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000309

18-02-2025

VE0309 | Ensayo de capa límite atmosférica

Descripción del trabajo

Este ejemplo se basa en el ensayo de la capa límite atmosférica (ABL) del documento de la aerogenerador alemana: Fact Sheet of Committee 3 - Numerical simulation of wind flows, chapter 9.1 (see references). Before each numerical simulation, it should be checked whether the atmospheric boundary layer defined at the inflow reaches the structure by testing its development in an empty tunnel. This affects not only the distribution of the velocities, but also the turbulent quantities. The test must be carried out for both steady (RANS) and transient (URANS, LES) calculations. In the following article, the development of a velocity field, turbulence kinetic energy field and turbulence dissipation rate field is shown for the four terrain categories I to IV defined in the EN 1991-1-4. A vertically anisotropic turbulence acc. to chapter 6.3.1 and RANS k-ω SST turbulence model is used.

Fluid Properties	Kinematic Viscosity	ν	1.500e-5	m²/s
Fluid Properties	densidad	ρ	1.250	kg/m³
Wind Tunnel	perímetro	D_x	800.000	m
	Ancho	D_y	80.000	m
	Altitud	D_z	300.000	m
Calculation Parameters	Reference Velocity	u_ref	20.000	m/s
	Altura de referencia	z_ref	10.000	m
	von Kármán Constant	κ	0.410
	Turbulence Viscosity Constant	C_μ	0.090

Prueba de la capa límite atmosférica realizada en un túnel de viento sin obstrucciones. Enfoque en el examen del flujo de aire.

Prueba de capa límite atmosférica

Solución analítica

Analytical solution is not available. The example provides an overview of the chosen quantity field development in an empty wind tunnel.

Wind speed profile is calculated from the following equation:

u (z) = \frac{u_{*}}{κ} \ln (\frac{z + z_{0}}{z_{0}})

z₀	Longitud de rugosidad

Perfil de la velocidad del viento

where u_* is friction velocity, defined as:

u_{*} = \frac{u_{ref} κ}{\ln (\frac{z_{ref} + z_{0}}{z_{0}})}

Velocidad de fricción

Turbulence k profile is defined according following equation:

k (z) = \frac{u_{*}^{2}}{\sqrt{C_{μ}}}

C_μ	Parámetro del modelo de turbulencia

Perfil de turbulencia k

Turbulence ω profile is defined calculated according following equation:

ω (z) = \frac{u_{*}}{κ \sqrt{C_{μ}}} \frac{1}{z + z_{0}}

Perfil omega de turbulencia

RWIND Simulation Settings

Modelled in RWIND 3.03.0220
Steady flow simulation type
Mesh density is 28 %: 2 482 465 cells
Number of tunnel boundary layers is 10
The height of the first cell at the bottom is 0.046 m
y+ ranges from 800 to 1000
RANS k-ω SST turbulence model
Inlet boundary condition - ABL v, k, ω; zero pressure gradient
Tunnel bottom - no-slip boundary condition
Tunnel walls and top - slip boundary condition
Outlet boundary condition - zero pressure; zero velocity gradient

Resultados

Terrain category I

Categoría de terreno I | Diagrama comparativo de velocidad, energía cinética de turbulencia y tasa de disipación en secciones del túnel de viento.

Análisis de flujo del terreno - Comparación de túneles de viento

RWIND 3 results - Velocity field (terrain category I)

RWIND 3 results - Turbulence kinetic energy field (terrain category I)

Terrain category II

Categoría del terreno II | Diagrama comparativo de velocidad, energía cinética turbulenta y tasa de disipación en un túnel de viento en tres posiciones x.

Parámetro de flujo en túnel de viento

Visualización de resultados del campo de velocidad del viento para categoría de terreno II en RWIND 3

Resultados de RWIND 3: Campo de velocidad (terreno de categoría II)

Visualización de un campo de energía cinética de turbulencia sobre un modelo de categoría de terreno II a partir de la simulación RWIND 3

Resultados de RWIND 3: Campo de energía cinética de turbulencia (categoría de terreno II)

Terrain category III

Categoría del terreno III | Comparación de la velocidad, energía cinética turbulenta y tasa de disipación en tres secciones del túnel de viento

Diagrama de comparación de flujo en túnel de viento

Campo de velocidad del viento simulado para la categoría de terreno III con degradados de color

Resultados de RWIND 3: Campo de velocidad (categoría de terreno III)

Visualización del campo de energía cinética de turbulencia para terreno de categoría III que muestra gradientes de intensidad de la simulación RWIND 3

Resultados de RWIND 3: campo de energía cinética de turbulencia (terreno categoría III)

Terrain category IV

Categoría de terreno IV | Diagrama que muestra la velocidad, la energía cinética turbulenta y la disipación a x=0, 400 y 750 m

Análisis de flujo en túnel de viento

Salida de simulación que muestra campo de velocidad inducido por el viento sobre terreno categoría IV con gradiente de color

Resultados de RWIND 3: Campo de velocidades (categoría de terreno IV)

Mapa de contorno que muestra la distribución de energía cinética de la turbulencia para la simulación de terreno de categoría IV

Resultados de RWIND 3: Campo de energía cinética de turbulencia (categoría de terreno IV)

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Ejemplo de verificación 0309: Categoría de terreno I

Referencias

Windtechnological Society WTG eV (2023). Código de prácticas de aerogeneradores M3 - Simulación numérica de flujos de viento. Aquisgrán: El sargento

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