Simulation of a flow over a complex terrain : the Askervein hill full scale benchmark

The thesis aims at evaluating the analysis of a flow over a complex terrain using the computational fluid dynamics. The idea comes from the desire to determine the evolution of a flow on an assigned orography in order to determine the place with the best conditions for the positioning of a wind turbine in order to avoid the long timing due to the acquisition of experimental data. The thesis is divided into six chapters, throughout the course of which it is analysed the entire process that involves this project. After a brief introduction on the turbulence it is described the Atmospheric boundary layer (ABL) and , through the introduction of a few key variables, it is depicted how it changes the vertical velocity profile. This thesis therefore focuses on CFD analysis of the ABL, then after introducing the Navier Stokes equations and the most important RANS models, it is highlighted the state of the art in numerical modelling of the atmospheric boundary layer with the boundary conditions more suitable for this purpose. The modelling process comes from a file of orography that is treated in order to be read from the main commercial software through the passage to a CAD geometric and later to the mesh. The case discussed in this thesis is related with Askervein Hill placed offing Scotland because experimental data are available for the velocity and the turbulent kinetic energy profiles. The last part of the work, we show and discuss the results obtained through the fluid dynamics analyses performed with a commercial code (ANSYSFluent), comparing with the experimental data available for the Scottish island of Askervein, in order to validate the simulations.

La tesi si propone l’obiettivo di valutare l’analisi di un flusso su un terreno complesso mediante la termofluidinamica computazionale. L’idea deriva dalla volontà di determinare l’evoluzione di un flusso su un’orografia assegnata al fine di determinare il luogo con le condizioni migliori per il posizionamento di un generatore eolico. Lo scopo è quello di evitare le lunghe tempistiche dovute all’acquisizione sperimentale dei dati, la quale può durare anche alcuni anni. La tesi è suddivisa in sei capitoli, nel corso dei quali viene affrontato l’intero processo che interessa un progetto del genere. Dopo una breve introduzione sulla turbulenza viene descritto lo Strato Limite Atmosferico (ABL), attraverso l’introduzione di alcune variabili chiave, viene illustrato come si modifica il profilo verticale di velocità. Questo lavoro pertanto si concentra sull’analisi CFD dell’ABL, quindi dopo aver introdotto le equazioni di Navier Stokes e i principali modelli RANS, viene evidenziato lo stato dell’arte nella modellazione numerica dello Strato Limite Atmosferico con le condizioni al contorno più adatte a questo scopo. Il processo di modellazione nasce da un file di orografia che viene trattato in modo da essere letto dai principali software in commercio tramite il passaggio ad un geometria CAD e successivamente alla mesh. Il caso trattato in questo elaborato è la collina di Askervein situata al largo della Scozia in quanto sono disponibili i dati sperimentali relativi ai profili di velocità. Nell’ultima parte del lavoro si mostrano e discutono i risultati ottenuti tramite le analisi fluidodinamiche effettuate con un codice commerciale (ANSYS- Fluent), confrontandoli con i dati sperimentali disponibili per l’isola scozzese di Askevein in modo da validare la simulazione.