Experimental and numerical study of flow around a wind turbine rotor

Abstract

An improved model of an actuator surface is proposed, representing the flow around a wind turbine. This model was developed in conjunction with a Navier-Stokes solver using a blade element method for the calculation of power and wake development. Blades have been replaced with thin surfaces, and a boundary condition of “pressure discontinuity” has been applied with rotor inflow and blade-section characteristics. The proposed improvement consists of applying tangential body forces along the chord, in addition to normal body forces resulting from pressure discontinuity along the blade cross-section. The proposed model has been validated for the flow around a horizontal-axis wind turbine. The results obtained from the proposed model are compared with the experimental results obtained from PIV-wind tunnel techniques. The comparison has displayed the necessity of the proposed model for accurate reproduction of the wake behind rotor. The rapidity of calculation, in comparison to full-geometry modelling, appears to be promising for wind farm simulations.

Un modèle amélioré de surface active est proposé pour représenter l’écoulement autour d'une éolienne. Ce modèle est développé en association avec un solveur Navier-Stokes et en utilisant une méthode d'élément de pale pour le calcul de la puissance de l’éolienne et du développement du sillage. Les pales sont remplacées par des surfaces minces, et une condition limite de "discontinuité de pression" a été appliquée à partir de la vitesse d'entrée dans le rotor et des caractéristiques du profil de pale. L'amélioration proposée consiste à appliquer des forces volumiques tangentielles le long de la corde, en plus des forces volumiques normales résultantes de la discontinuité de pression à travers la surface de la pale. Le modèle proposé a été validé pour l'écoulement autour d'une éolienne à axe horizontal. Les résultats obtenus à partir du modèle proposé sont comparés avec les résultats expérimentaux obtenus en soufflerie par la technique PIV. La comparaison a démontré l’intérêt du modèle proposé pour une bonne reproduction du sillage derrière le rotor. La rapidité de calcul, par rapport à la simulation d’une géométrie complète des pales, semble promettant pour des simulations de parcs éoliens.