Rüzgar Türbinlerinin Mikro Düzeyde Yer Seçimi için Navier- Stokes Akış Çözücüsünün Topografik Yapısız Çözüm Ağlarında Geliştirilmesi ve Kullanılması

AHMET, Gökhan; LEBLEBİCİ, Engin; ÜNLÜ, Tezcan; SEVİNE, Tansu; TUNCER, İsmail Hakkı

Rüzgar Türbinlerinin Mikro Düzeyde Yer Seçimi için Navier- Stokes Akış Çözücüsünün Topografik Yapısız Çözüm Ağlarında Geliştirilmesi ve Kullanılması

Yürütücü

İsmail Hakkı TUNCER (Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Ankara, Türkiye)

Araştırmacı(lar)

Gökhan AHMET, (adres yazılmamıs)

Engin LEBLEBİCİ, (adres yazılmamıs)

Tezcan ÜNLÜ, (adres yazılmamıs)

Tansu SEVİNE (adres yazılmamıs)

3 1

Proje Grubu: MAG Sayfa Sayısı: 68 Proje No: 112M104 Proje Bitiş Tarihi: 15.05.2015 Metin Dili: Türkçe İndeks Tarihi: 08-10-2018

Rüzgar Türbinlerinin Mikro Düzeyde Yer Seçimi için Navier- Stokes Akış Çözücüsünün Topografik Yapısız Çözüm Ağlarında Geliştirilmesi ve Kullanılması

Öz:

Bu çalışmada türbülanslı atmosferik akış çözümlerinin elde edilmesi amacıyla ODTÜ Havacılık ve Uzay Mühendisliği Bölümünde geliştirilmekte olan, paralel hesaplama ortamında çalışabilen 3 boyutlu Navier-Stokes çözücü HYP3D, Mezo ölçekli meteorolojik tahmin yazılımı WRF ile akuple edilerek yüksek çözünürlüklü topografya üzerinde uzun dönemli rüzgar akış alanları ve rüzgar enerji potansiyeli hesaplanmıştır. Numerik çalışmalar bir rüzgar santralinin ve uzun dönemli atmosferik gözlem verilerinin olduğu Mersin-Mut bölgesinde uygulanmış, ve gözlem verileri ile doğrulanmıştır. Bu çözüm bölgesi için yüksek çözünürlüklü (1,5 arcsec, 30m) topografya haritası (DEM) temin edilmiştir. Bu topoğrafya verisi ile yüksek çözünürlüklü, yapılı ve hibrit çözüm ağları oluşturulmuştur. HYP3D çözümleri için gerekli sınır koşulları, yaygın olarak kullanılan, açık kaynak kodlu meteorolojik hava tahmin yazılımı WRF ile 1km çözünürlüklü çözüm ağında elde edilen akış çözümlerinden sağlanmıştır. Akuple çözümler için öncelikle seçilen dar bölgeyi içine alan daha büyük bir bölge için WRF ile uzun dönemli çözümler elde edilmiştir. WRF çözümlerinde kullanılan global ölçekli başlangıç ve sınır koşulları NCEP (National Centers for Environmental Prediction) Final Analysis (FNL from GFS) (ds083.2 dataset) veri setinden temin edilmiştir. HYP3D çözüm ağının dış hücreleri için gerekli olan zamana bağłı sınır koşulları ise düşük çözünürlüklü WRF çözümlerinden interpolasyon yöntemiyle elde edilmiştir. HYP3D .Navier-Stokes akış çözücüsünde ve meteorolojik tahmin yazılımı WRF 'de kullanılan çözüm ağ yapılarının ve çözünürlüklerin farklı olması sebebiyle, WRF ile hesaplanan akış değişkenlerinin Navier-Stokes çözücüsünün yer yüzeyine yakın bazı düğüm noktalarına interpolasyon yapılamamaktadır. Bu çalışmada düşük çözünürlüklü WRF çözüm ağı ile yüksek çözünürlüklü Navier-Stokes çözüm ağının yeryüzüne yakın bölgelerde yaklaşık olarak eşleştirilmesi için iki farklı yöntem denenmiştir. HYP3D yazılımında zamana bağlı sınır koşullarının veri dosyalarından okunarak paralel hesaplama ortamında uygulanması sağlanmıştır. HYP3D'de kullanılan türbülans modeli ile yüzey pürüzlülüğünün etkin bir şekilde modellenebilmesi için var olan Runge-Kutta açık (explicit) çözüm yöntemine ek olarak Simetrik Gauss-Seidel nokta kapalı (point implicit) çözüm yöntemi geliştirilmiş, performans değerlendirilmesi yapılmıştır. WRF ile akuple edilen yüksek çözünürlüklü Navier-Stokes çözümleri bir yıllık bir zaman aralığı için elde edilmiştir. Bu akış çözümlerinde elde edilen yüksek çözünürlüklü rüzgar alanları, rüzgar hızının eşdeğer çizgileri, Weibull dağılımları ve rüzgar gülü grafikleri ile değerlendirilmiştir. Akış değişkenleri, 7 gerçek gözlem verileri ve WRF sonuçları ile kıyaslanmış, paralel hesaplamalar için performans değerlendirmesi yapılmıştır. Ayrıca güç üretim eğrileri verilen örnek rüzgar türbinleri için yıllık enerji üretim haritaları elde edilmiştir.

Anahtar Kelime: rüzgar gülü Weibull Navier-Stokes WRF rüzgar türbinleri için yer seçimi rüzgar enerjisi

Konular: Mühendislik, Hava ve Uzay

Rüzgar Türbinlerinin Mikro Düzeyde Yer Seçimi için Navier- Stokes Akış Çözücüsünün Topografik Yapısız Çözüm Ağlarında Geliştirilmesi ve Kullanılması

Öz:

In this study, parallel 3D Navier-Stokes solver HYP3D which is in development by the METU Department of Aerospace Engineering is coupled with Meso-scale weather prediction model WRF to yield long term wind fields and wind energy potentials over high resolution topography. Numerical studies are done for Mersin-MUT, where a wind farm and long-term atmospheric observation data is present, and results are validated. High resolution (1.5 arc sec ,30m) topographical data (DEM) is obtained for this region. Using this topographical data, high resolution structured and hybrid grids are generated. Boundary conditions necessary for HYP3D are extracted from the 1km resolution solution domain of the widely known, open-source weather prediction software WRF. For coupled solutions, long-term WRF solutions for a larger region containing the smaller region of interest (MUT) are obtained. Global range boundary and initial conditions for WRF solutions are obtained from NCEP (National Centers for Environmental Prediction) Final Analysis (FNL from GFS) (ds083.2 dataset) dataset. Spatially and time varying boundary conditions necessary for HYP3D boundary cells are obtained by interpolating the low resolution WRF solution. As resolution of the grids used in Navier-Stokes solver HYP3D and weather prediction software WRF are different, interpolation of some boundary cells near the wall of the Navier-Stokes solver cannot be done. In this study, two different approaches to match the ground levels of both WRF and HYP3D domain are tested. The capability to use unsteady boundary conditions read from data files is attained in parallel computing environment for HYP3D. In order to model surface roughness effectively with the Spalart-Allmaras turbulence model used in HYP3D, Symmetric Gauss Seidel Point Implicit solution algorithm is developed in addition to the Runge-Kutta explicit solution algorithm present in HYP3D. WRF coupled high resolution Navier-Stokes solutions for 1 year duration are obtained. The results obtained from theses high resolution wind fields are assessed with contour plots, Weibull distributions and wind rose graphs. Flow variables are compared with both WRF and real observation data and performance assessments for parallel computing are done. Also, annual wind energy production maps are generated using turbine models for which the power curves are given.

Anahtar Kelime:

Konular: Mühendislik, Hava ve Uzay

Erişim Türü: Erişime Açık

Ahmet, G. 2015. ” Micro- Siting Of Wind Turbines Using Navier -Stokes Solutions Coupled With A Numerical Weather Prediction Model ” PhD. Thesis, METU Aerospace Eng.
1- Atmospherıc turbulent flow solutions coupled wıth a Mesoscale weather prediction model (Bildiri)1- CFD Coupled with WRF for Wind Power Prediction (Bildiri - Uluslararası Bildiri - Poster Sunum),
Aupoix, B., Spalart P. R., 2003. “Extensions of the Spalart-Almaras turbulence model to account for wall roughness” International Journal of Heat and Fluid Flow, 24, 454-462
2- Numerik Hava Tahmin Yazılımlarıyla Akuple Edilmiş Yüksek Çözünürlüklü Atmosferik Akış Çözümleri (Bildiri - Ulusal Bildiri - Sözlü Sunum),
Blocken, B., Stathopoulos T., Carmeliet J., 2007. “CFD simulation of the atmospheric boundary layer: wall function problems”, Atmospheric Environment , 41, 238-2 52
3- Terrain Fitted Turbulent Flow Solutions Coupled with a Mesoscale Weather Prediction Model (Bildiri - Uluslararası Bildiri - Sözlü Sunum),
Cochran, B.C., 2002. “The Influence of Atmospheric Turbulence on the Kinetic Energy Available During Small Wind Turbine Power Performance Testing”, IEA Expert Meeting on: Power Performance of Small Wind Turbines, CEDER-CIEMAT, Soria, Spain
4- TERRAIN FITTED TURBULENT FLOW SOLUTIONS COUPLED WITH A MESOSCALE WEATHER PREDICTION MODEL (Bildiri - Uluslararası Bildiri - Sözlü Sunum),
Cochran, B.C., Damiani, R.R., 2008. “Harvesting Wind Power from Tall Buildings”, WindPower 2008, Houston, Texas
5- UNSTEADY ATMOSPHERIC TURBULENT FLOW SOLUTIONS COUPLED WITH A MESOSCALE WEATHER PREDICTION MODEL (Bildiri - Uluslararası Bildiri - Sözlü Sunum),
Damiani, R., Cochran, B., Orwig, K., Peterka, J., 2008. “Complex Terrain: A Valid Wind Option?”, American Wind Energy Association, Poster
6- ATMOSPHERIC TURBULENT FLOW SOLUTIONS COUPLED WITH A MESOSCALE WEATHER PREDICTION MODEL (Bildiri - Uluslararası Bildiri - Sözlü Sunum),
Derickson, R.G., Peterka, J.A.,2004. “Development of a Powerful Hybrid Tool for Evaluating Wind Power in Complex Terrain” Atmospheric Numerical Models and Wind Tunnels, American Institute of Aeronautics and Astronautics, AIAA
7- WIND POTENTIAL ESTIMATIONS BASED ON UNSTEADY TURBULENT FLOW SOLUTIONS COUPLED WITH A MESOSCALE WEATHER PREDICTION MODEL (Bildiri - Uluslararası Bildiri - Sözlü Sunum)
Karypis, G., Kumar V. 1999. “A fast and highly quality multilevel scheme for partitioning irregular graphs.” SIAM Journal on Scientific Computing,20, 359- 392
Kristóf, G., Rácz, N., Balog, M., 2009. “Adaptation of Pressure Based CFD Solvers for Mesoscale Atmospheric Problems”, Boundary-Layer Meteorology, 131, 85–103
Landberg, L., Myllerup, L., Rathmann, O., Petersen, E.L., Jørgensen, B.H., Badger, J. and Mortensen, N.G., 2003. “Wind Resource Estimation–An Overview”, Wind Energy, 6, 261-271.
Leblebici, E., 2012. “Terrain Modeling and Atmospheric Turbulent Flow Solutions Based on Meteorological Weather Forecast Data” Msc. Thesis, METU Aerospace Eng.
Mesoscale & Microscale Meteorology Division - National Center for Atmospheric Research “User’s Guide for the Advanced Research WRF (ARW) Modeling System Version 3.5” http://www2.mmm.ucar.edu/wrf/users/docs/user_guide_V3/ARWUsersGuideV3.pdf Son erişim tarihi: 12.5.2015
Montavon, C., 1998. “Simulation of atmospheric flow over complex terrain for wind power potential assessment ”, Doctoral thesis, EPFL, Laus anne.
Mortensen, N.G., Bowen, A.J., Antoniou I. 2006. “Improving Wasp Predictions In (Too) Complex Terrain”, Proceedings of the 2006 European Wind Energy Conference and Exhibition, Athens, Greece
Mortensen, N.G., Heathfield, D.N., Myllerup, L., Landberg, L., Rathmann O. 2007. “Getting Started with WAsP 9”, Risø National Laboratory, Technical University of Denmark, Roskilde, Denmark
Mortensen, N.G., Hansen, J.C., Badger, J., Jorgensen, B.H., Hasager, C.B., Paulsen, U.S., Hansen, O.F., Enevoldsen K., Youssef, L.G., Said, U.S., Moussa, A.A.E., Mahmoud, M.A., Yousef, A.E.S., Awad, A.M., Ahmed, M.A.R., Sayed, M.A.M., Korany, M.H., M.A.B.T Tarad 2006. “Wind Atlas For Egypt: Measurements, Micro-And Mesoscale Modelling”, Proceedings of the 2006 European Wind Energy Conference and Exhibition, Athens, Greece, 10 pp.
Peltier, L.J., Wyngaard, J.C., 2006. “High Fidelity Modeling Of Urban Features”, 14th Joint Conference on the Applications of Air Pollution Meteorology with the Air and Waste Management Assoc.
Politis, E.S., Chaviaropoulos, P.K., 2008. “Micrositing and classification of wind turbines in complex terrain”, 2008 European Wind Energy Conference and Exhibition Brussels, Belgium
Sarma, A., Ahmad, N., Bacon, D., Boybeyi, Z., Dunn, T., Hall, M., Lee, P. 1999. “Application of adaptive grid refinement to plume modeling air pollution” VII. WIT Press, Southampton, 59– 68.
Strangroom, P. 2004. “CFD Modelling of Wind Flow Over Terrain”, PhD Thesis, The University of Nottingham.
Yamada, T. 2003. “Numerical simulation of airflows around buildings by using a mesoscale atmospheric model”, Air&Waste Management Associations 96th annual conference and exhibition, San Diego, CA 23– 25.
Yılmaz, E. 2009. Extreme Wind and Air Quality Modeling/Simulation for a Metropolitan Area,Purdue School of Engineering and Technology, IUPUI, Indianapolis, IN, Presentation
Zajaczkowski Frank J., SueEllenHaupt, Schmehl Kerrie J. 2011. “A preliminary study of assimilating numerical weather prediction data into computational Fluid Dynamics models for wind prediction”, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 99, 320- 329.
Zheng , M.H., Guo, Y.R., Ai X.Q., Qin T. 2010. “Coupling GIS with CFD Modeling to Simulate Urban Pollutant Dispersion”, Mechanic Automation and Control Engineering (MACE), 2010 International Conference Wuhan, China.

APA	TUNCER İ, AHMET G, LEBLEBİCİ E, ÜNLÜ T, SEVİNE T (2015). Rüzgar Türbinlerinin Mikro Düzeyde Yer Seçimi için Navier- Stokes Akış Çözücüsünün Topografik Yapısız Çözüm Ağlarında Geliştirilmesi ve Kullanılması. , 1 - 68.
Chicago	TUNCER İsmail Hakkı,AHMET Gökhan,LEBLEBİCİ Engin,ÜNLÜ Tezcan,SEVİNE Tansu Rüzgar Türbinlerinin Mikro Düzeyde Yer Seçimi için Navier- Stokes Akış Çözücüsünün Topografik Yapısız Çözüm Ağlarında Geliştirilmesi ve Kullanılması. (2015): 1 - 68.
MLA	TUNCER İsmail Hakkı,AHMET Gökhan,LEBLEBİCİ Engin,ÜNLÜ Tezcan,SEVİNE Tansu Rüzgar Türbinlerinin Mikro Düzeyde Yer Seçimi için Navier- Stokes Akış Çözücüsünün Topografik Yapısız Çözüm Ağlarında Geliştirilmesi ve Kullanılması. , 2015, ss.1 - 68.
AMA	TUNCER İ,AHMET G,LEBLEBİCİ E,ÜNLÜ T,SEVİNE T Rüzgar Türbinlerinin Mikro Düzeyde Yer Seçimi için Navier- Stokes Akış Çözücüsünün Topografik Yapısız Çözüm Ağlarında Geliştirilmesi ve Kullanılması. . 2015; 1 - 68.
Vancouver	TUNCER İ,AHMET G,LEBLEBİCİ E,ÜNLÜ T,SEVİNE T Rüzgar Türbinlerinin Mikro Düzeyde Yer Seçimi için Navier- Stokes Akış Çözücüsünün Topografik Yapısız Çözüm Ağlarında Geliştirilmesi ve Kullanılması. . 2015; 1 - 68.
IEEE	TUNCER İ,AHMET G,LEBLEBİCİ E,ÜNLÜ T,SEVİNE T "Rüzgar Türbinlerinin Mikro Düzeyde Yer Seçimi için Navier- Stokes Akış Çözücüsünün Topografik Yapısız Çözüm Ağlarında Geliştirilmesi ve Kullanılması." , ss.1 - 68, 2015.
ISNAD	TUNCER, İsmail Hakkı vd. "Rüzgar Türbinlerinin Mikro Düzeyde Yer Seçimi için Navier- Stokes Akış Çözücüsünün Topografik Yapısız Çözüm Ağlarında Geliştirilmesi ve Kullanılması". (2015), 1-68.

APA	TUNCER İ, AHMET G, LEBLEBİCİ E, ÜNLÜ T, SEVİNE T (2015). Rüzgar Türbinlerinin Mikro Düzeyde Yer Seçimi için Navier- Stokes Akış Çözücüsünün Topografik Yapısız Çözüm Ağlarında Geliştirilmesi ve Kullanılması. , 1 - 68.
Chicago	TUNCER İsmail Hakkı,AHMET Gökhan,LEBLEBİCİ Engin,ÜNLÜ Tezcan,SEVİNE Tansu Rüzgar Türbinlerinin Mikro Düzeyde Yer Seçimi için Navier- Stokes Akış Çözücüsünün Topografik Yapısız Çözüm Ağlarında Geliştirilmesi ve Kullanılması. (2015): 1 - 68.
MLA	TUNCER İsmail Hakkı,AHMET Gökhan,LEBLEBİCİ Engin,ÜNLÜ Tezcan,SEVİNE Tansu Rüzgar Türbinlerinin Mikro Düzeyde Yer Seçimi için Navier- Stokes Akış Çözücüsünün Topografik Yapısız Çözüm Ağlarında Geliştirilmesi ve Kullanılması. , 2015, ss.1 - 68.
AMA	TUNCER İ,AHMET G,LEBLEBİCİ E,ÜNLÜ T,SEVİNE T Rüzgar Türbinlerinin Mikro Düzeyde Yer Seçimi için Navier- Stokes Akış Çözücüsünün Topografik Yapısız Çözüm Ağlarında Geliştirilmesi ve Kullanılması. . 2015; 1 - 68.
Vancouver	TUNCER İ,AHMET G,LEBLEBİCİ E,ÜNLÜ T,SEVİNE T Rüzgar Türbinlerinin Mikro Düzeyde Yer Seçimi için Navier- Stokes Akış Çözücüsünün Topografik Yapısız Çözüm Ağlarında Geliştirilmesi ve Kullanılması. . 2015; 1 - 68.
IEEE	TUNCER İ,AHMET G,LEBLEBİCİ E,ÜNLÜ T,SEVİNE T "Rüzgar Türbinlerinin Mikro Düzeyde Yer Seçimi için Navier- Stokes Akış Çözücüsünün Topografik Yapısız Çözüm Ağlarında Geliştirilmesi ve Kullanılması." , ss.1 - 68, 2015.
ISNAD	TUNCER, İsmail Hakkı vd. "Rüzgar Türbinlerinin Mikro Düzeyde Yer Seçimi için Navier- Stokes Akış Çözücüsünün Topografik Yapısız Çözüm Ağlarında Geliştirilmesi ve Kullanılması". (2015), 1-68.