Tesis Magíster
INVESTIGATION ON TIDAL TURBINE ARRAYS WITH A COUPLED DES-BEM MODEL
INVESTIGACIÓN DE ARREGLOS DE TURBINAS MARINAS CON UN MODELO ACOPLADO DES-BEM;
Investigatión on tidal turbine arrays with a coupled des-bem model;
investigación de arreglos de turbinas marinas con un modelo acoplado des-bem
Fecha
2017Autor
Escauriaza-Mesa, Cristián
PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE CHILE
Institución
Resumen
In order to develop tidal current energy, the effect turbines have on their surrounding
flow and how these devices perform when installed in an array need to be better understood.
This requires studying the hydrodynamics related to tidal turbines and their wakes.
Detailed information on flow characteristics is needed to comprehend wake interaction and
changes on the ambient flow due to tidal turbines. However, there have been limited approaches
that are able to analyze multiple tidal turbines simultaneously. Here we propose
a numerical methodology that couples Blade Element Momentum (BEM) with Detached-
Eddy Simulation (DES) to simulate tidal turbine arrays and obtain detailed information
on the mean and instantaneous flow. Simulations are carried out using real rotor data
and validated with existing experimental and modeled results on three different array configurations.
The model shows good correlation with experimental mean flow profiles and
turbine performance measurements. We show that wakes of downstream turbines are characterized
by higher levels of turbulence and temporal fluctuations than upstream turbine
ones. Downstream regions show higher levels of turbulent kinetic energy and Reynolds
stresses, along with stronger presence of vortical structures. The more complex flow faced
by downstream turbines produced lower power and thrust coefficients on them. Moreover,
performance measurements and induced bed shear stress showed considerably higher temporal
fluctuations for posterior rows in the studied arrays. These results help understand
the behavior of turbines in an array and how their performance and impacts change when
devices function together. Furthermore, the proposed methodology is validated for its use
on different array configuration and turbine designs. Para desarrollar la energ´ıa de corrientes de marea es necesario comprender el efecto
que las turbinas marinas tiene sobre su entorno y c´omo estos dispositivos se desempe˜nan
cuando son instalados en un arreglo. Esto requiere estudiar la hidrodin´amica asociada a las
turbinas marinas y sus estelas, con informaci´on detallada de las caracter´ısticas del flujo.
Sin embargo, han habido limitados estudios capaces de analizar m´ultiples dispositivos simult
´aneamente. En este estudio proponemos una metodolog´ıa num´erica que acopla Blade
Element Momentum (BEM) con Detached-Eddy Simulation (DES) para simular arreglos
de turbinas marinas y obtener informaci´on detallada del flujo promedio e instant´aneo. Se
simularon tres configuraciones de arreglos distintas utilizando datos de turbinas reales,
utilizando resultados experimentales y num´ericos para validar el modelo propuesto. Los
resultados muestran buena correlaci´on con perfiles de velocidad promedio y mediciones
del desempe˜no de las turbinas. Se muestra que las estelas de turbinas ubicadas aguas abajo
en el arreglo est´an caracterizadas por mayores niveles de turbulencia, enfrentando flujos
dominados por estructuras coherentes de gran escala. Este flujo m´as complejo produce que
turbinas aguas abajo tengan menores coeficientes de potencia y de empuje. Adem´as, las
medidas de desempe˜no y el efecto de corte sobre el fondo mostraron una fluctuaci´on temporal
considerablemente m´as importante en las filas posteriores de los arreglos estudiados.
Estos resultados permiten comprender el comportamiento de turbinas en arreglos, y c´omo
su desempe˜no e impactos cambian cuando varios dispositivos operan simult´aneamente. Se
espera que la metodolog´ıa validada sea utilizada para estudiar nuevos arreglos de turbinas
y nuevos dise˜nos de dispositivos, permitiendo avanzar en el desarrollo de la energ´ıa de
corrientes de marea.