fino1 mast effects on measured wind speeds … study the mast effect at the 91.5 m lat sensor height...

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ZusammenfassungBei 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 Ver-gleiche von LiDAR- und Schalensternanemometer-Messun-gen 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 Anemo-metern gemessen, die auf Auslegern an meteorologischen Messmasten installiert sind. In Richtlinien und Empfehlun-gen wie der IEA Recommendation 11 [1] werden empfohle-ne Auslegerlängen und andere Einzelheiten zur Anemome-terinstallation 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 Messmas-ten wie FINO1 häufig aus massiven Stahlkonstruktionen,

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F. Wilts

F. Wilts, B. Cañadillas, F. Kinder, T. Neumann; DEWI GmbH, Wilhelmshaven

FINO1: Mit CFD-Verfahren berechnete Masteffekte auf gemessene Windgeschwindigkeiten

FINO1 Mast Effects on Measured Wind Speeds Calculated with CFD Methods

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 mount-ed on booms in meteorological masts. Standards and Best Practice reports like the IEA Recommendation 11 [1] recom-mend 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 fol-low the IEA Recommendation because it is not possible to construct booms of sufficient lengths due to boom vibra-tions or logistic issues. Therefore mast wakes, partial or to-

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für die die IEA-Empfehlung nicht anwendbar ist, da es auf-grund von Vibrationen und auch von logistischen Proble-men nicht möglich ist, Ausleger mit ausreichender Länge zu bauen. Teilweise oder vollständige Mastabschattungen bei bestimmten Anströmungsrichtungen sind daher eine er-hebliche Fehler quel le bei Offshore-Windmessungen. Dieser Messfehler muss untersucht und zuverlässig korrigiert wer-den. 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 dersel-ben Platt orm abgeglichen wurde. Die CFD-Untersuchung ist ein weiterer Ansatz zur Bestimmung von Korrekturfaktoren, sogar noch vor Errichtung eines Messmastes. Um die Quali-tät der CFD-Berechnungen festzustellen, werden die Ergeb-nisse mit der früher ausgewerteten Mastkorrekturfunktion verglichen.

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 al-gorithm (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 func-tion. The German research platform FINO1 - see Fig. 1 (a) - is lo-cated 45 km north of the island Borkum (lat. 54°0.87’N, lon. 6°35.24’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

(b) (a)

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) Forschungsplattorm FINO1 in der Nordsee und (b) 3D-Modell eines 10 m-Mastsegments. In der Mit-te dieses Mastsegments befinden sich die Ausleger auf 91 m Höhe (LAT) des FINO1-Mastes

Fig. 2: xY crosssection of the computa-tional domain with mesh refine-ments around mast structure and in the wake area. The shown num-bers refer to dimensions in m.

Abb. 2: xY Querschnitt des Rechengebietes mit Netzverdichtung um die Mast-konstruktion und im Nachstrom-feld. Die angegebenen Zahlen be-zeichnen die Abmessungen in m.


Die deutsche Forschungsplattorm FINO1 - siehe Abb. 1 (a) – befindet sich 45 km nördlich der Insel Borkum (lat. 54°0.87’N, lon. 6°35.24’E) in der Nordsee. Die Plattorm ist mit einem 100 m hohen meteorologischen Messmast aus-gerüstet, der kontinuierlich Windgeschwindigkeiten auf 8 verschiedenen Höhen misst. FINO1 wurde hauptsächlich für Windenergieanwendungen gebaut, um hochwertige mete-orologische und ozeanografische Daten für ein breites Spek-trum von Untersuchungen zu liefern und ist seit September 2003 in Betrieb.

Angewendete Verfahren

ModellgebietDas CFD-Modell OpenFoam® 2.2.2 wird verwendet, um das Strömungsfeld um einen 10 m langen Abschnitt des FINO1-Mastes zu berechnen, der auf 91 m Höhe (LAT) zen-triert ist – siehe Abb. 1 (b). Die Netzerzeuger von Open-

for wind energy applications, to provide high quality meteo-rological and oceanographical data to cover investigations with a very broad scope and has been in operation since September 2003.

Methodology

Computational domainThe CFD model OpenFoam® 2.2.2 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 gen-erators “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 up-stream of the mast centre. The width of the domain is 100 m and the height 120 m. The refinement box around the mast

Cµ Cε1 Cε2 sk sε η0 β

0.0845 1.42 1.68 0.71942 0.71942 4.38 0.012

Fig. 3: Exemplary mast section detail of surface mesh

Abb. 3: Beispielhafter Ausschnitt des Ober-flächennetzes

Tab. 1: Used coefficients for k-ε RNG turbulence model

Tab. 1: Verwendete Koeffizienten für das k-ε RNG Turbulenzmodell

Fig. 4: Definition of axis system for mast rotations

Abb. 4: Definition des Achsensystems für Mastdrehungen


Fig. 5: Exemplary wind speed distribu-tion around FINO1 mast in verti-cal 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 distribu-tion around FINO1 mast in hori-zontal 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: Axial development of velocity and pressure along the mast

Abb. 7: Axiale Entwicklung von Geschwin-digkeit und Druck entlang des Mastes


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 um-schließen. 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 ‚Refi-nement 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 Netzver-dichtung rund um die Mastkonstruktion bis zu 15x10-3 m beträgt. Insgesamt enthält dieses strukturierte Netz 5x106 Zellen. Die Umrisse des Gebietes sind in Abb. 2 und einige Netzdetails in Abb. 3 dargestellt.

RandbedingungenFür das Einströmgebiet wird eine gleichmäßige Windge-schwin 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.

TurbulenzmodellTurbulenzeffekte 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 Vor-schlag von Richard and Hoxey [3] gewählt, wonach die ki-netische Turbulenzenergie k und die Dissipationsenergie ε in der atmosphärischen Grenzschicht nach folgenden Glei-chungen berechnet werden können:

structure has a dimension of 20x20x20 m3 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 5x106 cells. The outline of the domain is shown in Fig. 2 and some mesh details are illustrated in Fig. 3.

Boundary conditionsAt 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 gradi-ent condition is considered.

Turbulence modelTurbulence effects are considered by using the k-ε renormal-ization 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 kinet-ic energy k and the dissipation energy ε in the atmospheric boundary layer (ABL) can be satisfied by the following equa-tions:

µ (1)

(2)

where κ = 0.4 represents the van Karman constant, z0 = 0.001 m is the surface roughness length, u* = 0.28 m/s is the atmospheric boundary layer (ABL) friction velocity and

Fig. 8: Comparison of calculated correction factors to UAM factors proposed by Westerhellweg et al. (2011) and to the measured ratios between mea-sured LIDAR and cup anemometer wind speeds (> 4 m/s) at 91.5 m LAT (measuring period 2009-08-01 – 2010-07-31)

Abb. 8: 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 2009-08-01 – 2010-07-31)


µ

(1)

(2)

wobei κ = 0.4 die von Karman-Konstante, z0 = 0.001 m die Oberflächenrauigheit, u* = 0.28 m/s die Reibungsgeschwin-digkeit 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 Er-gebnisse gezeigt.

Abschätzung verschiedener AnströmrichtungenUm die Wirkung verschiedener Anströmrichtungen abzu-schätzen, 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 An-strömung immer von links erfolgt. Im Rahmen dieser Unter-suchung werden die berechneten Windgeschwindigkeiten an den Positionen des Schalensternanemometers, das auf dem südöstlichen Ausleger installiert ist (Probe 1) ausge-wertet.

Ergebnisse

Alle im folgenden präsentierten Ergebnisse beruhen auf voll auskonvergierten Gleichgewichtszuständen. Um die Druck-geschwindigkeitsbeziehung zu lösen, wird die “simpleFoam” Berechnung für inkompressible Strömungen und Diskretisie-rungsschemata der zweiten Ordnung für alle Variablen ver-wendet. Falls nicht anders erwähnt, zeigen alle Ergebnisse in den Abbildungen eine Windströmung von links nach rechts.

WindgeschwindigkeitsprofileAbb. 5 zeigt das vertikale (xz-Querschnitt durch die Mast-mitte (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 vermin-derter Windgeschwindigkeit ist in Lee des Messmastes fest-zustellen. In der entgegengesetzten Richtung (Luv) ist ein deutlicher Vorstaueffekt zu beobachten, der ebenfalls zu Bereichen geringerer Windgeschwindigkeiten führt. Darü-ber hinaus kann es an seitlich des Mastes und auf bestimm-ten 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.

WindstaueffektEine 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 Ge-schwindigkeit aufgrund des Maststaueffektes abnimmt, be-vor der Wind den Mast erreicht. Der Druck steigt vor dem Mast sehr stark an und sinkt, wenn der Wind durch den Mast strömt.

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 directionsTo 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 con-verged 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 re-sults for wind propagating from the left to the right side.

Wind speed profilesFig. 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 generat-ing 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 effectThe 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 pres-sure increases very sharply before the mast and drops when passing through it.

Mast wake effectThe calculated wind speeds at the cup anemometer posi-tions 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 com-parison 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.

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MastabschattungseffektDie berechneten Windgeschwindigkeiten an den Positionen der Schalensternanemometer werden für alle untersuch-ten 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] gefunde-nen 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 erken-nen, 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 Unter-suchung im gleichen geografischen Gebiet gute Ergebnisse gezeigt hatte.Es wurden Windgeschwindigkeitsverteilungen um die Mast-konstruktion herum erzeugt, die ein deutliches Nachlauffeld mit verminderten Windgeschwindigkeiten in Lee des Mas-tes zeigen, sowie einen erkennbaren Vorstaueffekt in der entgegengesetzten Richtung. Seitlich des Mastes gibt es Be-reiche mit erhöhter Geschwindigkeit. In der Hauptabschat-tungsrichtung sind auch in größerer Entfernung innerhalb des Modells deutliche Verminderungen der Windgeschwin-digkeit 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 Überein-stimmung 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 Mast-abschattung auf anderen Anemometerhöhen sowie das gesamte von FINO1 erzeugte Nachstromfeld zu erforschen. Das vorhandene Modell soll außerdem für die Auswertung unterschiedlicher Anströmwindgeschwindigkeiten verwen-det werden, und die Abweichung der Windrichtungen an den Windfahnenpositionen soll ebenfalls mit einbezogen werden. Weiter ist ein Vergleich mit einem bereits durchge-führten Test im Windkanal geplant.

DanksagungDie Forschungsplattorm FINO1 und ihre Daten sind Teil des FINO-Projekts. CFD Berechnungen werden im Rahmen des Forschungsprojektes FINO Wind durchgeführt. Beide Pro-jekte werden vom Bundesministerium für Umwelt, Natur-schutz, Bau und Reaktorsicherheit (BMUB) gefördert.

Conclusions

A 10 m long mast segment of FINO1 has been modeled and simulated with OpenFoam®. Turbulence effects are consid-ered by using the k-ε RNG model with a special set of coef-ficients, 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 re-duced 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 correc-tion function found by Westerhellweg et al. (2011). With some small exceptions the calculated values are in good ac-cordance to the mentioned correction function. This agreement between modelled results and measure-ments shows the principal capacity of CFD models to esti-mate mast effects already in the design phase of meteoro-logical masts.In further studies the set-up model shall be extended to the whole platform to study the mast wake effect on other sen-sor 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.

AcknowledgementsFINO1 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 Min-istry 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, p15-22.

[3] Richards, P.J., Hoxey, R.P. (1993). Appropriate boundary conditions for

computational wind engineering models using the k-epsilon turbu-

lence model. Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 46-47,

p145-153, doi:10.1016/0167-6105(93)90124-7.

[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 ex-

pansion technique. Physics of Fluids A: Fluid Dynamics, Vol. 4, No. 7.,

p1510-1520, doi:10.1063/1.858424

[5] Westerhellweg, A., Riedel, V., Neumann, T., (2011), Comparison of LI-

DAR and UAM-based offshore mast corrections. Proceedings of EWEA

2011, Brussels, Belgium

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