A three-dimensional flow simulation was performed to investigate the wind flow around wind-power generation facilities on mountainous area of complex terrain. A digital map of eastern mountainous area of Korea including a wind farm was used to model actual complex terrain. Rotating wind turbines in the wind farm were also modeled in the computational domain with detailed geometry of blade by using the frozen rotor method. Wind direction and speed to be used as a boundary condition were taken from local meteorological reports. The numerical results showed not only details of flow distribution in the wind farm but also the variation in the performance of the wind turbines due to the installed location of the turbines on complex terrain. The wake effect of the upstream turbine on the performance of the downstream one was also examined. The methodology presented in this study may be used in selecting future wind farm site and wind turbine locations in the selected site for possible maximum power generation.
The necessity of accurate high-resolution meteorological forecasts becomes increasing in socio-economical applications and disaster risk management. The Korea Meteorological Administration Post-Processing (KMAPP) system has been operated to provide high-resolution meteorological forecasts of 100 m over the South Korea region. This study evaluates and improves the KMAPP performance in simulating wind speeds over complex terrain areas using the ICE-POP 2018 field campaign measurements. The mountainous measurements give a unique opportunity to evaluate the operational wind speed forecasts over the complex terrain area. The one-month wintertime forecasts revealed that the operational Local Data Assimilation and Prediction System (LDAPS) has systematic errors over the complex mountainous area, especially in deep valley areas, due to the orographic smoothing effect. The KMAPP reproduced the orographic height variation over the complex terrain area but failed to reduce the wind speed forecast errors of the LDAPS model. It even showed unreasonable values (~0.1 m s-1) for deep valley sites due to topographic overcorrection. The model's static parameters have been revised and applied to the KMAPP-Wind system, developed newly in this study, to represent the local topographic characteristics better over the region. Besides, sensitivity tests were conducted to investigate the effects of the model's physical correction methods. The KMAPP-Wind system showed better performance in predicting near-surface wind speed during the ICE-POP period than the original KMAPP version, reducing the forecast error by 21.2%. It suggests that a realistic representation of the topographic parameters is a prerequisite for the physical downscaling of near-ground wind speed over complex terrain areas.
In wind-resistant designs, wind velocity is assumed to be a Gaussian process; however, local complex topography may result in strong non-Gaussian wind features. This study investigates the non-Gaussian wind features over complex terrain under atmospheric turbulent boundary layers by the large eddy simulation (LES) model, and the turbulent inlet of LES is generated by the consistent discretizing random flow generation (CDRFG) method. The performance of LES is validated by two different complex terrains in Changsha and Mianyang, China, and the results are compared with wind tunnel tests and onsite measurements, respectively. Furthermore, the non-Gaussian parameters, such as skewness, kurtosis, probability curves, and gust factors, are analyzed in-depth. The results show that the LES method is in good agreement with both mean and turbulent wind fields from wind tunnel tests and onsite measurements. Wind fields in complex terrain mostly exhibit a left-skewed Gaussian process, and it changes from a softening Gaussian process to a hardening Gaussian process as the height increases. A reduction in the gust factors of about 2.0%-15.0% can be found by taking into account the non-Gaussian features, except for a 4.4% increase near the ground in steep terrain. This study can provide a reference for the assessment of extreme wind loads on structures in complex terrain.
Lee Hwa Woon;Won Hye Young;Choi Hyun-Jung;Lee Kang-Yeol
Journal of Korean Society for Atmospheric Environment
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v.21
no.2
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pp.179-189
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2005
Recently air quality modeling studies for industrial complex and large cities located in the coastal regions have been carried out. Especially, the representation of atmospheric flow fields within a model domain is very important, because an adequate air quality simulation requires an accurate portrayal of the realistic three -dimensional wind fields. Therefore this study investigated effect of using high resolution terrain height data in numerical simulation. So the experiments were designed according to the detail terrain height with 3second resolution or not. Case 30s was the experiment using the terrain height data of USGS and Case 3s was the other using the detail terrain height data of Ministry of Environment. The results of experimental were more remarkable. In Case 3s, temperature indicated similar tendency comparing to observational data predicting maximum temperature during the daytime and wind speed made weakly for difference of terrain height.
Investigations on modeling methods of a CFD wind resource prediction program, WindSim for a ccurate predictions of wind speeds were performed with the field measurements. Meteorological Masts having heights of 40m and 50m were installed at two different sites in complex terrain. The wind speeds and direction were monitored from sensors installed on the masts and recorded for one year. Modeling parameters of WindSim input variables for accurate predictions of wind speeds were investigated by performing cross predictions of wind speeds at the masts using the measured data. Four parameters that most affect the wind speed prediction in WindSim including the size of a topographical map, cell sizes in x and y direction, height distribution factors, and the roughness lengths were studied to find out more suitable input parameters for better wind speed predictions. The parameters were then applied to WindSim to predict the wind speed of another location in complex terrain in Korea for validation. The predicted annual wind speeds were compared with the averaged measured data for one year from meteorological masts installed for this study, and the errors were within 6.9%. The results of the proposed practical study are believed to be very useful to give guidelines to wind engineers for more accurate prediction results and time-saving in predicting wind speed of complex terrain that will be used to predict annual energy production of a virtual wind farm in complex terrain.
In spite of progress in the numerical simulation of typhoon wind field in atmospheric boundary layer (ABL), using typhoon wind field model in conjunction with Monte Carlo simulation method can only accurately evaluate typhoon wind field over a general terrain. This method is not enough for a reliable evaluation of typhoon wind field over the actual complex terrain with surface roughness and topography variations. To predict typhoon wind field over the actual complex terrain in ABL, a hybrid numerical simulation method combined typhoon simulation used the typhoon wind field model proposed by Meng et al. (1995) and CFD simulation in which the Reynolds averaged Navier-Stokes (RANS) equations and k-${\varepsilon}$ turbulence model are used. Typhoon wind filed during typhoon Dujuan and Imbudo are simulated using the hybrid numerical simulation method, and compared with the results predicted by the typhoon wind field model and the wind field measurement data collected by Fugro Geotechnical Services (FGS) in Hong Kong at the bridge site from the field monitoring system of wind turbulence parameters (FMS-WTP) to validate the feasibility and accuracy of the hybrid numerical simulation method. The comparison demonstrates that the hybrid numerical simulation method gives more accurate prediction to typhoon wind speed and direction, because the effect of topography is taken into account in the hybrid numerical simulation method.
The comparative performance of the WAsP in calculating the wind climate in complex terrain has been examined in order to test the predictability of the wind resource assessment computer code in our country. An analysis was carried out of predicted and experimental 10-min averaged wind data collected over 8 months at four monitoring sites in SongDang province, Jeju island, composed of sea, inland flat terrain, a high and a low slope craters. The comparisons show that the WAsP preditions give better agreement with experimental data by adjusting the roughness descriptions, the obstacle list.
Characterization of wind flows over a complex terrain, especially mountain-gorge terrain (referred to as the very complex terrain with rolling mountains and deep narrow gorges), is an important issue for design and operation of long-span bridges constructed in this area. In both wind tunnel testing and numerical simulation, a transition section is often used to connect the wind tunnel floor or computational domain bottom and the boundary top of the terrain model in order to generate a smooth flow transition over the edge of the terrain model. Although the transition section plays an important role in simulation of wind field over complex terrain, an appropriate shape needs investigation. In this study, two principles for selecting an appropriate shape of boundary transition section were proposed, and a theoretical curve serving for the mountain-gorge terrain model was derived based on potential flow theory around a circular cylinder. Then a two-dimensional (2-D) simulation was used to compare the flow transition performance between the proposed curved transition section and the traditional ramp transition section in a wind tunnel. Furthermore, the wind velocity field induced by the curved transition section with an equivalent slope of $30^{\circ}$ was investigated in detail, and a parameter called the 'velocity stability factor' was defined; an analytical model for predicting the velocity stability factor was also proposed. The results show that the proposed curved transition section has a better flow transition performance compared with the traditional ramp transition section. The proposed analytical model can also adequately predict the velocity stability factor of the wind field.
A meteorological model, RAMS, and a commercial computational fluid dynamics (CFD) model, FLUENT are combined as a one-way off-line nested modeling system, namely, RAMS/FLUENT system. The system is experimentally applied in the wind simulation over a complex terrain, with which numerical simulations of wind field over Foyeding weather station located in the northwest mountainous area of Beijing metropolis are performed. The results show that the method of combining a meteorological model and a CFD model as a modeling system is reasonable. In RAMS/FLUENT system, more realistic boundary conditions are provided for FLUENT rather than idealized vertical wind profiles, and the finite volume method (FVM) of FLUENT ensures the capability of the modeling system on describing complex terrain in the simulation. Thus, RAMS/FLUENT can provide fine-scale realistic wind data over complex terrains.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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