UHUK-2012-088 Nümerik Hava Tahmin Yazılımlarıyla Akuple

Transkript

IV. ULUSAL HAVACILIK VE UZAY KONFERANSI
12-14 Eylül 2012, Hava Harp Okulu, İstanbul
UHUK-2012-088
Nümerik Hava Tahmin Yazılımlarıyla Akuple Edilmiş Yüksek Çözünürlüklü Atmosferik
Akış Çözümleri
Engin LEBLEBİCİ∗ , Gökhan AHMET† ve İsmail H. TUNCER‡
Orta Doğu Teknik Üniversitesi (ODTÜ),
Rüzgar Enerjisi Teknolojileri Araştırma ve Uygulama Merkezi (RÜZGEM),
ANKARA
ÖZET
Bu çalışmada atmosferik ve türbülanslı akış çözümleri meteorolojik akış alanı ve topoğrafik arazi
verileri kullanılarak yüksek çözünürlükte elde edilmiştir. Farklı çözünürlüklerde elde edilmiş olan
ilgili arazinin topolojisi yüksek bina modellerinin olup olmadığına göre yapılı veya yapısız çözüm
ağlarıyla hassas bir şekilde modellenmiştir. Meteorolojik hava tahmin yazılımı MM5 , çözüm alanı
için hassas ve zamana bağlı sınır koşullarının eldesi için kullanılmıştır. Zamana bağlı türbülanslı akış
çözümleri, FLUENT ve geliştirilen Kullanıcı Tanımlı Fonksiyonlar yardımıyla gerçekleştirilmiştir.
Zamana bağlı akış çözümleri, MM5 çözümlerinin elde edildiği araziyi içerisine alan daha küçük bir
topoğrafya üzerinde yüksek çözünürlükte yapılı çözüm ağı kullanılarak hesaplanmıştır. Bu FLUENT
çözümleri MM5 çözümleriyle karşılaştırılmıştır. Ek olarak zamana bağlı akış çözümleri yüksek bina
modelleri ile birlikte, bina çevresinde daha hassas olup dışarı doğru azalan bir çözünürlükte yapısız
çözüm ağı kullanılarak tekrarlanmıştır. Çalışma, zamana bağlı türbülanslı akış çözümlerinin, düşük
çözünürlüklü atmosferik hava akış verileri ve yüksek çözünürlüklü topoğrafik araziler üzerinde NavierStokes çözümleri kullanılarak doğru bir şekilde elde edilebileceğini göstermektedir.
GİRİŞ
Zamana bağlı kırsal ve kentsel alanlardaki akış çözümlerinin, rüzgar türbünleri için yer seçimi ve kirlilik
takibi gibi güncel araştırma konuları olan ve literatürde birçok örneği bulunan geniş bir kullanım alanı
vardır.
∗
Araştırma görevlisi, Havacılık ve Uzay Müh. Böl., E-posta: [email protected]
Araştırma görevlisi, Havacılık ve Uzay Müh. Böl., E-posta: [email protected]
‡
Prof. Dr., Havacılık ve Uzay Müh. Böl., E-posta: [email protected]
†
LEBLEBİCİ, AHMET ve TUNCER
UHUK-2012-088
Ülkemizde ve dünyada artan enerji ihtiyacının karşılanmasında kömür, petrol ve doğalgaz gibi karbon
temelli yakıtlar yerlerini çevre dostu, yenilenebilir enerji kaynaklarına bırakmaktadır. Rüzgar ve güneş
enerjisi bu kaynaklar arasında verimliliği ve kullanım potansiyeli en yüksek olan kaynaklardır. Yeni
adı Yenilenebilir Enerji Genel Müdürlüğü (YEGM) olan Elektrik İşleri Etüd İdaresi Genel Müdürlüğü
(EİE) atmosferik gözlem verilerine ve hava tahmin yazılımları ile yapılan simülasyonlara dayalı rüzgar
istatistiklerini derlemiş ve Türkiye’nin Rüzgar Enerjisi Potansiyel Atlasını (REPA) çıkarmıştır. Dağlarla
çevrili ve yüksek platoların geniş alanları kapladığı Türkiye coğrafyasında rüzgardan enerji üretim
potansiyeli oldukça yüksektir.
Çok sayıda rüzgar türbininden oluşan rüzgar santrallerinin ilk yatırım maliyetlerinin yüksek olması rüzgar
santralleri için yer seçiminin yüksek hassasiyetle yapılmasını gerektirmektedir. Bir rüzgar türbininin
konuşlandırılmasındaki 30 metrelik yer değişikliğinin, topoğrafyaya bağlı olarak, elde edilebilecek enerjiyi
2 kat artırabildiği veya azaltabildiği bilinmektedir. Düşük çözünürlüklü rüzgar enerjisi potansiyel
atlasları rüzgar santrallerinin makro düzeyde konuşlandırılması için gerekli istatistiksel rüzgar bilgisini
sağlamaktadırlar. Ancak rüzgar türbinlerinin seçilen bölgede mikro düzeyde konuşlandırılmaları (micrositing) için yüksek çözünürlüklü, hassas ve zamana bağlı, rüzgar alanı bilgisine gereksinim vardır. Mikro
düzeydeki başarılı bir yer seçimi için bölgenin detaylı topoğrafyası, yüzey bitki örtüsü ve rüzgar hızının
zamana bağlı değişimi dikkate alınarak yüksek çözünürlükte sınır tabakalı hava akışı analizleri yapılmalıdır.
Bu amaçla sınır tabaka akışlarını ve türbülansı modelleyen sonlu hacimler temelli bir Navier-Stokes akış
çözücüsü ile topoğrafik verileri içeren yüksek çözünürlüklü çözüm ağları üzerinde zamana bağlı rüzgar
alanları hesaplanacaktır. Global hava tahminlerinde kullanılan açık kaynaklı MM5 yazılımından elde
edilen düşük çözünürlüklü rüzgar alanı verileri Navier-Stokes çözücü için başlangıç ve zamana bağlı sınır
koşullarını sağlaması için etkileşimli olarak kullanılacaktır.
Ayrıca bu çalışmada geliştirilecek olan analiz yöntemi ileriye dönük hava akış çözümleri ile birlikte kurulu
rüzgar enerji santralleri için kısa vadeli enerji üretim tahminlerinin yapılabilmesinde de kullanılabilecektir.
Rüzgar türbinlerinin yer seçimindeki hassasiyetin artırılması için günümüzde hesaplamalı akışkanlar
dinamiği (Computational Fluid Dynamics) yöntemleri kullanılması gün geçtikçe yaygınlaşmaktadır.
Yüksek çözünürlüklü topoğrafyanın modellenebilmesine imkân sağlayan yapısız çözüm ağları üzerinde
türbülanslı akışlar için Navier-Stokes çözücülerinin geliştirilmesi ve elde edilen verilerin değerlendirilmesi
oldukça güncel bir araştırma konusudur.
Zajackowski[1], nümerik hava tahmin modellerini ve hesaplamalı akışkanlar dinamiği simülasyonlarını
şöyle kıyaslamaktadır; Hava tahmin modelleri ışınım, nemden kaynaklanan taşınım fiziği, satıh etkileri
parametreleştirmeleri, atmosferik sınır tabaka fiziği gibi etkileri hesaba katabilirken 1km’den daha kaba
çözüm ağları kullandığı için türbülans fiziğini hesaba katamazlar. Diğer yandan hesaplamalı akışkanlar
dinamiği simülasyonlarında binalar ve keskin yüzey şekilleri etrafında oluşan küçük ölçekli akışların ve
türbülansın iyi ifade edilebildiğini açıkça ortaya koymuştur.
Şehirsel veya karmaşık alanlar için yapılan hesaplamalı akışkanlar dinamiği çalışmalarında karşılaşılan en
ciddi zorluk sınır koşullarının zamana bağlı verilmesi ve satıh etkilerinin modellenmesidir. Strangroom[2]
karmaşık yüzey yapılarının rüzgar hızını ve çeşitli akış davranışlarını ciddi bir şekilde değiştirdiğini
2
Ulusal Havacılık ve Uzay Konferansı
UHUK-2012-088
göstermiştir.
Kristof[3] çalışmasında; şehirsel alanlarda yapılan hesaplamalı akışkanlar dinamiği uygulamalarında
dikey akışların; lokal rüzgarlar, atmosferik tabakalaşma gibi önemli akış olaylarına sebep olduğundan
bahsetmektedir. Ayrıca Coriolis kuvvetleri de atmosferin üst tabakalarında oldukça etkin olduğu için
akış alanı çözülürken hesaba katılması gerektiği belirtilmiştir. Aynı çalışmada bu etkiler kullanıcı tanımlı
fonksiyonlar (User Defined Functions) vasıtasıyla entegre edilmiş ve akış alanı çözümleri FLUENT yazılımı
ile üretilmiştir.
Yüksek çözünürlüklü ve türbülanslı atmosferik akış çözümleri, rüzgar enerjisi araştırmaları başta olmak
üzere bir çok araştırma alanına oldukça önemli veriler sağlamaktadır. Özellikle önceden hassas tahmin
gerektiren parçacık taşınımı, enerji üretim potansiyeli, kirlilik dağılımı ve havasızlık (Suffocation) gibi
konulara bu tür analizler temel oluşturur.
YÖNTEM
Bu çalışmada, bir arazi seçilerek binalı yada binasız modellenme durumuna göre yapılı yada yapısız yüksek
çözünürlüklü çözüm ağları üretilmiş olup, bu çözüm ağlarında gerekli olan zamana bağlı sınır koşullarının
belirlenmesi için MM5 adlı hava tahmin yazılımından alınan düşük çözünürlüklü çözümler kullanılmıştır.
Bu süreç Şekil 1’deki akış şeması ile gösterilmektedir.
Şekil 1: Hesaplama Metodunun Basit Akış Şeması
MM5 orta ölçekli atmosferik dolanımı simule ve tahmin etmek için geliştirilmiş sınırlı alanda çözüm
yapan, hidrostatik olmayan, topoğrafyayı takip eden sigma koordinatlarını kullanan bir modeldir. Bu
model analiz edilecek bölge için topoğrafyanın yükseklik verisini United States Geographical Survey
(USGS) den alır ve bu alan için yapılı çözüm ağları oluşturur. MM5 dikey koordinat olarak topoğrafyayı
3
UHUK-2012-088
takip eden σ seviyelerini kullanır.
σ tanım olarak:
σ=
p − pt
p∗
(1)
Basınç değişim aralığı ise:
p∗ = ps − pt
(2)
şeklinde ifade edilebilir. Burada p basınç, ps yüzey basıncı, pt ise Figure 2 de görüldüğü gibi modelin en
üst seviyesindeki basınçtır.
Şekil 2: Sigma seviyeleri(yeniden resmedilmiş)[1]
Ankara için 800 metre yatay ve maksimum 75 metre dikey çözünürlükte (51x51(yatay)x32(dikey)) elde
edilmiş MM5 çözümlerinden örnekler Şekil 3 ve Şekil 4 ’de verilmiştir. Görüleceği gibi rüzgar hızı
yukarılara çıkıldıkça artmaktadır.
İlk adımda şehir ölçeğinde (∼ 1600km2 ) bir arazi için MM5 verileri elde edilmiştir. Bu çözümler için
öncelikle, sınır ve başlangıç koşulları çözülecek bölgeyi kapsayacak şekilde ECMWF (European Centre of
Middle Range Weather Forecast)’den temin edilmiş ve USGS(United States Geographical Survey)’den
bu bölge için alınan topoğrafik verilerle birlikte kullanılarak çözüm alanı ve zamana bağlı sınır koşulları
üretilmiştir.
Elde edilen MM5 çözümünde mekansal çözünürlük 800 metre, zamansal çözünürlük ise 5 dakika
olarak belirlenmiştir. Bu arazi içinde seçilen daha küçük bir alan için(∼ 10km2 ) FORTRAN ile
geliştirilen rutinler ve GAMBIT yardımıyla bina modellerinin varlığına bağlı olarak yapılı ve yapısız yüksek
çözünürlüklü çözüm ağları oluşturulmuştur. Bu işlem için enlem ve boylam cinsinden verilmiş MM5
4
UHUK-2012-088
Şekil 3: Ankara çevresinde y (sol) and z (sağ) düzlemlerinde rüzgar hız büyüklüğü konturları
düğüm noktalarının konum verileri metreye çevrilmiş ve ODTÜ kampüs alanının içerisinde bulunan düğüm
noktaları belirlenmiştir. Bu noktalara ait yükseklik ve yüzey pürüzlülük değerleri çıkarılmış, FLUENT
yazılımında topoğrafya için girdi olarak kullanılmıştır.
MM5 çözümlerindeki ilk sekiz sigma seviyesi arasındaki mesafe çok yakın olup diğer sigma seviyeleri
arasındaki mesafe yüksek tutulmuştur. Bu sayede en az grid sayısı ile atmosferik sınır tabakanın yere yakın
kısımlarına odaklanılmıştır. Yüksek çözünürlüklü çözüm alanı yerden 500 metre yukarısıyla sınırlanmış,
MM5 çözüm alanının ilk sekiz sigma seviyesinin bu alan içinde kalması sağlanmıştır. Bu sayede çok yüksek
irtifalardaki atmosferik bilgiler çözüm alanının dışında tutulmuş ve hesaplama süresi en aza indirgenmiştir.
Şekil 4: Ankara çevresinde z (sağ) düzleminde rüzgar hız vektörleri
5
UHUK-2012-088
Yüksek çözünürlüklü çözüm ağının oluşturulmasında GAMBIT yazılımı kullanılmıştır.
Öncelikle
topoğrafyaya ait yükseklik bilgileri GAMBIT yazılımına düğüm noktası olarak girilmiş, bu düğüm
noktalarından topoğrafyayı ifade eden yeryüzeyi oluşturulmuştur. Aynı şekilde sekizinci sigma seviyesine
ait düğüm noktaları yazılımda tanımlanmış, üst yüzey bu referans noktaları kullanılarak oluşturulmuştur.
Çözüm ağı üretimi, çözülecek akış alanı içerisinde bina modellerinin bulunması durumunda değişiklik
göstermektedir. Bina olmadığı durumda yapılı çözüm ağları kullanılarak sadece dikey ve yatay
çözünürlüğün girilmesi çözüm ağının üretilmesi için yeterlidir. Diğer yandan bina modellerinin akışı
etkilemesinden ötürü bina çevrelerinde daha sık çözünürlük gerekli olup aynı zamanda bina modellerinin
varlığı geometriyi karmaşıklaştırmaktadır. Bu yüzden bu tür durumlarda yapısız çözüm ağlarının kullanılması yeğlenmelidir. Bu işlem GAMBIT’te tanımlı olan boyut fonksiyonları (Size functions) vasıtasıyla
gerçekleştirilebilmektedir.
Yüksek çözünürlüklü çözüm ağının oluşturulmasından sonra MM5’tan alınan hava akış verileri kullanılarak
FLUENT yardımıyla zamana bağlı sınır koşulu profilleri oluşturulmuştur. Bu işlem için öncelikle FLUENT
çözüm alanında bulunan MM5 düğüm noktalarındaki 5’er dakikalık veriler (kuzey-güney yönündeki,
doğu-batı yönündeki ve dikey yöndeki rüzgar hızları) kullanılarak interpolasyon dosyaları yaratılmış, bu
dosyalar yardımıyla akış alanındaki sınır koşul profilleri tüm beş dakikalık aralıklar için yazdırılmıştır.
Bu profiller daha sonra geliştirilen UDF’ler (User Defined Function) yardımıyla gerçekleştirilecek
simülasyon zamanına göre ardışık zamanlardaki sınır koşul profillerini okur ve zamana bağlı interpolasyon
yapar. Bu şekilde istenilen zaman aralıklarında çözüm elde edilebilir. Yöntem ile ilgili ayrıntılar
Leblebici[5]’ nin çalışmasında detaylı bir şekilde anlatılmıştır.
UYGULAMALAR
Bu çalışmada akış alanı incelenecek bölge olarak Orta Doğu Teknik Üniversitesi kampüsü seçilmiş,
MM5’tan alınan hava akış verileri FLUENT çözümlerinde zamana bağlı sınır koşulu olarak kullanılarak
binalı ve binasız modeller için türbülanslı akış çözümleri üretilmiştir. 16.6.2010 günü saat 18:00 akış
çözümlemeleri için başlangıç zamanı olarak seçilmiş ve 24 saatlik çözümler yapılı ve yapısız çözüm
ağları üzerinde elde edilmiştir. Binaların modellenmediği çözümlerde 25 metre yatay, 15 metre dikey
çözünürlükteki yapılı çözüm ağları; binaların dikdörtgen prizma olarak modellendiği çözümlerde ise bina
çevresinde 5 metre, binalardan uzakta en az 80 metre yatay ve dikey çözünürlükte yapısız çözüm ağları
kullanılmıştır. Koordinatları 39.8776 - 39.9072 Kuzey ve 32.7614 - 32.7998 Doğu olan Orta Doğu
Teknik Üniversitesi kampüsünü içine alan MM5 çözüm alanı (Ankara) Google Earth aracılığıyla Şekil 5’de
gösterilmektedir. Ayrıca FLUENT’te kullanılan ve MM5’tan verilerin alındığı konum bulunan düğüm
noktaları Şekil 6’te gösterilmektedir.
Zamana bağlı MM5 çözümleri ile akuple edilmiş 24 saatlik FLUENT akış çözümleri yerden 25, 50 ve
100 metre yükseklikte topoğrafyayı takip eden kesitler boyunca Şekil 7’te verilmiştir. Bu şekillerde elde
edilen akış çözümlerinin uygulanan sınır koşulları ile uyumluluğu geliştirilen akuple yöntemin başarıyla
uygulandığını göstermektedir.
6
UHUK-2012-088
FLUENT ile elde edilen yüksek çözünürlüklü akış çözümleri yerden 25,50 ve 100 metre yükseklikteki yeri
takip eden yuzeyler üzerinde MM5 çözümleri ile çözümün 1., 3. 6. ve 12. saatlerinde karşılaştırılmıştır.
(Şekil 8, Şekil 9 and Şekil 10 ) Bu şekillerde görüldüğü üzere MM5 ve FLUENT çözümleri beklendiği gibi birbiriyle genel olarak uyumludur. MM5 akış çözümlerinde bulunan akım çizgilerinin arka
planında gösterilmiş hız konturlarında özellikle 1. ve 3. saatlerde FLUENT çözümlerine göre daha
belirgin değişiklikler görünmektedir. Bu fiziksel olmayan değişimler bu grafiklerin elde edilmesinde
kullanılan yöntem ve FLUENT’in interpolasyon algoritmasindaki yaklaşımdan kaynaklanmaktadır. Bu
şekillerde, özellikle 3. saat çözumlerinde görüldüğü gibi FLUENT çözümlerinin akış alanı çözünürlükleri
daha yüksektir ve akış alanında daha fazla detay izlenebilmektedir. Şekil 11’de FLUENT ve MM5
çözümlerinden alınan sınır tabaka içerisindeki rüzgar hızı profilleri çözüm alanının orta noktasında 1. , 6.
ve 12. saatler için karşılaştırılmıştır. FLUENT çözümü yine beklenildiği gibi sınır tabaka hız dağılımını
daha yüksek çözünürlükte vermektedir. Ancak FLUENT ile elde edilen yüksek çözünürlüklü bu akış
çözumlerinin gözlem verileriyle doğrulanması gereklidir.
Bir sonraki çalışmada, aynı çözüm bölgesi içinde bulunan iki yüksek bina (MM ve KKM binalari) yapısız
çözüm ağı kullanılarak modellenmiş ve akış çözümleri başarılı bir şekilde tekrar elde edilmiştir. Kullanılan
yapısız çözüm ağı ve binaların çevresindeki çözüm ağı Şekil 12 ’da gösterilmektedir.
Yapısız çözüm ağında 24 saat boyunca elde edilen zamana bağlı akış çözümleri 960 metre rakımda alınan
kesit üzerinde Şekil 13’te verilmiştir. Bu şekillerde görüldüğü gibi binaların varlığı bina çevrelerindeki
akış alanlarında akışın ayrışmasına ve girdap formasyonlarına yol açmaktadır. Şekil 14 de binalı ve binasız akış çözümleri 960 metre rakımda alınan kesit üzeride karşılaştırılmıştır. Görüldüğü gibi, genelde
akım çizgilerinin yönleri aynı kalmakta, ancak rüzgar hızı, özellikle binaların iz bölgesindeki girdap alanlarinda azalmaktadir. Kesit duzleminin yeryüzüne yakın güney sınırlarında yapısız çözüm ağında gözlenen
düşük hız bandı (koyu mavi bant) yapılı ve yapısız çözüm ağlarında uygulanan interpolasyon yönteminden
kaynaklanmaktadır.
SONUÇ
Bu çalışmada meteorolojik hava tahmin yazılımı MM5 ile, daha yüksek çözünürlükte, yapılı ve yapısız
çözüm ağlarında çözüm üretebilen FLUENT yazılımı akuple bir şekilde başarıyla çalıştırılmış, elde edilen
çözümler birbiriyle karşılaştırılmıştır. Elde edilen çözümlerin doğruluğu gözlem verileri ile kıyaslanarak
irdelenmelidir. Bu tür bir çalışma rüzgar türbinlerinin daha verimli çalışmasına olanak sağlayacak şekilde
konumlandırılmasına ve ileriye yönelik enerji üretim miktarlarının daha doğru tahmin edilebilmesine imkan
vereceği öngörülmektedir.
7
UHUK-2012-088
Şekil 5: MM5 ve FLUENT çözüm alanlarının sınırları
Şekil 6: FLUENT çözüm alanı (sol) ve ODTÜ çevresindeki MM5 düğüm noktaları (sağ)
8

UHUK-2012-088 Nümerik Hava Tahmin Yazılımlarıyla Akuple

Transkript

Benzer belgeler

2005 YILI MEZUNLARIMIZ 151819981011 VOLKAN ARZU

Ses Kaynaklarının Gamma Markov Rasgele Alanları ile

Name: Diferensiyel Geometri Spring 2014 Tanim [Basit egri] α : (a, b

Sosyal yenilik başarı örnekleri 15: Üniversite