Development of a high performance CFD tool for power output prediction of offshore wind farms

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 22K14181
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 19010:Fluid engineering-related
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: Watanabe Seiya 九州大学, 応用力学研究所, 助教 (80871540)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 洋上ウィンドファーム / 風車ウェイク / CFD / 格子ボルツマン法 / GPU

Outline of Final Research Achievements

Predicting the interaction of the wakes formed by each wind turbine is important for evaluating the amount of electricity generated by offshore wind farms. In this study, we developed a high-performance CFD tool for offshore wind farm flow simulations using the lattice Boltzmann method. An actuator line model and an atmospheric boundary layer inflow model are introduced into the lattice Boltzmann method. Comparison with wind tunnel experiments in previous studies confirms that the proposed simulation model can evaluate wake velocity distribution and power generation with enough accuracy. We performed a large-scale parallel computation using multiple GPUs to analyze an offshore wind farm, and confirmed that the predicted results agree with the observed power generation.

Free Research Field

流体工学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究で実施した格子ボルツマン法による洋上ウィンドファームの非定常乱流シミュレーションは、ウィンドファームの発電量だけでなく、各風車に加わる疲労荷重の評価にも有効であり、風車の寿命やメンテナンス時期を予測することへ利用でき、洋上ウィンドファームの経済性評価に重要なデータを取得できる。格子ボルツマン法をレイノルズ数の高い大型風車のウェイク乱流に適用可能であることを本研究で示した。また、波による風車の動揺を考慮することで、日本での導入が期待される浮体式の洋上ウィンドファームの解析に対して開発したCFDツールは応用可能であると考える。