INVESTIGATION ON TIDAL TURBINE ARRAYS WITH A COUPLED DES-BEM MODEL

Abstract

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.