Il Bar dell'Ingegneria

Ashes - Calcolo turbine eoliche

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    In questi giorni, cercando materiale relativo alla creazione di modelli di vento con turbolenza, mi sono imbattuto in un interessante sito norvegese ove è presentato un programma di simulazione di turbine eoliche On e Off-Shore.

    Ashes



    ITGlztD



    Mi sono registrato per poter fare il download del loro programma "Ashes" e con l'occasione ho avuto modo di scambiare qualche mail con il CEO della società Simis As : Paul Thomassen.

    Non ho ancora avuto modo di provare la demo ma lo farò al più presto.
    Da una prima occhiata penso si presenti come valida alternativa al noto programma di simulazione Bladed di Garrad-Hassan.

    Gli screen-shot presenti nelle pagine del sito sono davvero accattivanti e, ricordando le "povere" schermate di Bladed, penso proprio di scoprire piacevoli sorprese.

    Edited by afazio - 9/4/2016, 18:34
    Attached Image
    Ashes01

     
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  2. Paul Thomassen
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    Hi Giovanni,
    thanks for your interest in Ashes!

    We are looking forward to hear about your experience after you have had a chance to take a closer look.

    Please, let us know if you have questions or problems.

    -paul
     
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    Ho installato la versione 2.3.1 di Ashes.

    Per prima cosa vi mostro il messaggio di "About Ashes..."

    9xOz5dZ



    Gli autori offrono una licenza standard per uso esclusivamente personale e di valutazione (non commerciale), mentre per usi didattici sono disponibili a rilasciare apposita licenza agli studenti previo contatto con i loro professori.
    Per usi commerciali invece è necessaria licenza aggiuntiva.

    Interessante il fatto che gli autori, che hanno iniziato il loro percorso di scrittura del codice in una struttura universitaria [ The Norwegian University of Science and Technology (NTNU)], non hanno dimenticato di essere stati studenti e cerchino contatti con altre strutture universitarie.

    Avviando per la prima volta il programma, mi trovo di fronte la seguente finestra:

    ZGRzHjm

    dalla quale è possibile scegliere un template da cui iniziare il progetto del nostro Aerogeneratore.
    Le scelte possibili attualmente sono 4:

    - RNA only - solo l'assemblaggio tra rotore e navicella escludendo, quindi, la presenza della torre di sostegno
    - Onshore - per l'analisi di un aerogeneratore on-shore comprensivo di torre, iniziando dalla turbina tipo di 5 MW di NREL
    - Offshore bottom fixed - turbina a mare con base fissa
    - Offshore floater - Turbina a mare con base flottante.

    Per adesso è tutto, ma segnalo che chiunque può registrarsi al sito ed ottenere la licenza standard per uso personale.
     
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    Non avendo un vero e proprio aerogeneratore da progettare, mi sono limitato ad esplorare le possibiltà del programma partendo dal template della turbina da 5 MW di NREL.

    La prima cosa che noto è la facilità con cui si riesce a variare le viste mediante rotazione continua. Le rotazioni sono molto fluide, occorrerebbe vederle direttamente.
    Leggendo uno dei paper di uno degli autori del programma, ho visto che per le rotazioni ha fatto ricorso ai Quaternioni di Hill. Ricordate, ne ho fatto cenno nel topic Quaderni e quadernoni

    Ecco un estratto della tesi di Per Ivar Bruheim, uno degli autori del programma Ashes:

    EbUg2Bk

    Poi ho provato come prima cosa, a far calcolare i periodi propri di vibrazione dello schema proposto. Il calcolo di venti frequenze è avvenuto in meno di due secondi.
    Mi sono divertito a catturare una sequenza di immagini che ho salvato in formato *.gif

    63Xerlk

    Edited by afazio - 9/4/2016, 18:35
     
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    Paul mi ha chiesto come sono pervenuto al loro sito.
    Vi sono pervenuto attraverso le mie ricerche in rete su come poter simulare un vento con turbolenza. Ho trovato la tesi di Hans Børge Pedersen che mi ha indirizzato verso il sito Ashes.

    Tesi di Hans Børge Pedersen

    Ashes ha incorporato il codice Turbsim di NREL, il codice di cui vi ho accennato in altro topic e liberamente scaricabile previa registrazione dal sito di NREL.

    Appena trovo un po' di tempo provo a creare un modello NTM utilizzando Ashes e ne riporterò i miei commenti.
     
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    Oggi ho provato a generare un modello di vento turbolento Kaimal secondo IEC61400 utilizzando Ashes.
    La procedura per la creazione del modello è accessibile direttamente da menù.
    Viene proposta la seguente finestra

    7Qx6514

    Variando i dati di input viene immediatamente calcolato lo spazio richiesto su disco ed il tempo di elaborazione.
    Nell'esempio mostrato, per la generazione di un Kaimal di 10 minuti con tempo di campionamento pari a 0.05 secondi, in una griglia di 7x7=49 punti, è necessario uno spazio di 165 MB ed un tempo di elaborazione di 2700 secondi pari a 45 minuti circa.
    Mi sono quindi chiesto quanto spazio serve e quanto tempo per una griglia di 9x9 punti?

    Ecco la risposta:

    iSH1sZL

    quasi mezzo Giga e 38700 secondi che equivalgono a circa 38700/3600=10.75 ore, praticamente mezza giornata solo per generare miliardi di numeri che serviranno poi nell'analisi della turbina.

    Ecco allora che la domanda posta in questo volantino che vi mostro non è proprio fuori dal mondo: Cosa fai quando hai 15 milioni di casi di carico?

    2PXURmQ

    Un numero cosi spropositato di dati per simulare un vento turbolento deriva dalle due opzioni:
    tempo di simulazione: 600 secondi = 10 minuti
    intervallo di campionamento : 0.05 secondi
    In questo modo avremo 1/0.05= 20 dati per secondo, 20*600 = 12000 dati per ogni punto
    Considerando 100 punti avremo 1200000 (un milione e duecentomila) dati per ogni componente di velocità. Moltiplicato per le tre componenti otteniamo 3600000 dati (3,6 milioni).
    Considerando poi che da norma si deve considerare un angolo di flusso verticale pari a +8°, 0° e -8° il numero di dati sale a circa 11000000 (11 milioni)

    Non è possibile considerare una durata di simulazione inferiore ai 10 minuti poiché è il tempo imposto dalla norma ed è anche il tempo base su cui si media la velocità che poi assumiamo nei calcoli. Anzi qualche interpretazione più restrittiva potrebbe imporre una durata di simulazione pari a 20 minuti.

    Infine l'intervallo di campionamento dipende dalla prima frequenza di vibrazione delle pale. Questa, considerando la flessibilità e la lunghezza delle pale, si attesta mediamente intorno ai 5 - 6 Hz. Il tempo di campionamento deve essere pari almeno alla metà del primo periodo di vibrazione delle pale, altrimenti non si riuscirebbe a cogliere una forzante significativa.
    Quindi, per frequenza pari a 6 Hz abbiamo:
    T= 1/6=0.166 secondi
    da cui il tempo di campionamento t=0.166/2 = circa 0.08 secondi.

    Naturalmente non ho proceduto alla creazione del modello. Troppo tempo e spazio.
     
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    Ho provato a simulare il movimento della turbina catturando quello che accadeva nel mio schermo in un file *MP4

    Video turbina in movimento

    Nell'immagine che segue è possibile vedere le azioni locali (nelle varie sezioni in cui è stata discretizzata ciascuna pala): l'azione trasversale che genera poi la coppia motrice che produce energia e l'azione longitudinale che genera flessione nelle pale in movimento

    BVISOgQ
     
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    Devo correggere qualche dato.
    In effetti il dato di input indicato con "number of gridpoints" non è il numero complessivo dei punti considerati ma la dimensione del lato della griglia.
    Quindi nel caso dell'immagine che ho riportato:

    iSH1sZL

    il programma non genera i dati relativi ad una griglia di 9x9=81 punti ma ad una griglia di 81x81=6561 punti. una enormità.

    Con questi dati di partenza e considerando 2 bytes per ogni dato, avremmo uno spazio impegnato su disco pari a::

    2*3*600*81*81/0.05/[1.024*103]2 = 450.5 MB circa

    che è praticamente uguale al valore determinato dal programma.

    Edited by afazio - 9/4/2016, 10:33
     
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    Entusiasmante.

    Ho visto cose che da ingegnere strutturista civile non sono abituato a vedere. Diciamo che gli usuali programmi di calcolo strutturale hanno una parte che ti mostra la struttura in moto, quando fai visualizzare i modi propri di vibrare. E devi impostare la visualizzazione in modalità fil di ferro, altrimenti non ti fanno vedere nulla.

    Immaginate adesso un modello tridimensionale di una turbina con le sue belle pale e la sua torre.
    Visualizzazione 3D con rendering.
    Possibilità di ruotare il modello mentre le pale ruotano. Vi basta?

    Questo è poco.

    Per quanto abbiamo potuto capire da altri topic, ogni pala in movimento attinge il vento in un punto diverso ad un diverso istante e questo a causa della rotazione del rotore e della turbolenza.
    Sappiamo inoltre che la portanza e la resistenza che poi si traducono in coppia e flessione, sono diverse istante per istante e sezione per sezione.
    E poi c'è anche il fatto che a cadenza regolare c'è il passaggio della pala in corrispondenza della torre. Cosa accade in questo frangente? Naturalmente i coefficienti CL e CD si modificano facendo variare le forze in gioco.

    Ed inoltre possiamo attivare i controlli della turbina. Il pitch control ed il controllo di produzione del generatore che fanno variare il pitch e la rotazione del rotore con conseguente variazione nel tempo delle azioni.

    Guardate questo filmatino (catturato con un programma che tra tre giorni mi scade):

    Filmato 1

    ed attenzionate gli istanti in cui una pala passa davanti alla torre.

    Ma ancora non basta. L'analisi condotta da Ashes è di tipo aeroelastico, questo significa che istante per istante considera le deformazioni dei vari componenti, Deformazione della torre e deformazione delle pale.

    Guardate quest'altro filmatino:

    Filmato 2

    Naturalmente ho esaltato le deformazioni per rederle immediatamente visibili. Ma lo sarebbero ugualmente a scala reale.

    Insomma roba che vediamo solo nei video giochi.

    A proposito, qualcuno conosce un programma free per la creazione di filmati dallo schermo?

    Edited by afazio - 8/4/2016, 14:00
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    ashes07

     
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    Continuando nella esplorazione del programma Ashes, ho provato a far diagrammare nel tempo le sollecitazioni N, M e T nel concio di base della torre.
    Ho fatto visualizzare la "Time History" di queste sollecitazioni.
    Vi mostro il filmato ottenuto dallo schermo

    Altro filmatino sono appena 6.01 MB.

    Posso affermare che il programma risulta molto interessante, ben curato nella grafica e ricco di molte opzioni. Tutto questo manca in Bladed.

    Ma non tutto è positivo.
    Purtroppo devo denunciare il fatto che il programma non gestisce in alcun modo i crash dovuti a cattivo input o a selezione di opzioni laddove queste non sono pertinenti.
    Non si possono perdere ore di lavoro a causa di una scelta non ponderata da parte dell'utente o di un input non corretto.

    Penso di aver terminato questa mia prima esplorazione ed adesso è mia intenzione porre alcune domande agli autori.
    Attached Image
    ashes08

     
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    CITAZIONE (Paul Thomassen @ 7/4/2016, 08:17) 
    Please, let us know if you have questions or problems.

    Prime domande:

    1- come vengono gestiti in Ashes i casi di carico previsti da IEC61400 ?
    2- è necessario eseguire il programma tante volte quanti sono i casi di carico da analizzare?
    3- è possibile estrarre i dati temporali delle tensioni (o delle sollecitazioni) in una specifica sezione della torre?

    First questions:
    1- How are handled in Ashes load cases required by IEC61400?
    2- Need to run the program as many times as are the load cases to be analyzed?
    3- you can extract the time data of the tensions (or internal actions) in a specific section of the tower?

    Edited by afazio - 9/4/2016, 15:08
     
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    Altre domande:

    4- Non ho visto la possibilità di introdurre una distribuzione statistica (Weibull o Rayleigh) delle velocità medie.
    5- è possibile estrarre i carichi a fatica in una specifica sezione della torre?
    6- Quali carichi vengono dati al progettista delle fondazioni?


    Other questions:

    4- I did not see the possibility of introducing a statistical distribution (Weibull or Rayleigh) of average wind speeds.
    5- you can extract the fatigue loads on a specific section of the tower?
    6- What loads are given to the designer of the foundations?
     
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  13. Paul Thomassen
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    Thanks for your very interesting review of Ashes.

    Answers:
    1- How are handled in Ashes load cases required by IEC61400?
    2- Need to run the program as many times as are the load cases to be analyzed?

    Answer 1 and 2: To run a batch of load cases, open View->Batch analysis. When 'Start run' is pressed all load cases are run including turbulent wind simulation using TurbSim.

    So, to run the IEC load cases the relevant parameters must be set manually. The plan is to include a IEC load case template that has all the relevant setting for each load case. We plan to implement this by August.

    3- you can extract the time data of the tensions (or internal actions) in a specific section of the tower?

    You can get a sensor for any of the elements and nodes of the model. Press 'Adds a sensor' in the sesnor window. Choose 'Element' in the 'Sensor options' that is opened. When you click on an element it is displayed in red in the model making it easier to pick the correct element.

    When you have picked the elements you are interested in, you can give the sensors a (optional) name and press OK.

    4- I did not see the possibility of introducing a statistical distribution (Weibull or Rayleigh) of average wind speeds.

    Weibull and Rayleigh distributions are typically used for long term (yearly) wind distribution. It would be interested to include that in Ashes to calculate e.g. fatigue life time. However, as far as I know none of the available aeroelastic software - incl Ashes - includes long term wind distribution.


    5- you can extract the fatigue loads on a specific section of the tower?

    You can extract reaction forces (internal loads) for any element of the model (see answer 3). However, stresses, rainflow counting, stress concentration factors/hot spots, SN curves must presently be calculated outside of Ashes. For the longer term this will be interesting to include in Ashes.

    6- What loads are given to the designer of the foundations?
    If you are thinking of the (typically) concrete foundation on which the tower is placed, then the concrete engineer would get the time histories of support nodes/elements.
     
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    CITAZIONE (Paul Thomassen @ 11/4/2016, 12:58) 
    Thanks for your very interesting review of Ashes.

    Ringrazio Paul per le puntuali risposte.

    Voglio prendere le risposte come spunto per una discussione con Paul, ma il mio inglese è troppo povero per poter argomentare la discussione in quella lingua.
    Espongo in italiano e poi vedrò di tradurre l'essenziale.

    Ripropongo la tabella 2 estratta dallo standard IEC61400-1 riportante i casi di carico da dover considerare per il progetto di un aerogeneratore on-shore.

    a78Gjyb

    Tra i vari casi di carico mi voglio soffermare sui casi denominati DLC1.1 e DLC1.2, il primo relativo ad una verifica allo stato limite ultimo (U) ed il secondo per la verifica a fatica (F)

    E' indicato che occorre considerare velocità del vento alla quota Hub variabili tra la velocità di avvio e la velocità di arresto;

    Vin <vhub < Vout

    con la specifica:
    When a wind speed range is indicated in Table 2, wind speeds leading to the most adverse condition for wind turbine design shall be considered. The range of wind speeds may be represented by a set of discrete values, in which case the resolution shall be sufficient to assure accuracy of the calculation6. In the definition of the design load cases reference is made to the wind conditions described in Clause 6.

    e la nota:
    In general a resolution of 2 m/s is considered sufficient.

    Questo significa che dovremmo creare tanti modelli di vento turbolento NTM quante sono le velocità considerate nelle discretizzazione.

    Per esempio, se è Vin=4 m/s e Vout=24 m/s ed assumiamo una discretizzazione di 2.0 m/s allora dovremmo creare i modelli turbolenti relativi alla seguente serie di velocità:
    VHub= 4.0; 6.0; 8.0; 10.0; 12.0; 14.0; 16.0; 18.0; 20.0; 22.0; 24.0 m/s
    e per ciascun modello eseguire l'analisi.

    Nel caso di verifica a fatica servono tutte le storie di carico relative alle velocità che ho elencato ed è proprio qui che entrerebbe in gioco la distribuzione statistica di Weibull o di Rayleigh: In assenza di una distribuzione statistica a lungo termine non è possibile procedere ad una verifica a fatica.

    In Ashes è necessario eseguire più volte Turbism, salvare i risultati in un file *.wnd ed indicare ad Ashes i files da analizzare nel processo Batch?

    Una domanda: quale standard adotta attualmente Ashes?
     
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    CITAZIONE (Paul Thomassen @ 11/4/2016, 12:58) 
    Thanks for your very interesting review of Ashes.

    Thank you Paul for answers.

    I want to take the answers as a starting point for a discussion with Paul, but my English is too poor to be able to argue the discussion in that language.
    I expose in Italian and then I'll try to translate the essential.


    I propose again the Table 2 extracted from standard IEC 61400-1 "Design load cases" that we have to consider in the design of a wind turbine on-shore.

    a78Gjyb

    Among the various load cases I want to dwell on the cases referred DLC1.1 and DLC1.2, the first relating to Ultimate Limit State analysis (U) and the second for fatigue analysis (F)

    It has indicated that it is necessary to consider the wind speed at hub level variables between the start-up speed and shutdown speed;

    Vin <vhub < Vout

    with the specification:
    When a wind speed range is indicated in Table 2, wind speeds leading to the most adverse condition for wind turbine design shall be considered. The range of wind speeds may be represented by a set of discrete values, in which case the resolution shall be sufficient to assure accuracy of the calculation6. In the definition of the design load cases reference is made to the wind conditions described in Clause 6.

    and the note(6):
    In general a resolution of 2 m/s is considered sufficient.

    This means that we should create as many turbulent wind patterns NTM how many speeds considered in the discretization.

    For example,
    if Vin = 4.0 m / s
    Vout = 24.0 m / s
    and we assume a discretization of 2.0 m / s
    then we should create turbulent models of the following series of speed:
    VHub= 4.0; 6.0; 8.0; 10.0; 12.0; 14.0; 16.0; 18.0; 20.0; 22.0; 24.0 m / s
    and for each turbulent wind model run the analysis.

    In case of fatigue analysis is needed all load histories relating to speed that I have listed above
    and it is here that some statistical distribution (Weibull or Rayleigh) is required: In the absence of a statistical distribution in the long term it is not possible to proceed to a check for fatigue.

    In Ashes must be performed repeatedly Turbism, save the results to a file * .wnd and indicate to Ashes the files to be analyzed in the batch process?

    which standards currently adopted Ashes?
     
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14 replies since 7/4/2016, 06:46   775 views
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