laterais. A técnica experimental aplicada consiste na medição das flutuações de velocidade no canal aerodinâmico utilizando a técnica da anemometria de fio quente. As medições são realizadas com duas sondas, uma fixa e outra móvel que foi posicionada em seis pontos diferentes do escoamento. Os dados medidos são tratados através de ferramentas estatísticas, análise espectral e transformadas de ondaletas. Os resultados confirmam a existência do fenômeno da biestabilidade e mostram como o fenômeno sofre alterações quando exposto às condições de maior intensidade de turbulência e redução da razão de bloqueio pela retirada das paredes laterais em uma seção do canal. Para a condição de maior intensidade de turbulência, os resultados mostram que as trocas de modo se intensificam, e em alguns dos pontos de medição os sinais referentes à sonda móvel não apresentam características de biestabilidade. Para o caso sem paredes laterais, os sinais apresentam características de biestabilidade até o momento em que as paredes são removidas. / This work presents an experimental study, about the influence of the pitch to diameter ratio and the turbulence intensity on a bistable flow. The flow through two cylinders side-by-side is studied in an aerodynamic channel with turbulence intensity lower than 1%, in an aerodynamic channel with a turbulence grid, that increased the turbulence intensity to about 8 to 7%, and a section of the aerodynamic channel without lateral walls. The experimental technique consists in the measurements of the fluctuating velocities in the aerodynamic channel, using hot wire anemometry. The measurements are performed with two probes, one static, and one movable, positioned in six different points of the flow. The acquired data are analysed through statistical, spectral and wavelet tools. The results confirmed the occurrence of the bistable phenomenon and shows how it behaves when exposed to different conditions of turbulence intensity, and reduction of the blockage ratio aspect due to removal of the lateral walls of a channel section. The results for the higher turbulence intensity condition shows that the switches are intensified, some data resulting of the measurements of the second probe, do not show bistable characteristics. In the no-walls section case, the signals showed bistable features, until the moment the walls were removed.

Este trabalho apresenta um estudo experimental acerca da influência da razão de espaçamento e da intensidade de turbulência no escoamento biestável. É estudado o escoamento sobre dois cilindros dispostos lado a lado, para o canal aerodinâmico com intensidade de turbulência inferior a 1%, para o canal aerodinâmico com grade promotora de turbulência com intensidade de turbulência de 8 a 7%, e para uma seção do canal aerodinâmico sem paredes laterais. A técnica experimental aplicada consiste na medição das flutuações de velocidade no canal aerodinâmico utilizando a técnica da anemometria de fio quente. As medições são realizadas com duas sondas, uma fixa e outra móvel que foi posicionada em seis pontos diferentes do escoamento. Os dados medidos são tratados através de ferramentas estatísticas, análise espectral e transformadas de ondaletas. Os resultados confirmam a existência do fenômeno da biestabilidade e mostram como o fenômeno sofre alterações quando exposto às condições de maior intensidade de turbulência e redução da razão de bloqueio pela retirada das paredes laterais em uma seção do canal. Para a condição de maior intensidade de turbulência, os resultados mostram que as trocas de modo se intensificam, e em alguns dos pontos de medição os sinais referentes à sonda móvel não apresentam características de biestabilidade. Para o caso sem paredes laterais, os sinais apresentam características de biestabilidade até o momento em que as paredes são removidas. / This work presents an experimental study, about the influence of the pitch to diameter ratio and the turbulence intensity on a bistable flow. The flow through two cylinders side-by-side is studied in an aerodynamic channel with turbulence intensity lower than 1%, in an aerodynamic channel with a turbulence grid, that increased the turbulence intensity to about 8 to 7%, and a section of the aerodynamic channel without lateral walls. The experimental technique consists in the measurements of the fluctuating velocities in the aerodynamic channel, using hot wire anemometry. The measurements are performed with two probes, one static, and one movable, positioned in six different points of the flow. The acquired data are analysed through statistical, spectral and wavelet tools. The results confirmed the occurrence of the bistable phenomenon and shows how it behaves when exposed to different conditions of turbulence intensity, and reduction of the blockage ratio aspect due to removal of the lateral walls of a channel section. The results for the higher turbulence intensity condition shows that the switches are intensified, some data resulting of the measurements of the second probe, do not show bistable characteristics. In the no-walls section case, the signals showed bistable features, until the moment the walls were removed.

This Thesis work focused on the acquisition and evaluation of data on mean velocity, turbulence intensity and length scales obtained via hot wire measurements in a high pressure single-stage land-based turbine available at the Department of Heat and Power Technology in KTH. Turbulence was generated by the use of grids and twoprobes, upstream and downstream of the turbine stage, were used. Different cases with different features were taken into consideration in this work: data were acquiredfor three different grids (I, II and III), two different blisks (5 and 6) and two operatingpoints. After post-processing all the information obtained from the anemometer, interesting comparisons between sub-cases could be made, and conclusions could bedrawn. In particular, it was found that Grid III generates a higher turbulence intensityupstream (around 13 %) with respect to Grid II (6 %) and I (3 %). Also, turbulenceintensity downstream did not seem to be affected by the conditions upstream butonly from the blisk type: turbulence levels were very similar when the same bliskwas mounted regardless of the type of grid upstream. Furthermore, the presence ofturbulence resulted in a slight decrease of the stage total-to-static efficiency ηT −S ofless than 0.5 % for Grid III while almost no change in efficiency was noticed when GridII or I were mounted. Furthermore, three different length scales were computed andanalyzed: Integral Length Scale, Taylor Microscale and Kolmogorov Microscale. Whilethe first two were found to be both in the order of 10−3 m, the last one -as expected- ismuch smaller, around 10−6 m. / Detta examensarbete fokuseradepå insamling och utvärdering av data om medelhastighet, turbulensintensitet och längdskalor erhållna via varmtrådsmätningar i ett högtryck turbinsteg tillgänglig påavdelningen för Kraft- och värmeteknologi på KTH. Turbulens genererades medelstanvändningen av olika perforerade plåtar i inloppet och två sonder, uppströms och nedströms om turbinsteget, användes för mätningar. Olika driftpunkter ochkonfigurationer med olika egenskaper togs i beaktande i detta arbete: data inhämtadesför tre olika inloppturbulensfall, Grid (I, II och III), två olika rotorbliskar (5 och 6)och två driftpunkter. Efter att ha efterbehandlat all information som erhållits frånmätningarna, kan intressanta jämförelser mellan delfall göras och slutsatser dras. I synnerhet fann man att Grid III genererar en högre turbulensintensitet uppströms (cirka 13 %) med avseende på Grid II (6 %) och I (3 %). Dessutom verkar turbulensintensitet nedströms inte påverkas av förhållandena uppströms men endast av typ avrotorblisk: turbulensnivåerna nedströms var mycket lika när samma blisk monteradesoavsett typ av galler uppströms. Dessutom resulterade förekomsten av turbulens i enliten minskning av stegets total-till-statiska verkningsgrad ηT−S med mindre än 0,5 %-enheter för Grid III medan nästan ingen förändring i verkningsgrad märktes när GridII eller I var monterade. Vidare beräknades tre olika längdskalor och analyserades: Integral Length Scale, Taylor Microscale och Kolmogorov Microscale. Medan de två första visade sig vara båda i storleksordningen 10−3 m, är den sista, som förväntat, är mycket mindre, cirka 10−6m.

Yes / The results are presented from an experimental study to investigate three-dimensional turbulence structure profiles, including turbulence intensity and Reynolds stress, of different non-uniform open channel flows over smooth bed in subcritical flow regime. In the analysis, the uniform flow profiles have been used to compare with those of the non-uniform flows to investigate their time-averaged spatial flow turbulence structure characteristics. The measured non-uniform velocity profiles are used to verify the von Karman constant κ and to estimate sets of log-law integration constant Br and wake parameter П, where their findings are also compared with values from previous studies. From κ, Br and П findings, it has been found that the log-wake law can sufficiently represent the non-uniform flow in its non-modified form, and all κ, Br and П follow universal rules for different bed roughness conditions. The non-uniform flow experiments also show that both the turbulence intensity and Reynolds stress are governed well by exponential pressure gradient parameter β equations. Their exponential constants are described by quadratic functions in the investigated β range. Through this experimental study, it has been observed that the decelerating flow shows higher empirical constants, in both the turbulence intensity and Reynolds stress compared to the accelerating flow. The decelerating flow also has stronger dominance to determine the flow non-uniformity, because it presents higher Reynolds stress profile than uniform flow, whereas the accelerating flow does not. / Major State Basic Research Development Grant No. 2013CB036402.

Better understanding of the role of vegetation in the transport of fluid and pollutants requires improved knowledge of the detailed flow structure within the vegetation. Instead of spatial averaging, this study uses discrete measurements at multiple locations within the canopy to develop velocity and turbulence intensity profiles and observe the changes in the flow characteristics as water travels through a vegetation array simulated by rigid dowels. Velocity data were collected with a one dimensional laser Doppler velocimeter (LDV) under single layer emergent and submerged flow conditions, and through two layers of vegetation. The effects of dowel arrangement, density, and roughness are also examined under the single layer experiments. The results show that the velocity within the vegetation array is constant with depth and the velocity profile is logarithmic above it. The region immediately behind a dowel, where the vorticity and turbulence intensity are highest, is characterized by a velocity spike near the bed and an inflection point near the top of the dowel arrays. With two dowel layers, the velocity profile in the region behind a tall dowel exhibits multiple inflection points and the highest turbulence intensities are found there. / Master of Science

O presente trabalho apresenta o estudo da esteira de turbinas eólicas de eixo horizontal, utilizando um modelo de turbina eólica testada em túnel de vento. Trata-se de uma turbina eólica de duas pás com 10 m de diâmetro, conhecida como UAE Phase VI, testada pelo NREL no túnel de vento NASA Ames. Desta turbina foi obtida a geometria e dados experimentais, como o coeficiente de empuxo, além das características do túnel de vento. Utilizando este experimento como modelo, são realizadas simulações com equações médias de Reynolds e modelo de turbulência k-ω SST, com o uso de malha móvel e abordagens permanente e transiente, com o software de volumes finitos Star-CCM+®. São empregadas malhas poliédricas em um domínio de grande extensão na esteira, para apenas uma velocidade do vento. São apresentados três modelos de esteira, dois analíticos e outro considerado numérico, para fins de comparação com os resultados simulados. Estes modelos de esteira tem o objetivo de descrever o campo de velocidade a jusante da turbina. Os dados de entrada dos modelos são os mesmos, retirados da simulação. Além dos modelos para o déficit de velocidade, são apresentados equacionamentos para se obter a intensidade de turbulência na esteira, com bons resultados. No modelo analítico de esteira PARK, a constante de decaimento é baixa, pois o caso estudado possui escoamento sem grandes perturbações. Verifica-se que esta constante deve variar ao longo da esteira para se ajustar ao campo médio de velocidades simulado. Outro modelo analítico proposto por Werle foi estudado, não apresentando boa concordância com a simulação, pois apresenta um rápido incremento da velocidade na linha central na esteira distante. Este modelo se ajustou bem com o campo não perturbado a montante da turbina. O modelo de viscosidade turbulenta é um modelo de esteira com equacionamento original de segunda ordem para obter um campo de velocidade. Contudo, é apresentado e calculado com uma simplificação para primeira ordem, obtendo-se somente a velocidade na linha de centro. Este modelo tem o melhor ajuste com a simulação. A metodologia adotada para simulação numérica do escoamento apresenta boa concordância com os resultados experimentais de CT, já os dados anemométricos medidos na esteira próxima não foram reproduzidos com a mesma qualidade, contudo aproximam-se de forma qualitativa. A comparação com os modelos de esteira da literatura confirma que o modelo de viscosidade turbulenta é o que mais se aproxima dos resultados da simulação. / This study presents wakes of horizontal axis wind turbines, using as model a wind turbine tested in wind tunnel. It is a two bladed wind turbine with 10 m diameter, known as UAE Phase VI, tested by NREL in the NASA Ames wind tunnel. From this experiment was obtained the geometry and measured data, as the thrust coefficient, and the characteristics of the wind tunnel. Using this experiment as model, simulations are performed with Reynolds Averaged Navier-Stokes equations and k-ω SST turbulence model, using moving mesh and permanent and transient approaches, with help of the finite volume software Star-CCM+®. Polyhedral meshes are employed in a domain with large extent downwind, for just one wind speed. There are presented three wake models, two analytical and other considered numerical, for purposes of comparison with simulated results. These wake models aims to describe the velocity field downstream of the turbine. The input data of the models are the outputs of the simulations. Besides the models for the velocity deficit, are given equations to derive the turbulence intensity on the wake, with good results. In the analytical PARK wake model, the decay constant is low, as the study case has low perturbed flow. It is noted that this constant should vary along the wake to fit the average speeds field simulated. Another analytical model proposed by Werle is presented, not showing good results when comparing with the simulation, since it shows a rapid increase in the centerline velocity on the far wake. This model fits well with the undisturbed field upwind of the turbine. The turbulent viscosity is a wake model with the original second order equation to obtain the velocity field. However, it is presented and calculated in a simplified way to first order, obtaining only the centerline velocity. This model has the best fit with the simulation. The methodology adopted for numerical simulation of the flow shows good agreement with the experimental results of CT, since the wind data measured on the near wake are not reproduced with the same quality, yet close to a qualitative manner. The comparison with the wake models from the literature confirms that the eddy viscosity wake model is closest to the simulation results.

O presente trabalho apresenta o estudo da esteira de turbinas eólicas de eixo horizontal, utilizando um modelo de turbina eólica testada em túnel de vento. Trata-se de uma turbina eólica de duas pás com 10 m de diâmetro, conhecida como UAE Phase VI, testada pelo NREL no túnel de vento NASA Ames. Desta turbina foi obtida a geometria e dados experimentais, como o coeficiente de empuxo, além das características do túnel de vento. Utilizando este experimento como modelo, são realizadas simulações com equações médias de Reynolds e modelo de turbulência k-ω SST, com o uso de malha móvel e abordagens permanente e transiente, com o software de volumes finitos Star-CCM+®. São empregadas malhas poliédricas em um domínio de grande extensão na esteira, para apenas uma velocidade do vento. São apresentados três modelos de esteira, dois analíticos e outro considerado numérico, para fins de comparação com os resultados simulados. Estes modelos de esteira tem o objetivo de descrever o campo de velocidade a jusante da turbina. Os dados de entrada dos modelos são os mesmos, retirados da simulação. Além dos modelos para o déficit de velocidade, são apresentados equacionamentos para se obter a intensidade de turbulência na esteira, com bons resultados. No modelo analítico de esteira PARK, a constante de decaimento é baixa, pois o caso estudado possui escoamento sem grandes perturbações. Verifica-se que esta constante deve variar ao longo da esteira para se ajustar ao campo médio de velocidades simulado. Outro modelo analítico proposto por Werle foi estudado, não apresentando boa concordância com a simulação, pois apresenta um rápido incremento da velocidade na linha central na esteira distante. Este modelo se ajustou bem com o campo não perturbado a montante da turbina. O modelo de viscosidade turbulenta é um modelo de esteira com equacionamento original de segunda ordem para obter um campo de velocidade. Contudo, é apresentado e calculado com uma simplificação para primeira ordem, obtendo-se somente a velocidade na linha de centro. Este modelo tem o melhor ajuste com a simulação. A metodologia adotada para simulação numérica do escoamento apresenta boa concordância com os resultados experimentais de CT, já os dados anemométricos medidos na esteira próxima não foram reproduzidos com a mesma qualidade, contudo aproximam-se de forma qualitativa. A comparação com os modelos de esteira da literatura confirma que o modelo de viscosidade turbulenta é o que mais se aproxima dos resultados da simulação. / This study presents wakes of horizontal axis wind turbines, using as model a wind turbine tested in wind tunnel. It is a two bladed wind turbine with 10 m diameter, known as UAE Phase VI, tested by NREL in the NASA Ames wind tunnel. From this experiment was obtained the geometry and measured data, as the thrust coefficient, and the characteristics of the wind tunnel. Using this experiment as model, simulations are performed with Reynolds Averaged Navier-Stokes equations and k-ω SST turbulence model, using moving mesh and permanent and transient approaches, with help of the finite volume software Star-CCM+®. Polyhedral meshes are employed in a domain with large extent downwind, for just one wind speed. There are presented three wake models, two analytical and other considered numerical, for purposes of comparison with simulated results. These wake models aims to describe the velocity field downstream of the turbine. The input data of the models are the outputs of the simulations. Besides the models for the velocity deficit, are given equations to derive the turbulence intensity on the wake, with good results. In the analytical PARK wake model, the decay constant is low, as the study case has low perturbed flow. It is noted that this constant should vary along the wake to fit the average speeds field simulated. Another analytical model proposed by Werle is presented, not showing good results when comparing with the simulation, since it shows a rapid increase in the centerline velocity on the far wake. This model fits well with the undisturbed field upwind of the turbine. The turbulent viscosity is a wake model with the original second order equation to obtain the velocity field. However, it is presented and calculated in a simplified way to first order, obtaining only the centerline velocity. This model has the best fit with the simulation. The methodology adopted for numerical simulation of the flow shows good agreement with the experimental results of CT, since the wind data measured on the near wake are not reproduced with the same quality, yet close to a qualitative manner. The comparison with the wake models from the literature confirms that the eddy viscosity wake model is closest to the simulation results.

O presente trabalho apresenta o estudo da esteira de turbinas eólicas de eixo horizontal, utilizando um modelo de turbina eólica testada em túnel de vento. Trata-se de uma turbina eólica de duas pás com 10 m de diâmetro, conhecida como UAE Phase VI, testada pelo NREL no túnel de vento NASA Ames. Desta turbina foi obtida a geometria e dados experimentais, como o coeficiente de empuxo, além das características do túnel de vento. Utilizando este experimento como modelo, são realizadas simulações com equações médias de Reynolds e modelo de turbulência k-ω SST, com o uso de malha móvel e abordagens permanente e transiente, com o software de volumes finitos Star-CCM+®. São empregadas malhas poliédricas em um domínio de grande extensão na esteira, para apenas uma velocidade do vento. São apresentados três modelos de esteira, dois analíticos e outro considerado numérico, para fins de comparação com os resultados simulados. Estes modelos de esteira tem o objetivo de descrever o campo de velocidade a jusante da turbina. Os dados de entrada dos modelos são os mesmos, retirados da simulação. Além dos modelos para o déficit de velocidade, são apresentados equacionamentos para se obter a intensidade de turbulência na esteira, com bons resultados. No modelo analítico de esteira PARK, a constante de decaimento é baixa, pois o caso estudado possui escoamento sem grandes perturbações. Verifica-se que esta constante deve variar ao longo da esteira para se ajustar ao campo médio de velocidades simulado. Outro modelo analítico proposto por Werle foi estudado, não apresentando boa concordância com a simulação, pois apresenta um rápido incremento da velocidade na linha central na esteira distante. Este modelo se ajustou bem com o campo não perturbado a montante da turbina. O modelo de viscosidade turbulenta é um modelo de esteira com equacionamento original de segunda ordem para obter um campo de velocidade. Contudo, é apresentado e calculado com uma simplificação para primeira ordem, obtendo-se somente a velocidade na linha de centro. Este modelo tem o melhor ajuste com a simulação. A metodologia adotada para simulação numérica do escoamento apresenta boa concordância com os resultados experimentais de CT, já os dados anemométricos medidos na esteira próxima não foram reproduzidos com a mesma qualidade, contudo aproximam-se de forma qualitativa. A comparação com os modelos de esteira da literatura confirma que o modelo de viscosidade turbulenta é o que mais se aproxima dos resultados da simulação. / This study presents wakes of horizontal axis wind turbines, using as model a wind turbine tested in wind tunnel. It is a two bladed wind turbine with 10 m diameter, known as UAE Phase VI, tested by NREL in the NASA Ames wind tunnel. From this experiment was obtained the geometry and measured data, as the thrust coefficient, and the characteristics of the wind tunnel. Using this experiment as model, simulations are performed with Reynolds Averaged Navier-Stokes equations and k-ω SST turbulence model, using moving mesh and permanent and transient approaches, with help of the finite volume software Star-CCM+®. Polyhedral meshes are employed in a domain with large extent downwind, for just one wind speed. There are presented three wake models, two analytical and other considered numerical, for purposes of comparison with simulated results. These wake models aims to describe the velocity field downstream of the turbine. The input data of the models are the outputs of the simulations. Besides the models for the velocity deficit, are given equations to derive the turbulence intensity on the wake, with good results. In the analytical PARK wake model, the decay constant is low, as the study case has low perturbed flow. It is noted that this constant should vary along the wake to fit the average speeds field simulated. Another analytical model proposed by Werle is presented, not showing good results when comparing with the simulation, since it shows a rapid increase in the centerline velocity on the far wake. This model fits well with the undisturbed field upwind of the turbine. The turbulent viscosity is a wake model with the original second order equation to obtain the velocity field. However, it is presented and calculated in a simplified way to first order, obtaining only the centerline velocity. This model has the best fit with the simulation. The methodology adopted for numerical simulation of the flow shows good agreement with the experimental results of CT, since the wind data measured on the near wake are not reproduced with the same quality, yet close to a qualitative manner. The comparison with the wake models from the literature confirms that the eddy viscosity wake model is closest to the simulation results.

Modelling the wake effect generated by wind turbines is an essential part for calcu- lating a wind farm’s expected energy production. Operating wind turbines disturb the flow of the wind, which results in decreased production of downwind turbines. The N. O. Jensen model is an industry standard wake model that assumes a linear expansion of the downstream wake. The only adjustable parameter in the model is the wake decay constant (WDC), which has traditionally been derived semi em- pirically from terrain surface roughness. However, the WDC defines the expansion rate of the generated wake, and therefore can be linked to the ambient turbulence intensity (TI): high ambient turbulence leads to a faster decay of the generated wake, and therefore to lower wake losses, and vice-versa. Since the influence of the roughness on the ambient turbulence intensity is expected to be less significant at higher heights, these roughness-based WDC values are rather uncertain for the hub heights employed nowadays. The following study presents the results of a comparison between observed and mod- elled wake losses based on different WDC values. To investigate how a change in height affects the wake modelling, two wake scenarios occurring between two tur- bine sets with different hub heights are selected from an operational wind farm. By modelling the wakes using roughness as well as turbulence intensity-based WDCs, conclusions can be drawn on how the predictive capability of the N.O. Jensen model depends on the selection of a suitable WDC value. Finally it is concluded that the goodness of fit between modelled and observed wake losses shows a clear dependency on the wind speed/power production inter- val. At higher wind speeds, the TI-based WDC resulted in a better accuracy of the modelled wake losses as compared to the roughness-based WDC, while for lower wind speeds the N. O. Jensen model performed most accurately when using WDC = 0.075. However, for the investigated cases the overall accuracy of the modelled wake appears to be higher when choosing WDC = 0.075 instead of a TI-based WDC.