Wind tunnel analysis of the flow topology over complex topographies

El principal objetivo de este trabajo es aportar conocimiento para contestar la pregunta: ¿hasta que punto los ensayos en túnel aerodinámico pueden contribuir a determinar las características que afectan la respuesta dinámica de los aerogeneradores operando en terreno complejo?. Esta pregunta no es nueva, de hecho, el debate en la comunidad científica comenzó en el primer tercio del siglo pasado y aún está intensamente vivo. El método generalmente aceptado para enfrentar el mencionado problema consiste en analizar un caso de estudio determinado en el cual se aplican tanto ensayos a escala real como análisis computacionales y ensayos en túnel aerodinámico. Esto no es ni fácil ni barato. Esta es la razón por la cual desde el experimento de Askervein en 1988, los modelizadores del flujo atmosférico tuvieron que esperar hasta 2007 a que el experimento de Bolund fuese puesto en marcha con un despliegue de medios técnicos equivalentes (teniendo en cuenta la evolución de las tecnologías de sensores y computación). El problema contempla tantos aspectos que ambas experiencias fueron restringidas a condiciones de atmósfera neutra con efectos de Coriolis despreciables con objeto de reducir la complejidad. Este es el contexto en el que se ha desarrollado la presente tesis doctoral. La topología del flujo sobre la isla de Bolund ha sido estudiada mediante la reproducción del experimento de Bolund en los túneles aerodinámicos A9 y ACLA16 del IDR. Dos modelos de la isla de Bolund fueron fabricados a dos escalas, 1:230 y 1:115. El flujo de entrada en el túnel aerodinámico simulando la capa límite sin perturbar correspondía a régimen de transición (transitionally rough regime) y fue usado como situación de referencia. El modelo a escala 1:230 fue ensayado en el túnel A9 para determinar la presión sobre su superficie. La distribución del coeficiente de presión sobre la isla proporcionó una visualización y estimación de una región de desprendimiento sobre el pequeño acantilado situado al frente de la misma. Las medidas de presión instantánea con suficiente grado de resolución temporal pusieron de manifiesto la no estacionariedad en la región de desprendimiento. El modelo a escala 1:115 fue ensayado utilizando hilo caliente de tres componentes y un sistema de velocimetría por imágenes de partículas de dos componentes. El flujo fue caracterizado por el ratio de aceleración, el incremento normalizado de energía cinética turbulenta y los ángulos de inclinación y desviación horizontal. Los resultados a lo largo de la dirección 270°y alturas de 2 m y 5 m presentaron una gran similitud con los resultados a escala real del experimento de Bolund. Los perfiles verticales en las localizaciones de las torres meteorológicas mostraron un acuerdo significativo con los resultados a escala real. El análisis de los esfuerzos de Reynolds y el análisis espectral en las localizaciones de los mástiles meteorológicos presentaron niveles de acuerdo variados en ciertas posiciones, mientras que en otras presentaron claras diferencias. El mapeo horizontal del flujo, para una dirección de viento de 270°, permitió caracterizar el comportamiento de la burbuja intermitente de recirculación sobre el pequeño acantilado existente al frente de la isla así como de la región de relajación y de la capa de cortadura en la región corriente abajo de Bolund. Se realizaron medidas de velocidad con alta resolución espacial en planos perpendiculares a la dirección del flujo sin perturbar. Estas medidas permitieron detectar y caracterizar una estructura de flujo similar a un torbellino longitudinal con regiones con altos gradientes de velocidad y alta intensidad de turbulencia. Esta estructura de flujo es, sin duda, un reto para los modelos computacionales y puede considerarse un factor de riesgo para la operación de los aerogeneradores. Se obtuvieron y analizaron distribuciones espaciales de los esfuerzos de Reynolds mediante 3CHW y PIV. Este tipo de parámetros no constituyen parte de los resultados habituales en los ensayos en túnel sobre topografías y son muy útiles para los modelizadores que utilizan simulación de grades torbellinos (LES). Se proporciona una interpretación de los resultados obtenidos en el túnel aerodinámico en términos de utilidad para los diseñadores de parques eólicos. La evolución y variación de los parámetros del flujo a lo largo de líneas, planos y superficies han permitido identificar como estas propiedades del flujo podrían afectar la localización de los aerogeneradores y a la clasificación de emplazamientos. Los resultados presentados sugieren, bajo ciertas condiciones, la robustez de los ensayos en túnel para estudiar la topología sobre terreno complejo y su comparabilidad con otras técnicas de simulación, especialmente considerando el nivel de acuerdo del conjunto de resultados presentados con los resultados a escala real. De forma adicional, algunos de los parámetros del flujo obtenidos de las medidas en túnel son difícilmente determinables en ensayos a escala real o por medios computacionales, considerado el estado del arte. Este trabajo fue realizado como parte de las actividades subvencionadas por la Comisión Europea como dentro del proyecto FP7-PEOPLE-ITN-2008WAUDIT (Wind Resource Assessment Audit and Standardization) dentro de la FP7 Marie-Curie Initial Training Network y por el Ministerio Español de Economía y Competitividad dentro del proyecto ENE2012-36473, TURCO (Determinación en túnel aerodinámico de la distribución espacial de parámetros estadísticos de la turbulencia atmosférica sobre topografías complejas) del Plan Nacional de Investigación (Subprograma de investigación fundamental no orientada 2012). El informe se ha organizado en siete capítulos y un conjunto de anexos. En el primer capítulo se introduce el problema. En el capítulo dos se describen los medios experimentales utilizados. Seguidamente, en el capítulo tres, se analizan en detalle las condiciones de referencia del principal túnel aerodinámico utilizado en esta investigación. En el capítulo tres se presentan resultados de ensayos de presión superficial sobre un modelo de la isla. Los principales resultados del experimento de Bolund se reproducen en el capítulo cinco. En el capítulo seis se identifican diferentes estructuras del flujo sobre la isla y, finalmente, en el capitulo siete, se recogen las conclusiones y una propuesta de lineas de trabajo futuras. ABSTRACT The main objective of this work is to contribute to answer the question: to which extend can the wind tunnel testing contribute to determine the flow characteristics that affect the dynamic response of wind turbines operating in highly complex terrains?. This question is not new, indeed, the debate in the scientific community was opened in the first third of the past century and it is still intensely alive. The accepted approach to face this problem consists in analysing a given case study where full-scale tests, computational modelling and wind tunnel testing are applied to the same topography. This is neither easy nor cheap. This is is the reason why since the Askervein experience in 1988, the atmospheric flow modellers community had to wait till 2007 when the Bolund experiment was setup with a deployment of technical means equivalent (considering the evolution of the sensor and computing techniques). The problem is so manifold that both experiences were restricted to neutral conditions without Coriolis effects in order to reduce the complexity. This is the framework in which this PhD has been carried out. The flow topology over the Bolund Island has been studied by replicating the Bolund experiment in the IDR A9 and ACLA16 wind tunnels. Two mock-ups of the Bolund island were manufactured at two scales of 1:230 and 1:115. The in-flow in the empty wind tunnel simulating the incoming atmospheric boundary layer was in the transitionally rough regime and used as a reference case. The 1:230 model was tested in the A9 wind tunnel to measure surface pressure. The mapping of the pressure coefficient across the island gave a visualisation and estimation of a detachment region on the top of the escarpment in front of the island. Time resolved instantaneous pressure measurements illustrated the non-steadiness in the detachment region. The 1:115 model was tested using 3C hot-wires(HW) and 2C Particle Image Velocimetry(PIV). Measurements at met masts M3, M6, M7 and M8 and along Line 270°were taken to replicate the result of the Bolund experiment. The flow was characterised by the speed-up ratio, normalised increment of the turbulent kinetic energy, inclination angle and turning angle. Results along line 270°at heights of 2 m and 5 m compared very well with the full-scale results of the Bolund experiment. Vertical profiles at the met masts showed a significant agreement with the full-scale results. The analysis of the Reynolds stresses and the spectral analysis at the met mast locations gave a varied level of agreement at some locations while clear mismatch at others. The horizontal mapping of the flow field, for a 270°wind direction, allowed to characterise the behaviour of the intermittent recirculation bubble on top of the front escarpment followed by a relaxation region and the presence of a shear layer in the lee side of the island. Further detailed velocity measurements were taken at cross-flow planes over the island to study the flow structures on the island. A longitudinal vortex-like structure with high mean velocity gradients and high turbulent kinetic energy was characterised on the escarpment and evolving downstream. This flow structure is a challenge to the numerical models while posing a threat to wind farm designers when siting wind turbines. Spatial distribution of Reynold stresses were presented from 3C HW and PIV measurements. These values are not common results from usual wind tunnel measurements and very useful for modellers using large eddy simulation (LES). An interpretation of the wind tunnel results in terms of usefulness to wind farm designers is given. Evolution and variation of the flow parameters along measurement lines, planes and surfaces indicated how the flow field could affect wind turbine siting. Different flow properties were presented so compare the level of agreement to full-scale results and how this affected when characterising the site wind classes. The results presented suggest, under certain conditions, the robustness of the wind tunnel testing for studying flow topology over complex terrain and its capability to compare to other modelling techniques especially from the level of agreement between the different data sets presented. Additionally, some flow parameters obtained from wind tunnel measurements would have been quite difficult to be measured at full-scale or by computational means considering the state of the art. This work was carried out as a part of the activities supported by the EC as part of the FP7- PEOPLE-ITN-2008 WAUDIT project (Wind Resource Assessment Audit and Standardization) within the FP7 Marie-Curie Initial Training Network and by the Spanish Ministerio de Economía y Competitividad, within the framework of the ENE2012-36473, TURCO project (Determination of the Spatial Distribution of Statistic Parameters of Flow Turbulence over Complex Topographies in Wind Tunnel) belonging to the Spanish National Program of Research (Subprograma de investigación fundamental no orientada 2012). The report is organised in seven chapters and a collection of annexes. In chapter one, the problem is introduced. In chapter two the experimental setup is described. Following, in chapter three, the inflow conditions of the main wind tunnel used in this piece of research are analysed in detail. In chapter three, preliminary pressure tests results on a model of the island are presented. The main results from the Bolund experiment are replicated in chapter five. In chapter six, an identification of specific flow strutures over the island is presented and, finally, in chapter seven, conclusions and lines for future works related to the presented one are included.

Hidrodinamica de planeadores submarinos y su impacto en la funcionalidad de sensores CTD

Los recientes desarrollos tecnológicos permiten la transición de la oceanografía observacional desde un concepto basado en buques a uno basado en sistemas autónomos en red. Este último, propone que la forma más eficiente y efectiva de observar el océano es con una red de plataformas autónomas distribuidas espacialmente y complementadas con sistemas de medición remota. Debido a su maniobrabilidad y autonomía, los planeadores submarinos están jugando un papel relevante en este concepto de observaciones en red. Los planeadores submarinos fueron específicamente diseñados para muestrear vastas zonas del océano. Estos son robots con forma de torpedo que hacen uso de su forma hidrodinámica, alas y cambios de flotabilidad para generar movimientos horizontales y verticales en la columna de agua. Un sensor que mide conductividad, temperatura y profundidad (CTD) constituye un equipamiento estándar en la plataforma. Esto se debe a que ciertas variables dinámicas del Océano se pueden derivar de la temperatura, profundidad y salinidad. Esta última se puede estimar a partir de las medidas de temperatura y conductividad. La integración de sensores CTD en planeadores submarinos no esta exenta de desafíos. Uno de ellos está relacionado con la precisión de los valores de salinidad derivados de las muestras de temperatura y conductividad. Específicamente, las estimaciones de salinidad están significativamente degradadas por el retardo térmico existente, entre la temperatura medida y la temperatura real dentro de la celda de conductividad del sensor. Esta deficiencia depende de las particularidades del flujo de entrada al sensor, su geometría y, también se ha postulado, del calor acumulado en las capas de aislamiento externo del sensor. Los efectos del retardo térmico se suelen mitigar mediante el control del flujo de entrada al sensor. Esto se obtiene generalmente mediante el bombeo de agua a través del sensor o manteniendo constante y conocida su velocidad. Aunque recientemente se han incorporado sistemas de bombeo en los CTDs a bordo de los planeadores submarinos, todavía existen plataformas equipadas con CTDs sin dichos sistemas. En estos casos, la estimación de la salinidad supone condiciones de flujo de entrada al sensor, razonablemente controladas e imperturbadas. Esta Tesis investiga el impacto, si existe, que la hidrodinámica de los planeadores submarinos pudiera tener en la eficiencia de los sensores CTD. Específicamente, se investiga primero la localización del sensor CTD (externo al fuselaje) relativa a la capa límite desarrollada a lo largo del cuerpo del planeador. Esto se lleva a cabo mediante la utilización de un modelo acoplado de fluido no viscoso con un modelo de capa límite implementado por el autor, así como mediante un programa comercial de dinámica de fluidos computacional (CFD). Los resultados indican, en ambos casos, que el sensor CTD se encuentra fuera de la capa límite, siendo las condiciones del flujo de entrada las mismas que las del flujo sin perturbar. Todavía, la velocidad del flujo de entrada al sensor CTD es la velocidad de la plataforma, la cual depende de su hidrodinámica. Por tal motivo, la investigación se ha extendido para averiguar el efecto que la velocidad de la plataforma tiene en la eficiencia del sensor CTD. Con este propósito, se ha desarrollado un modelo en elementos finitos del comportamiento hidrodinámico y térmico del flujo dentro del CTD. Los resultados numéricos indican que el retardo térmico, atribuidos originalmente a la acumulación de calor en la estructura del sensor, se debe fundamentalmente a la interacción del flujo que atraviesa la celda de conductividad con la geometría interna de la misma. Esta interacción es distinta a distintas velocidades del planeador submarino. Específicamente, a velocidades bajas del planeador (0.2 m/s), la mezcla del flujo entrante con las masas de agua remanentes en el interior de la celda, se ralentiza debido a la generación de remolinos. Se obtienen entonces desviaciones significantes entre la salinidad real y aquella estimada. En cambio, a velocidades más altas del planeador (0.4 m/s) los procesos de mezcla se incrementan debido a la turbulencia e inestabilidades. En consecuencia, la respuesta del sensor CTD es mas rápida y las estimaciones de la salinidad mas precisas que en el caso anterior. Para completar el trabajo, los resultados numéricos se han validado con pruebas experimentales. Específicamente, se ha construido un modelo a escala del sensor CTD para obtener la confirmación experimental de los modelos numéricos. Haciendo uso del principio de similaridad de la dinámica que gobierna los fluidos incompresibles, los experimentos se han realizado con flujos de aire. Esto simplifica significativamente la puesta experimental y facilita su realización en condiciones con medios limitados. Las pruebas experimentales han confirmado cualitativamente los resultados numéricos. Más aun, se sugiere en esta Tesis que la respuesta del sensor CTD mejoraría significativamente añadiendo un generador de turbulencia en localizaciones adecuadas al interno de la celda de conductividad. ABSTRACT Recent technological developments allow the transition of observational oceanography from a ship-based to a networking concept. The latter suggests that the most efficient and effective way to observe the Ocean is through a fleet of spatially distributed autonomous platforms complemented by remote sensing. Due to their maneuverability, autonomy and endurance at sea, underwater gliders are already playing a significant role in this networking observational approach. Underwater gliders were specifically designed to sample vast areas of the Ocean. These are robots with a torpedo shape that make use of their hydrodynamic shape, wings and buoyancy changes to induce horizontal and vertical motions through the water column. A sensor to measure the conductivity, temperature and depth (CTD) is a standard payload of this platform. This is because certain ocean dynamic variables can be derived from temperature, depth and salinity. The latter can be inferred from measurements of temperature and conductivity. Integrating CTD sensors in glider platforms is not exempted of challenges. One of them, concerns to the accuracy of the salinity values derived from the sampled conductivity and temperature. Specifically, salinity estimates are significantly degraded by the thermal lag response existing between the measured temperature and the real temperature inside the conductivity cell of the sensor. This deficiency depends on the particularities of the inflow to the sensor, its geometry and, it has also been hypothesized, on the heat accumulated by the sensor coating layers. The effects of thermal lag are usually mitigated by controlling the inflow conditions through the sensor. Controlling inflow conditions is usually achieved by pumping the water through the sensor or by keeping constant and known its diving speed. Although pumping systems have been recently implemented in CTD sensors on board gliders, there are still platforms with unpumped CTDs. In the latter case, salinity estimates rely on assuming reasonable controlled and unperturbed flow conditions at the CTD sensor. This Thesis investigates the impact, if any, that glider hydrodynamics may have on the performance of onboard CTDs. Specifically, the location of the CTD sensor (external to the hull) relative to the boundary layer developed along the glider fuselage, is first investigated. This is done, initially, by applying a coupled inviscid-boundary layer model developed by the author, and later by using a commercial software for computational fluid dynamics (CFD). Results indicate, in both cases, that the CTD sensor is out of the boundary layer, being its inflow conditions those of the free stream. Still, the inflow speed to the CTD sensor is the speed of the platform, which largely depends on its hydrodynamic setup. For this reason, the research has been further extended to investigate the effect of the platform speed on the performance of the CTD sensor. A finite element model of the hydrodynamic and thermal behavior of the flow inside the CTD sensor, is developed for this purpose. Numerical results suggest that the thermal lag effect is mostly due to the interaction of the flow through the conductivity cell and its geometry. This interaction is different at different speeds of the glider. Specifically, at low glider speeds (0.2 m/s), the mixing of recent and old waters inside the conductivity cell is slowed down by the generation of coherent eddy structures. Significant departures between real and estimated values of the salinity are found. Instead, mixing is enhanced by turbulence and instabilities for high glider speeds (0.4 m/s). As a result, the thermal response of the CTD sensor is faster and the salinity estimates more accurate than for the low speed case. For completeness, numerical results have been validated against model tests. Specifically, a scaled model of the CTD sensor was built to obtain experimental confirmation of the numerical results. Making use of the similarity principle of the dynamics governing incompressible fluids, experiments are carried out with air flows. This significantly simplifies the experimental setup and facilitates its realization in a limited resource condition. Model tests qualitatively confirm the numerical findings. Moreover, it is suggested in this Thesis that the response of the CTD sensor would be significantly improved by adding small turbulators at adequate locations inside the conductivity cell.