The aim of this licentiate thesis is to investigate wind-turbines placed in a complex-terrain environment. This is done by studying the flow around small-scale wind-turbine models placed over a landscape model with hills, and by comparing the results with corresponding data obtained over a flat terrain model. The studied flow features include the wind-turbine wake development and the turbine performance under different conditions, the effects from wake interactions, the influence of the ambient turbulence levels and the influence from a complex topography. Wind-tunnel measurements have been performed using particle image velocimetry and hot-wire anemometry to measure the velocity field. Additionally, numerical simulations, based on RANS modelling and actuator-disc techniques, have been made to support the experimental data and to gain further knowledge about the investigated flow cases. The results reveal that the hills promote a downward wake deflection behind the turbines and enhance the wind-turbine wake diffusion. As a consequence of this, and with the flow acceleration introduced by the hills, an improved power performance is seen for turbines exposed to wake-interference effects. A correlation is observed between the turbulence levels present in the flow, and the magnitude to which the hill-induced flow gradients influence the wake: Stronger wake deflections due to the hills are seen when the wind-turbine wake is more diffused. This is for instance the case when the wake of two tandem turbines is studied, or when higher ambient turbulence levels are present in the wind tunnel. A good qualitative agreement is seen when comparing the experimental and numerical results. The simulation results further indicate that the hills give rise to modulations of the wind-turbine wake. It is shown that these modulations can be reasonably captured by means of wake-superposition techniques, given that a wake model with sufficient accuracy is chosen. / Syftet med denna licentiatavhandling är att öka förståelsen om hur vindturbiner påverkas av en omgivande komplex terräng. Huvudsakligen betraktas luftströmningen kring småskaliga vindturbinsmodeller som placerats över en landskapsmodell med kullar. I tillägg görs jämförelser med resultat som erhållits då vindtubinerna placerats över en platt landskapsmodell. De studerade strömningsaspekterna inkluderar vindturbinernas vakutveckling och prestanda under olika förhållanden, inverkan från vakinteraktioner, inflytande från omgivande turbulensnivåer och inverkan från en komplex topografi. Vindtunnelmätningar har utf ̈orts där PIV och varmtrådsanemometri användes för att uppmäta hastighetsfält. I tillägg har numeriska simuleringar utförts baserade på RANS-modellering, där turbinens rotor beskrevs av en porös skiva. Simuleringarna gjordes som komplement till de experimentella mätresultaten för att få en ökad förståelse om de undersökta strömningsfallen. Resultaten från mätningarna och simuleringarna med kullar visar att terrängvariationerna främjar en nedåtgående vakförskjutning bakom turbinerna och ökar vindturbinernas vakdiffusion. Detta, i kombination med luftens acceleration över kullarna, resulterar i att en högre effektprestanda utvinns från en vindturbin vars inströmmande luftflöde störs av vaken från en framförliggande turbin. Vidare observeras kraftigare nedågående vakförskjutningar på grund av det kullriga landskapet då vindturbinsvakarna är mer diffunderade. Detta är exempelvis fallet då vaken bakom två turbiner placerade i en tandemkonfiguration studeras, eller när höga omgivande turbulensnivåer uppmäts i vindtunneln. En bra kvalitativ överensstämmelse kan ses mellan de experimentella och numeriska resultat som uppnås. Resultaten från simuleringarna indikerar dessutom att landskapet med kullar ger upphov till moduleringar av vindturbinens vak. Det visas att dessa moduleringar kan beskrivas någorlunda väl med hjälp av vaksuperpositionsmetoder, givet att en vakmodell med tillräckligt hög noggrannhet väljs. / <p>QC 20180122</p>
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-221675 |
| Date | January 2018 |
| Creators | Hyvärinen, Ann |
| Publisher | KTH, Strömningsfysik, KTH, Linné Flow Center, FLOW, Stockholm |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | Licentiate thesis, comprehensive summary, info:eu-repo/semantics/masterThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
Page generated in 0.7798 seconds