Effect of Atmospheric Stability on Meandering and Wake Dynamics

Abstract

Denne studien undersøker effekten av atmosfærisk stabilitet på strømningsdynamikken bak vindturbiner, med fokus på "wake deflection" og "wake meandering". Numeriske Large-Eddy simuleringer med en "Actuator Line" modell blir brukt for å undersøke tre atmosfæriske stabiliteter for Vestas V80-turbinen med og uten yaw. Studien lykkes med å gjenskape en numerisk representasjon av en Samsung S7.0-171-turbin, men grunnet usikkerhet i valideringsdataen, blir den ikke brukt til strømningsanalystiske formål. Resultatene fra studien viser at "meandering" forekommer rundt aksen som følger turbinens wake for turbiner i yaw. De indikerer også at selv om det er forskjeller i "wake deficit" og "wake meandering", følger nøytrale og stabile tilfeller lik "wake-bane" når turbinen er i yaw. Åtte rotordiametere nedstrøms for turbinen finner noen analytiske modeller god overenstemmelse med de numeriske resultatene for "wake-deflection". Spektralanalyse av "meandering" for nøytrale og stabile tilfeller viser sammenlignbare resultater for "cutoff" frekvens og "peak" frekvens. Videre er det beregnede Strouhal-tallet konsistent med verdier funnet i litteraturen for $St = 0.16$. Resultatene for den ustabile atmosfæren, viser betydelige forskjeller fra de andre atmoslæriske forholdene, men det er usikkerhet knyttet til disse resultatene. "Wake meandering" er i hovedsak lik for turbiner med og uten yaw i de ustabile og nøytrale tilfellene. For det stabile tilfellet observeres litt større amplituder for turbiner i yaw. Generelt sett fører økt stabilitet til redusert amplitude og oscilleringsfrekvens.

This study investigates the impact of atmospheric stability on wind turbine flow dynamics, focusing on wake deflection and meandering. High-fidelity numerical simulations using Large-Eddy Simulation with the Actuator Line model are employed to examine three stability conditions for the Vestas V80 turbine with and without yaw. The study is successful in reproducing a numerical representation of the Samsung S7.0-171 turbine, but due to validation data uncertainties, it is not utilized for flow analysis purposes. Results from the study show that meandering occurs around the deflected turbine wake axis. They also indicate that, despite differences in wake deficit and meandering behaviour, neutral and stable cases have similar deflected wake trajectories during yawed turbine operation. The analytical solutions considering wake deflection proposed by other authors show good agreement in the far wake. Spectral analysis of the meandering for neutral and stable cases reveal comparable results for cutoff frequency and peak frequency. Moreover, the calculated Strouhal number is consistent with values found in the literature of $St=0.16$. The unstable case shows significant differences, but there is some uncertainty associated to these results. Meandering behavior is largely similar between yawed and non-yawed turbines in the unstable and neutral case, while for the stable case slightly larger amplitudes are observed for the yawed condition. More generally, an increase in stability decreases both amplitude and frequency of oscillations.