FINO1 Mast Effects on Measured Wind Speeds Calculated with CFD Methods

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1 FINO1 Mast Effects on Measured Wind Speeds Calculated with CFD Methods FINO1: Mit CFD-Verfahren berechnete Masteffekte auf gemessene Windgeschwindigkeiten F. Wilts F. Wilts, B. Cañadillas, F. Kinder, T. Neumann; DEWI GmbH, Wilhelmshaven English - Deutsch Abstract When measuring wind speeds at FINO1 mast effects have to be considered at certain inflow directions, due to the massive steel structure of which the offshore lattice mast is built. The magnitude of these effects has been evaluated in former studies [5] by the intrinsic UAM method and by comparing LIDAR and cup anemometer measurements. In this study the mast effect at the 91.5 m LAT sensor height is analysed with CFD methods and the results are compared to the mentioned measurements. Introduction Wind speeds are usually measured by anemometers mounted on booms in meteorological masts. Standards and Best Practice reports like the IEA Recommendation 11 [1] recommend boom lengths and other details for sensor mountings in order to minimize the systematic bias on the measured wind speeds as a result of the flow distortion generated by the mast itself. In offshore environments massive mast structures like FINO1 are commonly used, which cannot follow the IEA Recommendation because it is not possible to construct booms of sufficient lengths due to boom vibrations or logistic issues. Therefore mast wakes, partial or to- Zusammenfassung Bei der Messung von Windgeschwindigkeiten auf FINO1 müs sen wegen der massiven Stahlkonstruktion des Offshore- Gittermastes Masteffekte berücksichtigt werden. Die Größe dieser Effekte wurde bereits in früheren Untersuchungen [5] mit Hilfe des intrinsischen UAM-Verfahrens sowie durch Vergleiche von LiDAR- und Schalensternanemometer-Messungen ausgewertet. In der vorliegenden Untersuchung werden die Mast abschattungseffekte am Anemometer auf 91,5 m Höhe (LAT) mit CFD-Methoden analysiert und die Ergebnisse mit den genannten Messungen verglichen. Einleitung Windgeschwindigkeiten werden normalerweise mit Anemometern gemessen, die auf Auslegern an meteorologischen Messmasten installiert sind. In Richtlinien und Empfehlungen wie der IEA Recommendation 11 [1] werden empfohlene Auslegerlängen und andere Einzelheiten zur Anemometerinstallation festgelegt, um den systematischen Fehler der gemessenen Windgeschwindigkeiten aufgrund der durch den Mast selbst verursachten Störung der Anströ mung zu mini mieren. Im Offshorebereich bestehen die Messmasten wie FINO1 häufig aus massiven Stahlkonstruktionen, DEWI MAGAZIN NO. 45, AUGUST

2 (a) (b) Fig. 1: (a) Research platform FINO1 in the North Sea and (b) 10 m mast section 3D model. This mast segment is centred around the 91 m LAT booms of the FINO1 mast Abb. 1: (a) Forschungsplattform FINO1 in der Nordsee und (b) 3D-Modell eines 10 m-mastsegments. In der Mitte dieses Mastsegments befinden sich die Ausleger auf 91 m Höhe (LAT) des FINO1-Mastes Fig. 2: XY crosssection of the computational domain with mesh refinements around mast structure and in the wake area. The shown numbers refer to dimensions in m. Abb. 2: XY Querschnitt des Rechengebietes mit Netzverdichtung um die Mastkonstruktion und im Nachstromfeld. Die angegebenen Zahlen bezeichnen die Abmessungen in m. tal, at certain inflow directions are an important source of error when dealing with offshore wind measurements. This error has to be investigated and corrected carefully. To deal with these mast effects, DEWI has developed a correction algorithm (UAM) for the FINO1 met mast (see e.g. [5]), which is mainly based on statistics of measured wind speed data gained by the FINO1 anemometers and validated with wind LIDAR measurements from the same platform. The CFD study is another approach to determine correction factors, which can be determined even before a mast is erected. To determine the quality of the CFD calculations the results are compared to the former evaluated mast correction function. The German research platform FINO1 - see Fig. 1 (a) - is located 45 km north of the island Borkum (lat N, lon E) in the North Sea. The platform is equipped with a 100 m meteorological mast performing continuous wind speed measurements at 8 heights. FINO1 was built mainly 24 DEWI MAGAZIN NO. 45, AUGUST 2014 für die die IEA-Empfehlung nicht anwendbar ist, da es aufgrund von Vibrationen und auch von logistischen Problemen nicht möglich ist, Ausleger mit ausreichender Länge zu bauen. Teilweise oder vollständige Mastabschattungen bei bestimmten Anströmungsrichtungen sind daher eine erhebliche Fehler quel le bei Offshore-Windmessungen. Dieser Messfehler muss untersucht und zuverlässig korrigiert werden. Um solche Messfehler zu korrigieren, hat DEWI einen Korrekturalgorithmus (UAM) für den FINO1-Mast entwickelt (siehe z.b. [5]), der hauptsächlich auf Statistiken der mit den FINO1-Anemometern gemessenen Windgeschwindigkeiten basiert, und bereits mit LiDAR-Windmessungen auf derselben Platt form abgeglichen wurde. Die CFD-Untersuchung ist ein weiterer Ansatz zur Bestimmung von Korrekturfaktoren, sogar noch vor Errichtung eines Messmastes. Um die Qualität der CFD-Berechnungen festzustellen, werden die Ergebnisse mit der früher ausgewerteten Mastkorrekturfunktion verglichen.

3 Fig. 3: Abb. 3: Fig. 4: Abb. 4: Cµ Cε1 Cε2 σk σε η0 β Tab. 1: Tab. 1: for wind energy applications, to provide high quality meteorological and oceanographical data to cover investigations with a very broad scope and has been in operation since September Methodology Computational domain The CFD model OpenFoam is used to compute the flow field around a 10 m long section of the FINO1 mast centred at 91 m LAT - see Fig. 1 (b). OpenFoam s mesh generators blockmesh and snappyhexmesh are used to set up the computational domain and to include the complex surface of the mast section with a refined mesh around this geometry and in the wake field. The computational domain has a length of 150 m, 125 m downstream and 25 m upstream of the mast centre. The width of the domain is 100 m and the height 120 m. The refinement box around the mast Exemplary mast section detail of surface mesh Beispielhafter Ausschnitt des Oberflächennetzes Definition of axis system for mast rotations Definition des Achsensystems für Mastdrehungen Used coefficients for k-ε RNG turbulence model Verwendete Koeffizienten für das k-ε RNG Turbulenzmodell Die deutsche Forschungsplattform FINO1 - siehe Abb. 1 (a) befindet sich 45 km nördlich der Insel Borkum (lat N, lon E) in der Nordsee. Die Plattform ist mit einem 100 m hohen meteorologischen Messmast ausgerüstet, der kontinuierlich Windgeschwindigkeiten auf 8 verschiedenen Höhen misst. FINO1 wurde hauptsächlich für Windenergieanwendungen gebaut, um hochwertige meteorologische und ozeanografische Daten für ein breites Spektrum von Untersuchungen zu liefern und ist seit September 2003 in Betrieb. Angewendete Verfahren Modellgebiet Das CFD-Modell OpenFoam wird verwendet, um das Strömungsfeld um einen 10 m langen Abschnitt des FINO1-Mastes zu berechnen, der auf 91 m Höhe (LAT) zentriert ist siehe Abb. 1 (b). Die Netzerzeuger von OpenDEWI MAGAZIN NO. 45, AUGUST

4 Fig. 5: Exemplary wind speed distribution around FINO1 mast in vertical plane (xz-section) for rotation angle = 315 Abb. 5: Exemplarische Verteilung der Windgeschwindigkeiten um den FINO1 Mast in vertikaler Ebene (xz-schnitt) bei einem Drehwinkel = 315 Fig. 6: Exemplary wind speed distribution around FINO1 mast in horizontal plane (xy-section at 91.5 m LAT) for rotation angle = 315 (The same colour scale as in Fig. 5 is used) Abb. 6: Exemplarische Verteilung der Windgeschwindigkeiten um den FINO1 Mast in horizontaler Ebene (xy-schnitt auf 91,5 m ü. SKN)) bei einem Drehwinkel = 315 (gleiche Farbskala wie in Abb. 5) Fig. 7: Abb. 7: Axial development of velocity and pressure along the mast Axiale Entwicklung von Geschwindigkeit und Druck entlang des Mastes 26 DEWI MAGAZIN NO. 45, AUGUST 2014

5 Fig. 8: Abb. 8: Comparison of calculated correction factors to UAM factors proposed by Westerhellweg et al. (2011) and to the measured ratios between measured LIDAR and cup anemometer wind speeds (> 4 m/s) at 91.5 m LAT (measuring period ) Vergleich der berechneten Korrekturfaktoren mit den von Westerhellweg et al. (2011) vorgeschlagenen UAM-Faktoren und mit den gemessenen Quotienten der mit LiDAR und Schalensternanemometer gemessenen Windgeschwindigkeiten (> 4 m/s) auf 91,5 m LAT (Messzeitraum ) structure has a dimension of 20x20x20 m 3 while the box in the wake field is 90x10x10 m³. An initial grid resolution of 1 m is considered at the outer boundaries, while the mesh is refined up to a resolution of 15x10-3 m around the mast structure. Overall this structured grid contains around 5x10 6 cells. The outline of the domain is shown in Fig. 2 and some mesh details are illustrated in Fig. 3. Boundary conditions At the inlet boundary a uniform wind velocity of 10 m/s is defined. The outlet boundary is defined by the zero-gradient condition for all variables except the pressure which is set to zero. And for the top, bottom and lateral sides a zero gradient condition is considered. Turbulence model Turbulence effects are considered by using the k-ε renormalization group (RNG) turbulence model by Yakhot et al. [4] with the coefficients shown in Tab. 1. The initial turbulence parameters were chosen in accordance to the Richard and Hoxey [3] proposal, which suggests that the turbulent kinetic energy k and the dissipation energy ε in the atmospheric boundary layer (ABL) can be satisfied by the following equations: µ (1) (2) where κ = 0.4 represents the van Karman constant, z 0 = m is the surface roughness length, u * = 0.28 m/s is the atmospheric boundary layer (ABL) friction velocity and Foam blockmesh und snappyhexmesh werden benutzt, um das Rechengebiet zu definieren und um die komplexe Oberfläche des Mastprofils mit einem verdichteten Netz um diese Geometrie und den Nachlaufbereich (WAKE) zu umschließen. Das Modellgebiet hat eine Länge von 150 m, 125 m unterhalb und 25 m oberhalb der Mastmitte. Die Breite des Gebietes beträgt 100 m und die Höhe 120 m. Die Refinement Box um die Mastkonstruktion hat eine Größe von 20x20x20 m³, während die Box im Nachlaufgebiet 90x10x10 m³ umfasst. An den Außengrenzen wird eine anfängliche Rastergröße von 1 m angenommen, während die Netzverdichtung rund um die Mastkonstruktion bis zu 15x10-3 m beträgt. Insgesamt enthält dieses strukturierte Netz 5x10 6 Zellen. Die Umrisse des Gebietes sind in Abb. 2 und einige Netzdetails in Abb. 3 dargestellt. Randbedingungen Für das Einströmgebiet wird eine gleichmäßige Windgeschwin digkeit von 10 m/s definiert. Die Ausströmgrenze wird definiert durch die Nullgradientenbedingung für alle Variablen mit Ausnahme des Drucks, der auf Null gesetzt wird. Für oben, unten und die seitliche Begrenzung wird ein Nullgradient angenommen. Turbulenzmodell Turbulenzeffekte werden berücksichtigt durch Anwendung des k-ε Renormalisierungs- (RNG) Turbulenzmodells nach Yakhot et al. [4] mit den dargestellten Koeffizienten, Tab. 1. Die Eingangsturbulenzparameter wurden nach dem Vorschlag von Richard and Hoxey [3] gewählt, wonach die kinetische Turbulenzenergie k und die Dissipationsenergie ε in der atmosphärischen Grenzschicht nach folgenden Gleichungen berechnet werden können: DEWI MAGAZIN NO. 45, AUGUST

6 z = 90 m the height coordinate. This turbulence model has shown good results during a wake study, which has been carried out by Javaheri and Cañadillas [2] at the same site. The assessment of different inflow directions To assess the effect of different inflow directions the mast is rotated along the z-axis inside the computational domain before recomputing the mesh. Fig. 4 shows the used axis system, where the inflow is always propagating from the left. During this study the calculated wind speeds at the cup anemometer positions, which is fixed on the southeast boom (Probe 1) is evaluated. Results All results presented in the following are fully turbulent converged steady state runs. To resolve the pressure velocity coupling, the simplefoam solver for incompressible flows and second order discretization schemes were used for all variables. If not mentioned otherwise all figures show results for wind propagating from the left to the right side. Wind speed profiles Fig. 5 shows the vertical (xz crosssection through the mast center (y=0)) and Fig. 6 the horizontal (xy crosssection at 91.5 m LAT) flow field around the considered FINO1 mast section. A significant wake field with reduced wind speeds can be found in downwind direction of the mast. In upwind direction there is a noticeable wind blocking effect generating also areas with low wind speeds. Moreover at the mast sides and on distinct heights inside the mast structure there can be found areas of overspeed. It is worth to see, that such kind of simulations can show the effects of distinct wakes propagating from each small steel part, especially around the service platforms. Wind blocking effect The wind speed decrease is also shown in Fig. 7 for wind travelling along the red line (the same as in Fig. 4). It can be observed that the velocity decreases before reaching the mast, as a result of the mast blockage effect. The pressure increases very sharply before the mast and drops when passing through it. Mast wake effect The calculated wind speeds at the cup anemometer positions are normalized to the nominal wind speed of 10 m/s for all investigated inflow directions and a correction for the deviation of the wind direction is applied. Fig 8 shows a comparison of this data to the correction functions found by [5]. Apart from two points at 300 and 315 inflow direction all calculated values are inside the broad margin of measured wind speed ratios. Even more it is visible that most of the points are following the shape of the UAM mast correction very well. The errors at 300 and 315 may be due to some missing or wrong details of the used geometry. This has to be further investigated. µ (1) (2) wobei κ = 0.4 die von Karman-Konstante, z 0 = m die Oberflächenrauigheit, u * = 0.28 m/s die Reibungsgeschwindigkeit der atmosphärischen Grenzschicht und z = 91 m die Höhenkoordinate darstellt. Dieses Turbulenzmodell hat im Rahmen einer von Javaheri und Cañadillas [2] an demselben Standort durchgeführten Nachströmuntersuchung gute Ergebnisse gezeigt. Abschätzung verschiedener Anströmrichtungen Um die Wirkung verschiedener Anströmrichtungen abzuschätzen, wird der Mast innerhalb des Rechengebiets um die Z-Achse gedreht, bevor das Netz neu berechnet wird. Abb. 4 zeigt das verwendete Achsensystem, wobei die Anströmung immer von links erfolgt. Im Rahmen dieser Untersuchung werden die berechneten Windgeschwindigkeiten an den Positionen des Schalensternanemometers, das auf dem südöstlichen Ausleger installiert ist (Probe 1) ausgewertet. Ergebnisse Alle im folgenden präsentierten Ergebnisse beruhen auf voll auskonvergierten Gleichgewichtszuständen. Um die Druckgeschwindigkeitsbeziehung zu lösen, wird die simplefoam Berechnung für inkompressible Strömungen und Diskretisierungsschemata der zweiten Ordnung für alle Variablen verwendet. Falls nicht anders erwähnt, zeigen alle Ergebnisse in den Abbildungen eine Windströmung von links nach rechts. Windgeschwindigkeitsprofile Abb. 5 zeigt das vertikale (xz-querschnitt durch die Mastmitte (y=0)) und Abb. 6 das horizontale (xy-querschnitt auf 91.5 m ü. LAT) Strömungsfeld um den betrachteten FINO1- Mastabschnitt. Ein deutliches Nachstromfeld mit verminderter Windgeschwindigkeit ist in Lee des Messmastes festzustellen. In der entgegengesetzten Richtung (Luv) ist ein deutlicher Vorstaueffekt zu beobachten, der ebenfalls zu Bereichen geringerer Windgeschwindigkeiten führt. Darüber hinaus kann es an seitlich des Mastes und auf bestimmten Höhen innerhalb der Mastkonstruktion Bereiche mit erhöhter Geschwindigkeit geben. Es ist beachtenswert, dass mit solchen Simulationen einzelne Abschattungseffekte, die von kleinen Stahlelementen, insbesondere im Bereich der Service-Plattorm, ausgehen, dargestellt werden können. Windstaueffekt Eine Verringerung der Windgeschwindigkeit wird auch in Abb. 7 dargestellt, für Wind, der entlang der roten Linie strömt (wie in Abb. 4). Es ist zu beobachten, dass die Geschwindigkeit aufgrund des Maststaueffektes abnimmt, bevor der Wind den Mast erreicht. Der Druck steigt vor dem Mast sehr stark an und sinkt, wenn der Wind durch den Mast strömt. 28 DEWI MAGAZIN NO. 45, AUGUST 2014

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8 Conclusions A 10 m long mast segment of FINO1 has been modeled and simulated with OpenFoam. Turbulence effects are considered by using the k-ε RNG model with a special set of coefficients, which showed good results in a former study in the same geographical area. Wind speed distributions around the mast structure have been created, which show a significant wake field with reduced wind speeds in downwind direction of the mast and a noticeable wind blocking effect in upwind direction. At the mast sides there are areas of overspeed. In the main mast wake direction even at further distances within the model area a substantial decrease in wind speeds can be observed. The mast wake effect for the 91.5 m LAT cup anemometer has been evaluated and compared to the UAM mast correction function found by Westerhellweg et al. (2011). With some small exceptions the calculated values are in good accordance to the mentioned correction function. This agreement between modelled results and measurements shows the principal capacity of CFD models to estimate mast effects already in the design phase of meteorological masts. In further studies the set-up model shall be extended to the whole platform to study the mast wake effect on other sensor heights as well as the total wake field created by FINO1. Moreover the existing model shall be evaluated for different inflow wind speeds and the deviation of the wind direction at the vane positions shall be included. Also a comparison to an already carried out wind tunnel test is planned. Acknowledgements FINO1 platform and data are part of the FINO Project. The CFD calculations are performed within the research project FINO Wind. Both projects are founded by the Federal Ministry for Environment, Nature Conservation, Building and Nuclear Safety (BMUB). References [1] IEA Recommendation 11 (1999) Wind speed measurement and use of cup anemometry [2] Javaheri, A., Cañadillas, B., (2013). Wake Modelling of an Offshore Windfarm Using OpenFOAM. DEWI magazine No.43, p [3] Richards, P.J., Hoxey, R.P. (1993). Appropriate boundary conditions for computational wind engineering models using the k-epsilon turbulence model. Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 46-47, p , doi: / (93) [4] Yakhot, V., Orszag, S.A.,Thangam, S.; Gatski, T.B., Speziale, C.G., (1992). Development of turbulence models for shear flows by a double expansion technique. Physics of Fluids A: Fluid Dynamics, Vol. 4, No. 7., p , doi: / [5] Westerhellweg, A., Riedel, V., Neumann, T., (2011), Comparison of LI- DAR and UAM-based offshore mast corrections. Proceedings of EWEA 2011, Brussels, Belgium Mastabschattungseffekt Die berechneten Windgeschwindigkeiten an den Positionen der Schalensternanemometer werden für alle untersuchten Anströmrichtungen auf die Referenzgeschwindigkeit von 10 m/s normalisiert und es wird ein Korrekturfaktor für die Abweichung von der Windrichtung angewendet. Abb. 8 zeigt einen Vergleich dieser Daten mit den in [5] gefundenen Korrekturfunktionen. Abgesehen von zwei Punkten bei Anströmwinkeln von 300 und 315 liegen alle berechneten Werte innerhalb der Streuung der gemessenen Quotienten der Windgeschwindigkeiten. Noch deutlicher ist zu erkennen, dass die meisten Punkte dem Kurvenverlauf der UAM- Mastkorrektur sehr gut folgen. Die Fehler bei 300 und 315 Grad können durch fehlende oder falsche Einzelheiten der verwendeten Geometrie verursacht sein. Dieses muss noch näher untersucht werden. Fazit Ein 10 m langes Mastsegment von FINO1 wurde mit Open- Foam modelliert und simuliert. Turbulenzeffekte wurden durch Anwendung des k-ε RNG-Modells mit spezifischen Koeffizienten berücksichtigt, das bei einer früheren Untersuchung im gleichen geografischen Gebiet gute Ergebnisse gezeigt hatte. Es wurden Windgeschwindigkeitsverteilungen um die Mastkonstruktion herum erzeugt, die ein deutliches Nachlauffeld mit verminderten Windgeschwindigkeiten in Lee des Mastes zeigen, sowie einen erkennbaren Vorstaueffekt in der entgegengesetzten Richtung. Seitlich des Mastes gibt es Bereiche mit erhöhter Geschwindigkeit. In der Hauptabschattungsrichtung sind auch in größerer Entfernung innerhalb des Modells deutliche Verminderungen der Windgeschwindigkeit festzustellen. Die Mastabschattung für das Anemometer auf 91,5 m Höhe (LAT) wurde ausgewertet und mit der von Westerhellweg et al. (2011) ermittelten UAM-Mastkorrektur verglichen. Von kleinen Ausnahmen abgesehen, gibt es eine gute Übereinstimmung zwischen den berechneten Werten und dieser Korrekturfunktion. Diese Übereinstimmung zwischen modellierten Ergebnissen und Messungen zeigt, dass CFD-Modelle grundsätzlich in der Lage sind, Masteinflüsse auf die Strömung bereits während der Konstruktionsphase von Messmasten abzuschätzen. In weiteren Untersuchungen soll das erstellte Modell auf die gesamte Plattorm ausgedehnt werden, um die Mastabschattung auf anderen Anemometerhöhen sowie das gesamte von FINO1 erzeugte Nachstromfeld zu erforschen. Das vorhandene Modell soll außerdem für die Auswertung unterschiedlicher Anströmwindgeschwindigkeiten verwendet werden, und die Abweichung der Windrichtungen an den Windfahnenpositionen soll ebenfalls mit einbezogen werden. Weiter ist ein Vergleich mit einem bereits durchgeführten Test im Windkanal geplant. Danksagung Die Forschungsplattorm FINO1 und ihre Daten sind Teil des FINO-Projekts. CFD Berechnungen werden im Rahmen des Forschungsprojektes FINO Wind durchgeführt. Beide Projekte werden vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit (BMUB) gefördert. 30 DEWI MAGAZIN NO. 45, AUGUST 2014