Influence of Turbulence Length Scale and Platform Surge Motion on Wake Dynamics in Tandem Floating Wind Turbines

Deze studie toont aan dat bij tandem drijvende windturbines een grotere integraal lengteschaal van de inlaatturbulentie de wake-herstel versnelt door energierijke, laagfrequente wervels die het tipwervelsysteem destabiliseren en de menging bevorderen, wat resulteert in een hogere vermogensoutput voor de downstream turbine.

De kern

Stel je voor dat je een rij van twee enorme, drijvende windmolens op zee hebt. De eerste molen (de "oudste") vangt de wind en draait. Maar als de wind door die eerste molen gaat, wordt hij een beetje "moe" en rommelig. De lucht achter de molen is trager en turbulent. Als de tweede molen (de "jongste") daarachter staat, krijgt hij deze vermoeide lucht te pakken. Dat is slecht nieuws: hij draait minder snel en produceert minder stroom. Dit noemen we de wake (de sluier of de spoor).

Deze studie kijkt naar twee dingen die deze "sluier" beïnvloeden:

1. De grootte van de turbulentie: Hoe groot zijn de wervelingen in de wind die op de molens aankomen?
2. Het wiegen van de platformen: Omdat het zee is, bewegen de molens op en neer (surge) door de golven.

Hier is wat de onderzoekers hebben ontdekt, vertaald naar alledaagse taal:

1. De grootte van de "wind-wervelingen" is de belangrijkste speler

Stel je voor dat de wind niet gelijkmatig blaast, maar vol zit met draaikolken (wervelingen).

• Kleine wervelingen: Denk aan een fijne mist of een lichte bries met veel kleine, snelle trillingen. Als deze de windmolens raken, blijft de "sluier" achter de eerste molen langdurig bestaan. De lucht blijft traag en rommelig achter de molen hangen. De tweede molen krijgt dus nog steeds een slechte, trage luchtstroom.
• Grote wervelingen: Denk nu aan enorme, langzame golven in de lucht. Als deze grote wervelingen de molen raken, gebeurt er iets magisch: ze breken de sluier op. Ze werken als een gigantische mixer die de trage lucht van achter de molen snel mengt met de snelle, verse lucht eromheen.

Het resultaat: Hoe groter deze wervelingen zijn, hoe sneller de lucht achter de eerste molen weer "opkracht". De tweede molen krijgt dan veel sneller weer een sterke windstroom. De onderzoekers zagen dat de energieproductie van de tweede molen hierdoor soms wel 90% tot 140% hoger kon zijn dan bij een rustige, gelijkmatige wind!

2. Het wiegen van de molen helpt ook (maar minder)

Omdat de molens op zee staan, wiegen ze op en neer door de golven.

• De analogie: Stel je voor dat je een emmer water hebt die je stil houdt. Als je de emmer een beetje heen en weer schudt (wiegt), gaat het water sneller bewegen en mengt het sneller met de lucht eromheen.
• De bevinding: Als de eerste molen op en neer wiegt, helpt dit ook om de "sluier" op te breken. Het maakt de lucht achter de molen onrustiger, waardoor de verse wind sneller kan binnendringen. Dit helpt de tweede molen ook om meer stroom te maken.

3. Het ritme tussen de molens maakt niet veel uit

De onderzoekers keken ook of het uitmaakt wanneer de molens wiegen ten opzichte van elkaar.

• In sync (in fase): Beide molens wiegen tegelijkertijd (beide gaan naar voren, dan beide naar achteren).
• Tegenstrijdig (anti-fase): Als de ene molen naar voren gaat, gaat de andere naar achteren.

Het verrassende nieuws: Het maakt voor de totale stroomproductie bijna niet uit of ze in sync of tegenstrijdig wiegen. Het belangrijkste is dat de eerste molen überhaupt wiegt en dat er grote wervelingen in de wind zitten. De exacte timing tussen de twee is een klein detail in vergelijking met de kracht van de wind zelf.

Samenvatting in één zin

De studie laat zien dat voor drijvende windmolens op zee, grote, krachtige wervelingen in de wind (en het wiegen van de molen) de sleutel zijn om de "vermoeide" lucht achter de eerste molen snel op te frissen, zodat de tweede molen veel meer stroom kan maken. Het is alsof je een grote lepel gebruikt om een soep snel te roeren, in plaats van te wachten tot het vanzelf mengt.

Dit inzicht helpt ingenieurs om windparken op zee slimmer te ontwerpen, zodat ze meer energie uit de wind halen, zelfs als de wind niet perfect rustig is.

Technische samenvatting

Probleemstelling

De prestaties van drijvende offshore windparken worden aanzienlijk beperkt door wake-interacties (de luchtstroom die achter een turbine aan komt). Hoewel de invloed van turbulentie-intensiteit op wake-herstel redelijk goed begrepen is, blijft de gecombineerde invloed van de structuur van de instromende turbulentie (specifiek de integraal-lengteschaal) en de beweging van het platform (surge/beweging voor-achter) op de wake-dynamiek onvoldoende onderzocht.

In de praktijk opereren drijvende windturbines in de atmosfeerische grenslaag, waar stroming inherent onstabiel is en fluctueert over een breed scala aan lengte- en tijdschalen. Traditionele modellen veronderstellen vaak dat wake-herstel alleen een functie is van turbulentie-intensiteit, terwijl de spectrale kenmerken (schaal) van de instroming en de koppeling met platformbewegingen vaak worden genegeerd. Dit leidt tot onnauwkeurigheden bij het voorspellen van vermogensopbrengst en vermoeiingslasten in tandem-configuraties.

Methodologie

De auteurs hebben een hoogwaardige numerieke studie uitgevoerd met de volgende kenmerken:

• Simulatiekader: Gebruik van Large-Eddy Simulation (LES) via de open-source solver OpenFOAM (versie v2312).
• Turbulentiemodel: Het Wall-Adapting Local Eddy-Viscosity (WALE) subgrid-scale model werd gebruikt voor de turbulentie-sluiting.
• Turbine-model: Een Surge-aware Actuator Line Method (ALM) werd toegepast. Dit is een aangepaste versie van het turbinesFoam-framework dat expliciet rekening houdt met de surge-snelheid van het platform, wat de relatieve instromingssnelheid en de aanvalshoek van de bladen beïnvloedt.
• Configuratie: Twee NREL-5MW referentieturbines in een tandem-opstelling, gescheiden door 5 rotor-diameters (5D).
• Instromingscondities:
  • Synthetische turbulente instroming gegenereerd met de Divergence-Free Synthetic Eddy Method (DFSEM).
  • De integraal-lengteschaal ($L_u$) van de turbulentie werd gevarieerd tussen 0,25R en 1,25R (waarbij R de rotorstraal is).
  • Dit varieerde de vrije-stroom turbulentie-intensiteit (TI) van ca. 1,9% tot 7,2%, terwijl de gemiddelde snelheid constant bleef.
  • Dominante frequenties (Strouhal-getallen) varieerden van $St \approx 0,71$ (kleine schalen) tot $0,12$ (grote schalen).
• Platformbeweging: De turbines ondergingen sinusvormige surge-bewegingen. Er werden scenario's getest met een vaste turbine, een surgende turbine, en beide turbines surgend (met in- en anti-fase beweging).
• Berekeningsomgeving: Uitgevoerd op het MareNostrum 5-supercomputercentrum met ongeveer 94 miljoen roostercellen en een tijdsstap die 360 stappen per rotatie omvatte.

Belangrijkste Bijdragen

1. Scheiding van schaal en intensiteit: De studie isoleert het effect van de turbulentie-lengteschaal op wake-herstel, waarbij wordt aangetoond dat de schaal een even cruciale rol speelt als de intensiteit.
2. Koppeling beweging-turbulentie: Het biedt een fysisch inzicht in hoe platformsurge-beweging interacteert met specifieke turbulentie-schalen om wake-herstel te versnellen.
3. Tandem-dynamiek: Het analyseert hoe deze factoren de prestaties van de downstream turbine beïnvloeden in een realistische offshore omgeving, wat essentieel is voor parkoptimalisatie.

Resultaten

1. Invloed van de Turbulentie-lengteschaal ($L_u$):

• Wake-herstel: Een grotere integraal-lengteschaal leidt tot een significant sneller wake-herstel. Grote, energie-rijke, laagfrequente wervels destabiliseren het tip-vortex-systeem sneller, wat de laterale en verticale instroom (entrainment) van hogesnelheidslucht in de wake bevordert.
• Snelheidsdeficit: Bij de grootste schaal ($L_u/R = 1,25$) daalt het snelheidsdeficit tussen de turbines aanzienlijk. In de vaste-vaste configuratie (FF) daalt het deficit bij $x/D=4$ van 63% (bij uniforme stroming) naar ongeveer 24%.
• Vortex-topologie: Grote schalen veroorzaken een vroegtijdige instorting van de coherente helische tip-wervels, waardoor de wake sneller overgaat van een geordende naar een turbulente, goed gemengde toestand.

2. Invloed van Platform Surge-beweging:

• Versnelling van herstel: Surge-beweging van de upstream turbine introduceert tijdsafhankelijke verstoringen die de shear-laag verdikken en de vortex-structuur verstoren. Dit versterkt het momentum-uitwisselingsproces.
• Synergie: De combinatie van grote turbulentie-schalen en surge-beweging leidt tot de snelste wake-herstel. De surge-beweging versterkt het mengingsproces dat al door de grote turbulentie-schalen wordt ingezet.
• Fase-effect: De relatieve fase ($\Delta\phi$) tussen de surge-beweging van de upstream en downstream turbine heeft slechts een klein effect op de gemiddelde wake en het tijd-gemiddelde vermogen. Of de turbines in fase of anti-fase bewegen, maakt voor de statistische wake-eigenschappen weinig uit; de schaal van de turbulentie is de dominante factor.

3. Prestatie van de Turbines (Vermogen):

• Upstream turbine: Het vermogen van de upstream turbine is relatief ongevoelig voor veranderingen in de turbulentie-schaal of de beweging van de downstream turbine.
• Downstream turbine: Er is een duidelijke, monotoon toename in het vermogen van de downstream turbine naarmate de turbulentie-schaal toeneemt.
  • In de Fixed-Fixed configuratie leidt een toename van $L_u/R$ van 0,25 naar 1,25 tot een vermogenswinst van +88,5% tot +142,3% ten opzichte van uniforme instroming.
  • In de Surge-Fixed configuratie (upstream beweegt, downstream vast) is de winst lager (+5% tot +47%), maar nog steeds significant.
  • De toevoeging van surge-beweging aan de downstream turbine zelf (Surge-Surge) levert geen extra significante winst op vergeleken met alleen de upstream surge.

Significantie en Conclusies

De studie concludeert dat de prestaties van downstream turbines in drijvende windparken primair worden bepaald door de dynamiek van de upstream wake en de ruimtelijke/temporale structuur van de instromende turbulentie, en niet door de bewegingstoestand van de downstream platform zelf.

• Fysisch inzicht: Grote turbulentie-schalen en platformbeweging werken samen om de coherente vortex-structuren te destabiliseren, wat leidt tot snellere wake-herstel en hogere vermogensopbrengst.
• Praktische implicatie: Bij het ontwerpen van offshore windparken en het ontwikkelen van regelstrategieën (flow control) moet rekening worden gehouden met de spectrale eigenschappen van de turbulentie, niet alleen de intensiteit.
• Beperking: De studie toont aan dat in de huidige simulaties de schaal en intensiteit van turbulentie gekoppeld zijn (grotere schaal leidt automatisch tot hogere intensiteit in deze opzet). Toekomstig werk zou deze factoren volledig moeten ontkoppelen om hun respectievelijke bijdragen nog scherper te isoleren.

Kortom, het artikel biedt een fysisch onderbouwde basis voor het begrijpen van de turbulentie-bewegingskoppeling in drijvende windturbines en benadrukt het belang van turbulentieschalen bij het beoordelen van wake-interacties in realistische offshore omgevingen.