Testing of wind field simulation models for applications of wind potential

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e TecnologiaA mecânica dos fluidos é a área que está na base do estudo do comportamento dos fluidos e escoamentos, dando origem ao interesse de fazer previsões no comportamento destes. Desde muito cedo que o ser humano mostrou interesse em conhecer e compreender os fenómenos mais básicos em seu redor para poder de alguma maneira, controlá-los para o seu benefício. Um dos maiores exemplos é a aprendizagem na Grécia antiga a utilizar o vento como meio de propulsão nos barcos, que apesar de não possuírem algum método de previsão de comportamento do fluido, desenharam e criaram modelos de velas que ainda atualmente são usados e servem de base de desenvolvimentos para novos tipos de velas. Desde esses tempos, o método de estudo deste fenómeno mudou, começando por ser um estudo bastante básico e prático (onde se estudavam os fenómenos por meio experimental num ambiente onde as condições muitas vezes não eram controladas e se analisava posteriormente os resultados), evoluindo para a criação de túneis de vento, modelos matemáticos (componente teórica) e de softwares de simulação que permitem a realização de um estudo preciso e onde as condições são controladas. Apesar de na atualidade existirem diversos modelos e métodos de previsão que apresentam resultados bastante fiáveis, a previsão de alguns escoamentos, como por exemplo em torno de geometrias complexas, permanecem como grandes desafios e que servem de teste a esses modelos de simulação e à sua fiabilidade. Neste seguimento, nasce a realização desta dissertação, onde se vai estudar o software WindStation começando por um caso teste (Caso de Bolund), onde os resultados obtidos no programa irão ser comparados com dados medidos experimentalmente e com resultados de estudos já publicados. Este software será ainda utilizado posteriormente para a simulação de um caso de um parque eólico no Norte de França. A utilização parâmetros como a velocidade de vento, turbulência e energia cinética de turbulência em função da posição (vertical ou horizontal) serão fundamentais na obtenção dos resultados assim como o regime de turbulência escolhido ou tipo de esquema de advecção. Todos os resultados foram obtidos através da utilização do software WindStation. Este é um software que permite a simulação numérica de escoamentos em topografias muito complexas através da resolução de equações diferenciais para escoamentos de fluidos, possibilitando a utilização de 4 modelos de turbulência: Standard k-ε, RNG k-ε, Realizable K-ε e Limited Length k-ε. O programa permite o cálculo de vários projetos em simultâneo através da ferramenta "Batch run", com grande flexibilidade na escolha de domínios e malhas, e inclui ainda características como automatic alignment with free stream direction and nesting (alinhamento automático do domínio e da malha, para a direção do vento a calcular). A visualização e exportação dos resultados pode ser realizada em formato "Text file" e em Microsoft Excel. Esta dissertação será dividida principalmente em 4 partes: Introdução, Caso de Bolund, Caso do parque eólico e Conclusões.Fluid mechanics is the area that is the basis of the study of the behavior of fluids and flows, giving rise to the interest of making predictions about their behavior.From a very early age the human being showed interest in knowing and understanding the most basic phenomena around him in order to somehow control them for his benefit. One of the greatest examples is learning in ancient Greece to use wind as a means of propulsion in boats, which, although lacking some method of forecasting the behavior of the fluid, have designed and created models of sails that are still currently used and serve as a basis of developments for new types of candles.Since then, the method of study of this phenomenon has changed, starting with a very basic and practical study (where the phenomena were studied experimentally in an environment where conditions were often not controlled and the results analyzed later), evolving to the creation of wind tunnels, mathematical models (theoretical component) and simulation software that allow the realization of a precise study and where the conditions are controlled.Although there are currently several models and prediction methods that present very reliable results, the prediction of some flows, such as around complex geometries, remain as major challenges and serve as a test for these simulation models and their reliability .In this sequence, the execution of this dissertation is born, where the WindStation software will be studied, starting with a test case (Bolund Case), where the results obtained in the program will be compared with data measured experimentally and with results of studies already published. This software will still be used later to simulate a case of a wind farm in the north of France.The use of parameters such as wind speed, turbulence and turbulence kinetic energy as a function of position (vertical or horizontal) will be fundamental in obtaining the results as well as the chosen turbulence regime or type of advection scheme.All results were obtained using the WindStation software. This is a software that allows the numerical simulation of flows in very complex topographies by solving differential equations for fluid flows, allowing the use of 4 models of turbulence: Standard k-ε, RNG k-ε, Realizable K-ε and Limited Length k-ε. The program allows the calculation of several projects simultaneously through the tool "Batch run", with great flexibility in the choice of domains and meshes, and it also includes characteristics like automatic alignment with free stream direction and nesting (automatic alignment of the domain and the mesh, for the wind direction to be calculated). The visualization and export of the results can be done in "Text file" format and in Microsoft Excel.This dissertation will be divided mainly into 4 parts: Introduction, Case of Bolund, Case of the wind park and Conclusions