Numerical analysis of thermally-driven winds in mountain-valley regions

Abstract

(English) This thesis aims at simulating thermally-driven winds in mountain-valley systems, using the open source computational fluid dynamics (CFD) software OpenFOAM. Thermal-driven winds occur in mountain-valley regions due to temperature gradients induced by the lower atmosphere’s diurnal heating-cooling cycle. The contemporary energy market is particularly interested in thermal-driven winds since they exhibit greater regularity and periodicity than synoptic winds and thus can be more predictable. In the first phase of this research, the Reynolds Averaged Navier-Stokes k–ε turbulence model is validated on a 3D geometry by comparing its results to large-eddy simulations described in the literature. Then, a computational model of an idealised 2D mountain-valley configuration is created to mimic thermally-driven winds. In this work, the most suitable top surface boundary conditions (BC), field temperature, and pressure initial conditions (IC) are examined. A transient solver is used to address the buoyant, turbulent flow of incompressible fluids. In contrast to traditional mechanisms of convection of fluid flows associated with pressure gradients, buoyancy is the driving force of convection of the studied thermally-driven flows. In this work, temperature is linearly dependent on altitude, which is imposed as BC on the mountain slope, resulting in thermally-driven wind generation. The minimal computational domain height required to successfully replicate thermally-driven winds is also explored, as are the effects of altitude-dependent and altitude-independent IC on the results. In particular, slip-wall BC on the fluid domain’s top surface and constant temperature IC were found to be the best options because slip-wall BC has produced results which are in good agreement with LES models, whereas constant temperature IC has simulated neutrally stratified atmospheric boundary layer flows. The proposed numerical setup has accurately recreated the typical flow velocity patterns along the slope. The impact of the valley width on the anabatic (up-slope) and katabatic (down-slope) flow behaviour was also examined. Although increasing the valley width has no substantial effect on the thermally-driven flow velocity (along-slope), it does cause a displacement of the position of the associated convective cell. The influence of the roughness length on the flow behaviour is explored by varying the needed computational domain height. Comparing the effect of different values of roughness lengths as well as comparing uniform and nonuniform sand grain roughness is performed. The effect of the temperature diurnal cycle on the thermally-driven winds is also explored. Then, this research also examines how the mountain slope angle affects the along-slope flow velocity, slope-normal velocity, and turbulent kinetic energy. Finally, a wide range of numerical simulations allow to investigate the influence of various wall functions on modelling thermally-driven flows. To sum up, it is concluded that CFD models can replicate the challenging atmospheric boundary layer flows with sufficient accuracy, which can help in determining the most suitable wind turbines for specific sites in mountainous regions.

(Català) Aquesta tesi doctoral té com a objectiu simular vents d'origen tèrmic en sistemes vall-muntanya, utilitzant OpenFOAM, un programari de codi obert de dinàmica de fluids computacional (CFD). Els vents d'origen tèrmic es produeixen a regions muntanyoses i valls a causa dels gradients de temperatura induïts pel cicle diürn d'escalfament i refredament de l'atmosfera baixa. El mercat energètic actual està particularment interessat en aquests vents perquè tenen més regularitat i periodicitat que els vents sinòptics i, per tant, són més fàcilment predictibles. A la primera fase d'aquesta investigació, el model de turbulència Reynolds averaged Navier-Stokes (RANS) k–ε es valida en una geometria 3D, comparant els seus resultats amb resultats de large-eddy simulations (LES) disponibles a la literatura. Després, es crea un model computacional d'una configuració idealitzada de muntanya-vall en 2D, per imitar els vents d'origen tèrmic. En aquest treball s'examinen les condicions de contorn (CC) de la frontera superior del domini fluid i les condicions inicials (CI) de la temperatura i pressió de camp més adequades. S'utilitza un solver transitori per abordar el flux turbulent i flotant de fluids incompressibles. A diferència dels mecanismes tradicionals de convecció de fluids associats amb gradients de pressió, en el nostre cas la flotabilitat és la força impulsora de la convecció dels vents d'origen tèrmic estudiats. En aquest treball, la temperatura depèn linealment de l'altitud, que s'imposa com a CC al vessant de la muntanya, cosa que dóna com a resultat la generació correcta de vent d'origen tèrmic. També s'explora l'alçada mínima del domini computacional requerida per replicar amb èxit els vents d'origen tèrmic, així com els efectes en els resultats de fer servir unes CI dependents i independents de l'altitud. En particular, es va trobar que la CC de paret amb lliscament a la frontera superior del domini fluid, i la CI de temperatura constant, són les millors opcions perquè aquesta CC produeix resultats que concorden bé amb els models LES, mentre que la CI de temperatura constant simula correctament fluxos de capa límit atmosfèrica en atmosfera amb estratificació neutra. La configuració numèrica proposada ha recreat amb precisió els patrons típics de velocitat del flux al llarg del pendent. També s'examina l'impacte de l'amplada de la vall al comportament del flux anabàtic (ascendent al llarg del pendent) i catabàtic (descendent). Tot i que augmentar l'amplada de la vall no té un efecte substancial sobre la velocitat (al llarg del pendent) del vent d'origen tèrmic, sí que causa un desplaçament de la posició de la cel•la convectiva associada. La influència de la rugositat del terreny en el comportament del flux s'explora, variant també l'alçada del domini computacional. Es compara l'efecte de diferents valors de rugositat, així com la rugositat de gra de sorra uniforme i no uniforme. També s'explora l'efecte del cicle diürn de temperatura sobre els vents d'origen tèrmic. Després, s'examina com l'angle del pendent de la muntanya afecta a la velocitat del flux al llarg del pendent, la velocitat normal al pendent i l'energia cinètica turbulenta. Finalment, una àmplia gamma de simulacions numèriques permeten investigar la influència de diverses funcions de paret sobre el modelatge de fluxos d'origen tèrmic. En resum, es conclou que els models CFD poden replicar aquests complexos fluxos de capa límit atmosfèrica amb suficient precisió, cosa que pot ajudar a determinar els aerogeneradors més adequats per a llocs específics en regions muntanyoses.

(Español) Esta tesis doctoral tiene como objetivo simular vientos de origen térmico en sistemas valle-montaña, usando OpenFOAM, un software de código abierto de dinámica de fluidos computacional (CFD). Los vientos de origen térmico se producen en regiones montañosas y valles debido a los gradientes de temperatura inducidos por el ciclo diurno de calentamiento y enfriamiento de la atmósfera baja. El mercado energético actual está particularmente interesado en dichos vientos porque tienen mayor regularidad y periodicidad que los vientos sinópticos y, por tanto, son más fácilmente predecibles. En la primera fase de esta investigación, el modelo de turbulencia Reynolds averaged Navier-Stokes (RANS) k–ε se valida en una geometría 3D, comparando sus resultados con resultados de large-eddy simulations (LES) disponibles en la literatura. Luego, se crea un modelo computacional de una configuración idealizada de montaña-valle en 2D para imitar los vientos de origen térmico. En este trabajo, se examinan las condiciones de contorno (CC) de la frontera superior del dominio fluido, y las condiciones iniciales (CI) de temperatura y la presión de campo más adecuadas. Se usa un solver transitorio para abordar el flujo turbulento y flotante de fluidos incompresibles. A diferencia de los mecanismos tradicionales de convección de fluidos, asociados con gradientes de presión, en nuestro caso la flotabilidad es la fuerza impulsora de la convección de los vientos de origen térmico estudiados. En este trabajo, la temperatura depende linealmente de la altitud, que se impone como CC en la ladera de la montaña, lo que da como resultado la correcta generación de viento de origen térmico. También se explora la altura mínima del dominio computacional requerida para replicar con éxito los vientos de origen térmico, al igual que los efectos en los resultados de usar unas CI dependientes e independientes de la altitud. En particular, se encontró que la CC de pared con deslizamiento en la frontera superior del dominio fluido, y la CI de temperatura constante, son las mejores opciones porque dicha CC produce resultados que concuerdan bien con los modelos LES, mientras que la CI de temperatura constante simula correctamente flujos de capa límite atmosférica en atmósfera con estratificación neutra. La configuración numérica propuesta ha recreado con precisión los patrones típicos de velocidad del flujo a lo largo de la pendiente. También se examina el impacto del ancho del valle en el comportamiento del flujo anabático (ascendente a lo largo de la pendiente) y catabático (descendente). Aunque aumentar el ancho del valle no tiene un efecto sustancial sobre la velocidad (a lo largo de la pendiente) del viento de origen térmico, sí que causa un desplazamiento de la posición de la celda convectiva asociada. La influencia de la rugosidad del terreno en el comportamiento del flujo se explora, variando también la altura del dominio computacional. Se compara el efecto de diferentes valores de rugosidad, así como la rugosidad de grano de arena uniforme y no uniforme. También se explora el efecto del ciclo diurno de temperatura sobre los vientos de origen térmico. Luego, se examina cómo el ángulo de la pendiente de la montaña afecta a la velocidad del flujo a lo largo de la pendiente, a la velocidad normal a la pendiente y a la energía cinética turbulenta. Finalmente, una amplia gama de simulaciones numéricas permiten investigar la influencia de varias funciones de pared en el modelado de flujos de origen térmico. En resumen, se concluye que los modelos CFD pueden replicar estos complejos flujos de capa límite atmosférica con suficiente precisión, lo que puede ayudar a determinar los aerogeneradores más adecuados para sitios específicos en regiones montañosas.