CFD study of the influence of mountain and valley shapes on wind propagation

Abstract

In the following work an aerodynamic study is explained, which consists in seeing the influence of the earth’s surface on the wind propagation. Specifically in plains, uphill and downhill slopes, basic geometries that represent terrestrial and mountainous areas. Once the wind passes through the mentioned domains, the resulting velocity profile is analysed. All in order to provide scientific evidence to the investigations of wind energy, showing the heights where a wind turbine takes advantage of the maximum kinetic energy of the wind. To make it possible, a free and commercial program in Computational Fluid Dynamics (CFD) called OpenFOAM is used. In it, the physical conditions of the boundaries of each geometry are specified. Like the inlet of the flow, the land through which it spreads, its outlet and the top limitation. The boundary conditions are examined and the most suitable ones for this work are concluded. The roughness is simulated by the ”wall functions”, which represent the obstacle of the terrain. The turbulence that appears in consequence, is analysed by the RANS model, specifically that of k-epsilon. And in order to reduce factors that may increase this turbulence, the inlet velocity that is imposed is reduced. Physical knowledge about the Atmospheric Boundary Layer is taken into account in the work. In addition to having as reference the studies carried out by Richard and Hoxey in 1993, which modelled a theoretical velocity profile adapted to the conditions of the Atmospheric Boundary Layer. Model that is used as the theoretical velocity of each simulation, so the results will be compared with it. Finally, the results obtained are discussed, as well as other factors that are taken into account throughout the work. The study ends with some conclusions about the results and the objective of the proposed research.

En el siguiente trabajo se explica un estudio aerodinamico, que consiste en ver la ínfluencia que tiene la superficie terrestre sobre la propagacion del viento. Concre- ´ tamente en llanuras, pendientes de subida y de bajada, geometrías basicas que ´ representan desniveles terrenales de zonas montanosas. Una vez el viento atraviesa ˜ los dominios mencionados, se analiza el perfil de velocidad resultante. Todo con tal de proporcionar evidencia científica a las investigaciones de la energía eolica, ´ mostrando las alturas en donde un aerogenerador aprovecha la maxima energ ´ ía cinetica del viento. Para hacerlo posible, se utiliza un programa libre y comercial én Dinamica de Fluidos Computacional (CFD) denominado OpenFOAM. En ´ el, se éspecifican las condiciones físicas de los contornos de cada geometría. Como la entrada del flujo, el terreno por donde se propaga, su salida y la limitacion superior. ´ Se examinan las condiciones de contorno y se concluyen cuales son las m ´ asádecuadas para la tesis. La rugosidad se simula mediante las “funciones de pared”, las cuales representan la obstaculizacion del terreno. La turbulencia que aparece en ´ consecuencia, se analiza mediante el modelo RANS, concretamente el de k-epsilon. ´ Y con tal de reducir factores que puedan aumentar dicha turbulencia, la velocidad de entrada que se impone es reducida. Conocimientos físicos sobre la Capa Límite Atmosferica se tienen en cuenta en él trabajo. Ademas de tener como referencia los estudios realizados por Richard ´ y Hoxey en el 1993, los cuales modelaron un perfil de velocidad teorico adaptado á las condiciones de la Capa Límite Atmosferica. Modelo que se usa como ve- ´ locidad teorica de cada simulaci ´ on, por lo que los resultados se comparar ´ an con ´ este. ´ Finalmente se discuten los resultados obtenidos, así como otros factores que se tienen en cuenta a lo largo del trabajo. El estudio termina con unas conclusiones sobre los resultados y el objetivo de la investigacion planteada