comparison of ansys cfx and wasp for...

91
Technical University of Denmark Department of Mechanical Engineering Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani Master Thesis February 2009 MEK-FM-EP-2009-02 DTU Mekanik Fluid Mechanics

Upload: vanhanh

Post on 23-Jun-2018

265 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Technical University of Denmark

Department of Mechanical Engineering

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq

Marco PianigianiMaster ThesisFebruary 2009

MEK-FM-EP-2009-02

DTUMekanik

Fluid Mechanics

Page 2: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

1  

TABLE OF CONTENTS 

Introduction .................................................................................................................... 3 

1  Description of Sarfannguaq site ............................................................................. 5 

2  Wind measurements .............................................................................................. 7 

3  WAsP simulations .................................................................................................. 9 

3.1  WAsP results: 330°N wind direction ................................................................. 14 

4  CFD Simulations ................................................................................................... 16 

4.1  Turbulence model study: Askervein ................................................................. 16 

4.1.1  Simulation parameters ........................................................................... 18 

4.1.2  Results .................................................................................................... 21 

4.2  Roughness study: Sarfannguaq ......................................................................... 25 

4.2.1  Simulation parameters ........................................................................... 25 

4.2.2  Results simulations A,B and C (330°N wind direction) ........................... 32 

4.2.3  Roughness comparisons ......................................................................... 37 

4.3  Simulation D (300°N wind direction, k‐ε, 0.03m roughness) ........................... 40 

4.4  Simulation E (120°N wind direction, k‐ε, 0.03m roughness) ............................ 42 

4.5  Simulation F (90°N wind direction, k‐ε, 0.03m roughness) .............................. 45 

5  Comparison WAsP vs CFD .................................................................................... 48 

5.1  330°N wind direction ........................................................................................ 48 

5.2  300°N wind direction ........................................................................................ 53 

5.3  120°N wind direction ........................................................................................ 56 

Page 3: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

2  

5.4  90°N wind direction .......................................................................................... 60 

5.5  WAsP “prediction error” and site ruggedness .................................................. 65 

Conclusion .................................................................................................................... 70 

A.  Appendix: WAsP wind speed profiles. .................................................................. 72 

B.  Appendix: CFD wind speed profiles 330°N direction. ............................................ 75 

C.  Appendix: Roughness comparisons. ..................................................................... 77 

D.  Appendix: Comparison WAsP vs CFD .................................................................... 78 

E.  Appendix: Wind roses and distribution. ............................................................... 87 

F.  Appendix: Comparison WAsP vs CFD (300°N wind direction) ............................... 88 

References .................................................................................................................... 89 

 

 

 

 

Page 4: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

3  

Introduction 

Environmental issues, increasing oil prices and huge distribution cost for energy have initiated an 

investigation of  local energy  resources  for  the  small  settlements  in Greenland. Because of  this, 

wind  resource  measurements  has  been  recorded  since  2003  in  several  locations  all  over 

Greenland. The goal of these measurements was to assess the wind resource for those locations 

in order to evaluate the possibilities of supplying renewable wind energy for covering part of the 

demand. 

This paper deals with one of these  locations, Sarfannguaq, a small village  located 43 km east of 

Sisimiut. For this location wind measurements are available for five years, from August 2003 until 

March 2008.  

The software used  in previous studies for the estimation of the wind resource  in Sarfannguaq  is 

WAsP (the Wind Atlas Analysis and Application Program, developed at Risø National Laboratory, 

Roskilde, Denmark, in the late 1980s). WAsP is a software for predicting/estimating wind climates, 

wind  resources and power productions  from wind  turbines. The predictions are based on wind 

data measured at stations in the same region.  

WAsP  model  for  flow  over  orography  is  simple,  very  quick,  and  accurate  in  flat  to  mildly 

undulating  terrain.  However,  it  performs  poorly  when  applied  to  complex  orography:  slopes 

steeper  than about 30%  lead  to  flows  that violate  its basic assumptions, especially  in  terms of 

flow  separation,  and  thus  discrepancies  arise  between  the  predicted  and  actual  flow 

perturbations, most notably the speed‐up.  

In Sarfannguit the terrain orography  is complex and WAsP may be used for estimating the wind 

resource and choose the best  location for wind turbine, taking  into account that  it may perform 

poorly. Some methods  to  take  into account prediction errors have been developed  in  the past 

years. One of these methods was  introduced  in a previous study on a Portuguese wind farm by  

Mortensen and al.[1]. In that study a general relation between the ruggedness of the terrain and 

the prediction error has be found for that area. In order to find a relation and using it to correct 

the WAsP estimations, Mortensen and al. used five met masts and wind speed cross‐predictions. 

Plotting the prediction errors versus the orographic performance indicators (∆RIX, defined as the 

difference  in  percentage  between  the  predicted  and  reference  site  ruggedness)  for  20  cross‐

predictions and 5 self‐predictions, they noted that these points approximately lie on a logarithmic 

curve.  

Page 5: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

4  

Unfortunately, only one met mast  is  available  in  the  area  in question  and  therefore  the  same 

error estimation method cannot be applied. However, the WAsP model reliability in the area can 

be  improved  by  CFD  simulations  and  comparisons  between  the  CFD  and  WAsP  wind  speed 

estimations. 

This report starts with a brief presentation of the  location of study, Greenland and Sarfannguaq, 

then  the wind data are  introduced and a climate analysis  from  these data using WAsP Climate 

Analyst is made for the area surrounding Sarfannguaq (area of about 100 Km2). From the obtained 

climate data wind speed estimations are made from WAsP  in some points of the domain, which 

will be used for creating fictitious wind atlases. From these wind atlases   new WAsP simulations 

are made and wind speed profiles are extracted  for  the comparisons.  In  fact,  the main  issue  in 

comparing CFD and WAsP  results  is  that WAsP works with all wind direction at  the same  time, 

whereas a CDF simulation only deal with one wind direction for each simulation. In fact, the main 

issue  in comparing CFD and WAsP results  is that the  latter works with all wind directions at the 

same time, whereas CFD only deals with one wind direction per simulation. This issue is treated in 

this  report  by  making  WAsP  work  with  only  one  wind  direction  each  time.  The  method  is 

illustrated  later. Not all directions are studied, however: only  the  four main wind directions are 

analyzed in depth. After obtaining the WAsP estimations, the study goes on with CFD simulations, 

using wind data estimations from WAsP for the boundary surfaces as inputs. This is done in order 

to have the boundary conditions as similar as possible in both kinds of simulations. After that, the 

results  from WAsP and CFD simulations, made with Ansys CFX, are compared. Comparisons are 

made  for  wind  speed  profiles  at  different  locations  in  the  domain  and  for  different  wind 

directions. 

The aim of this paper is to compare the results from CFD and from WAsP simulations, taking into 

account  the  known  problematic  of WAsP  in  predicting wind  resources  in  complex  terrain,  the 

complexity  and  the  computational  expense  (requiring  several  hours  on  supercomputers  for 

completion) of realizing a CFD simulation and the uncertainties for both of them. Moreover, the 

possibility  of  using  CFD  simulations  in  site  poor  of  wind  measured  data,  for  improving  the 

knowledge about WAsP prediction error‐ruggedness relation has been evaluated. 

 

 

Page 6: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

5  

1 Description of Sarfannguaq site 

 Greenland  is  the biggest  island  in  the world.  It  stretches  from Nunap  Isua  (Kap  Farvel)  in  the 

south at 59°46. N  lat  to 83°40. N  lat. The polar  circle  crosses  the  country at 66°33. N  lat. The 

country covers an area of 2,175,600 km2. Only about fifteen percent of the country is free of ice; 

the rest is covered by the world’s second largest ice sheet: the inland ice. Greenland is located in 

the Arctic, which means that the average 

temperature  in  the  summer  is  never 

over  10°C.  The  permafrost  makes  only 

the  top  layers  of  soil  thaw  in  the 

summer.  Furthermore,  the  country  has 

little rainfall and no forests but only little 

brush and bushes (maximum man height 

in south Greenland). The country can be 

divided  into  subarctic,  low‐Arctic  and 

high‐Arctic  climate  zones.  The  lowest 

precipitation  levels  are  in  North 

Greenland, where  there  is  arctic  desert 

in some areas. South Greenland receives 

more precipitation, and  is fertile enough 

for  limited  agriculture.  Several  systems 

of  sea  currents  meet  in  Greenlandic 

waters.  They  influence  the  temperature 

and  salt  content  of  the  sea.  In 

Greenland,  the  different  transportation 

means  are  mainly  planes,  ships,  dog 

sledges and snow scooters.  

 

Sarfannguaq (also Sarfannguit/Sarfánguaq) is a settlement in the Municipality of Sisimiut (100 km 

north from the polar circle,  it counts 5968  inhabitants). Sarfannguaq (meaning "the  little current 

point")  lies 43 km east of Sisimiut at  the  foot of  the Amerloq Fjord and  is situated on an  island 

close to the mainland. The settlement was established in 1843 as a cod fishing station and in 1850 

became a trading station equipped with a dwelling house, staff house and blubber house.  

Figure 1‐1 Map of Greenland.

Page 7: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

6  

In the below figure a red circle points Sarfannguaq and a yellow rectangle points Sisimiut. 

 

Figure 1‐2 Stellite image of Sarfannguaq. 

The  image below  is a view of Sarfannguaq,  the picture shows  the  locations of  the harbour,  the 

actual power plant (diesel generator) and the meteorological mast. 

 

Figure 1‐3 View of the Sarfannguaq area. 

Harbour  Power Plant

Mast 10m 

Page 8: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

7  

2 Wind measurements 

Wind data is measured by a meteorological station located on a local hill (about 76m a.s.l.)  above 

the settlement with free inflow from all directions, except for the western, which is dominate by 

peaks. All other directions are dominated by a mixture of water and lower peaks. 

The meteorological data in terms of wind speed and wind direction at 10 m height, are recorded 

as 10 minute statistics with a standard NRG‐system data‐logger. The measurement campaign was 

initiated in July 2003. 

 

Figure 2‐1 Meteorological mast seen from the sea towards N. 

There are wind measurements available  for  five years,  from August 2003 until March 2008, but 

some of them are missing and because of this the statistical quality is not very good. In fact only 

124,304  records  are  available,  which  means  863  full  days.  The  table  below  shows  the  time 

distribution of the measurements. 

Count:  124,304  21,163  29,638  19,039  43,915  10,549 

Start time:  01/08/2003  01/08/2003 01/01/2004 15/08/2006 01/01/2007  01/01/2008

End time:  22/03/2008  01/01/2004 05/08/2004 01/01/2007 01/01/2008  22/03/2008

Table 2‐1 Wind data time distribution. 

The wind data has been downloaded from [2]. 

This data  is  studied using WAsP Climate Analysis, a program which performs analyses on  time‐

series of meteorological data.  

Page 9: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

8  

The images below show the wind rose and the fitted wind speed distribution at  the met mast. 

 Figure 2‐1 Wind rose and distribution 

The predominant directions at the mast are 90°N, 120°N, 300°N and 330°N, the speed distribution 

is characterized by low values (the mean velocity is 6 m/s).  

The table below shows the distribution parameters for all wind directions, the highest wind speed 

belongs  to  the  330°N  sector  (7.42m/s)  and  the  highest  frequency  is  for  the  direction  300°N 

(21.7%). The lowest mean speed is for the directions 300°N (2.04m/s) and the lowest frequency is 

for the direction 0°N  (1.4%).  In general the  less windy sectors are these between 0°N and 60°N 

and between 150°N and 270°N. 

  0  30  60  90  120  150  180  210  240  270  300  330  All 

A  2.7  2.2  5.1  7.4  8.3  4.7  1.7  2.7  5.0  4.7  6.7  8.3  6.8 

k  1.03  1.28  1.28  2.25  2.47  1.51  0.82  1.09  1.88  1.29  1.97  2.90  1.97 

U  2.66  2.04  4.72  6.54  7.33  4.24  1.85  2.63  4.46  4.38  5.90  7.42  6.01 

E  64  18  225  293  384  125  41  54  111  180  244  359  258 

f  1.4  1.6  5.0  13.9  15.8  6.8  1.5  1.6  6.1  7.8  21.7  16.7  100 

Table 2‐2 Wind distribution parameter for all the directions 

Page 10: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

9  

3 WAsP simulations 

WAsP  is  a  software  for  predicting/estimating  wind  climates,  wind  resources  and  power 

productions from wind turbines. The software is based on the wind atlas methodology, which was 

used  initially  for  creation  of  the  European  Wind  Atlas.  WAsP  generates  what  is  called  an 

observational  wind  atlas.  The  observed  wind  climates  are  thus  representative  for  specific 

locations and heights above ground  level, so  in order to be able to predict the wind climate at a 

given  wind  turbine  or  wind  farm  site  the  observed  wind  climates must  be  transformed  into 

generalised  regional  wind  climates.  The  observed  wind  climates  contain  the  wind  speed  and 

direction  distributions  derived  from  long‐term  time‐series  of  wind  speed  and  direction 

measurements at the meteorological stations. Inputting detailed descriptions of terrain elevation, 

land‐use  and  the  presence  of  sheltering  obstacles  around  each  meteorological  station,  the 

observed wind climate is transformed into what would have been measured at the location of the 

station if the surroundings were completely flat, featureless and with a homogeneous surface and 

the measurements had been taken at 10, 25, 50, 100 and 200 m a.g.l. Through this procedure, the 

observed  wind  climate  is  freed  from  the  influence  of  local  topography  to  become  regionally 

representative.  The  results  in  an  observational  wind  atlas  are  given  in  the  form  of  detailed 

statistics  of  the  generalized  wind  speed  and  direction  distributions  for  the  locations  of  the 

meteorological stations. These data sets may then be used as  inputs to the application process, 

whereby  the  same models  are  used  in  reverse  to  transform  the  regional wind  climate  to  the 

predicted wind climate at any specific site and height. 

As  it  is  known, WAsP performs poorly when  applied  to  complex orography.  This  case  study  is 

referred to a complex terrain, in the table below is the ruggedness index in the area surrounding 

the met mast within a  radius of 400m. The average  for all  the direction  is 21.1%, which means 

that the 21.1% of the terrain surrounding the mast is steeper than 33% (slope 0.3).  

 

Table 3‐1 WAsP site effects. 

Page 11: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

10  

The  table above  shows  the  roughness, obstacles and orography effects at  the met mast  for all  

directions.  The  reported  differences  are  referred  to  the  regional  wind  climate,  calculated  by 

removing all the local topography effects and then calculating the wind atlas.  

Note that the WAsP domain  is an area of about 100 km2, whereas the CFD domain  is an area of 

about 1.5 km2. This  is because we want  to  investigate and compare  the wind  speed profiles  in 

details only  the area  surrounding  the mast, where obtained  results  from both programs are as 

reliable as possible  (for WAsP makes  sense working with a high  resolution map within an area 

around  the mast of  radius 100  times  the height of  the mast, after  that distance  the more  the 

distance, the less the reliability of the results). 

The maps below  show  the  location of  the met mast along with  the orography  (first one)   and 

roughness effects  (second one) on the wind rose evaluated by WAsP.  In  fact, WAsP calculates a 

regional wind climate, using the measured time‐series data, and then it applies that to the site to 

predict wind  resources.  In  the  images below,  the green  colour  covers an  increase of  the mean 

wind speed, the red colour covers a decrease of the mean wind speed. As shown all sectors are 

affected by a speed‐up due to the orography and some of them also by the roughness effects. 

 

Figure 3‐1 Met mast location and orography effects on the wind rose. 

 

Page 12: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

11  

 

Figure 3‐2 Met mast location and roughness effects on the wind rose. 

The image below shows the energy density rose. As shown, the wind main directions are equal to 

the energy density main directions, only with a few differences. The rose indicates the percentage 

of  energy density for each direction and the other image the energy density distribution. 

 

Figure 3‐3 Energy production rose and distribution. 

 

Page 13: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

12  

In order to compare the results from WAsP with those from Ansys CFX, different simulations for 

different wind directions are made. In fact the main issue in comparing the two programs is that 

WAsP works  all wind directions  at  the  same  time, whereas  in  a CFD  simulation only one  flow 

direction can be chosen each time. Hence the study  is split  into parts, each of them referring to 

only  one  wind  direction.  Four  WAsP  simulations  are  made  to  overcome  this  problem.  The 

simulations are made only for the main wind directions and for each of them the wind input data 

(time‐series) used are not the measurements from the met mast, but fictitious values instead, in 

order  to  consider  only  one  direction  each  time.  In  fact,  for  having  the most  similar  boundary 

condition in WAsP and in Ansys CFX, only one wind direction for each simulation is used as input. 

That is done creating a fictitious observed wind climate (using the fictitious time‐series data) and 

setting a fictitious met mast at the border of the domain for calculating a regional wind climate 

for each of the directions.  

Here, the method is explained thoroughly: 

1) For each of the four directions of interest, use the WAsP model to obtain the mean wind 

speed at 10m in the furthest point in that direction, constrained to the CFD domain. The 

image below shows the predicted wind roses at 10m for all the furthest point within the 

domain and for all the directions. From each wind rose we take the mean wind speed for 

the particular direction. For example for the 300°N direction the furthest point within the 

domain  is the point marked with number 11, from that wind rose the wind mean speed 

for 300°N direction is taken.  

 

Figure 3‐4 Predicted wind roses. 

11  12

4

5

Page 14: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

13  

2) Create  four  observed wind  climate  files  based  on  the  previously  obtained mean wind 

speed at 10m. The observed wind climate are made using fictitious wind measurement, in 

fact the wind data input is formed by a series with only one direction and one wind speed. 

The image below shows the fictitious observed wind climate for the 330°N direction. 

 

Figure 3‐5 Fictitious wind atlas for 330°N wind direction. 

3) Run four simulations, each based  in one of the four wind atlases, that created from the 

fictitious observed wind climate for each direction. The met mast is located at the point of 

the domain where the wind mean speed is extracted. These simulation will be compared 

with the CFD results. The four cross predictions (estimating the wind speed at the original 

met mast using the fictitious met masts and WAsP simulations) show an underestimation 

of the mean wind speed between 3% and 18%. 

Also the wind speed for the boundary conditions of the CFD simulations are extracted from these 

four WAsP simulations. 

Here  the  wind  speed  profiles  for  the  330°N  direction  calculated  by WAsP  are  shown  as  an 

example. The same working method is applied to the other directions and the results are shown 

in the appendix A.  

 

Page 15: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

14  

3.1 WAsP results: 330°N wind direction The direction analysed  in this section  is 330°N and  it  is the only one shown and explained  in the 

report.    The WAsP  wind  profiles  are  obtained  along  the  line  passing  by  the met mast  with 

direction  330°N.  Sections  are  taken  every  50m  close  to  the mast  (up  to  250m  from  it,  both 

upstream and downstream), whereas at  larger distance  from  the mast  there are sections every 

100 or 150m  (100m  is for this direction and 150m for the other three directions). The height of 

the profiles is 500m, even if WAsP results for speeds are not fully reliable at heights above 100m. 

Because of this the comparison with the CFD risults will take into account only this athmospheric 

layer. 

The WAsP wind speed profiles are extracted using the utility script “turbine site transect”, which 

provide  wind  speed  information  along  a  selected  direction,  for  a  selected  height  above  the 

ground, for a selected spacial gap and for a total lenght of the transect. 

The  images below show the wind speed upwind (first  image) and downwind (second  image) the 

mast. 

 

Figure 3‐6 WAsP wind speed profiles upwind the mast. 

Note the first two profiles are very similar to each other and they are located above the sea, the 

third one is located just after the high roughness area of the Sarfannguaq village. 

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 2 4 6 8 10 12

(m)

Wind speed (m/s)

Wind  speed profiles upwind the mast (330°N)

WAsP upstream 450m

WAsP upstream 350m

WAsP upstream 250m

WAsP upstream 200m

WAsP upstream 150m

WAsP upstream 100m

WAsP upstream 50m

WAsP mast

Page 16: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

15  

 

Figure 3‐7 WAsP wind speed profiles downwind the mast. 

Note  the  highest  speed‐up  is  located  at  the mast  site  at  about  10m  above  the  ground  level. 

Moreover at  the  site 250m downwind  the mast WAsP  shows a profile quite different  from  the 

other  ones,  at  this  site  there  is  a  roughness  and  slope  change  (it  is  the  site where  the wind 

approaches the sea after the downhill slope). The WAsP simulations for the other directions show 

a similar behaviour wherever there is a roughness and slope change on the surface. 

 

 

 

 

 

 

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 2 4 6 8 10 12

(m)

Wind speed (m/s)

Wind speed profiles downwind the mast (330°N)

WAsP mast

WAsP downstream 50m

WAsP downstream 100m

WAsP downstream 150m

WAsP downstream 200m

WAsP downstream 250m

WAsP downstream 350m

WAsP downstream 450m

WAsP downstream 550m

Page 17: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

16  

4 CFD Simulations 

The goal of this study is to compare the results obtained by WAsP and Ansys CFX for the four main 

directions.  In a CFD  simulation  the  information on boundary  conditions  is necessary and  some 

parameters have to be set . The  information we have about Sarfannguaq are contour‐line maps, 

some  pictures  and  a  orthophoto.  The  other  parameters  required  by  the  CFD  simulations  of 

Sarfannguaq are  the  turbulence model and  the  roughness values of  the area. Two  introductive 

studies are made for choosing turbulence model and roughness. 

Regarding the roughness of the area, a brief analysis is done for one wind direction, studying the 

influence  of  this  parameter  on  the  wind  speed  profile.  Simulations  are made  for  the  330°N 

direction  for  three  different  roughness  values.  These  simulations  are  illustrated  in  the  relative 

section. 

Regarding the turbulence, choosing a turbulence model  is quite complicated  in a case study  like 

this, where there is measured data in only one location and hence comparisons between different 

turbulence models  may not be done for other points of the domain. This issue may be dealt with 

using a sensitivity analysis, but in this study the objective of the CFD simulations is obtaining quite 

sure  results  for  comparing  them  with  the  WAsP  estimations.  Hence  we  decided  to  use  as 

reference a previous CFD study regarding Askervein. The wind behavior at this location has been 

monitored  and  studied  in depth  in  the past  years  and  the  general  conditions  (complex  terrain 

formed by an isolated hill) are quite similar to Sarfannguaq. Because of this, CFD simulations are 

made, for comparing the results with the measurements and for choosing a turbulence model.   

 

 

4.1 Turbulence model study: Askervein Askervein is on the west coast of the island of South Uist in the Outer Hebrides of Scotland, it is a 

smooth  hill with  an  interesting  topography:  the  hill  has  a  quite  simple  geometrical  shape  and 

resembles an ellipsoid. The hill has minor and major axis of 1,000 and 2,000 meters respectively, 

the height of the top point is 126 m. 

 Askervein is the most complete field experiment site to date; with 50 towers deployed, out of 50 

towers 27 were equipped with three component turbulence sensors. 

Page 18: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

17  

 Figure 4‐1 Contour map showing the topography of Askervein Hill. 

Askervein hill has been extensively measured  in‐situ  in the past years, providing the  ideal frame 

work for the validation of computational models. 

A  previous Msc.  project  about Askervein  hill  is made  by Naeem Memon  and Venkata Ratnam 

Kondreddi [4]. The objective of that study was to simulate the flow over the complex terrain by 

using  different  turbulence  models.  These  simulations  have  been compared  with  the  field 

experimental  results  from  [5]  and  also  with  the  results  from  simulations  conducted  by    Karl 

J.Eidsvik [6]. Three turbulence models have been selected for that purpose: K‐ ε model, K‐ω model 

and Shear Stress Turbulence (SST) model. 

The objective of this turbulence model study is to repeat some of the simulations (using Ansys CFX 

11) conducted in [4] (using Ansys CFX 5.7.1) and to analyze the results obtained in order to choose 

a turbulence model for the Sarfannguaq simulations.   In particular, the simulations are repeated 

using  three  turbulence models  (k‐ ε, K‐ω and SST) and  to compare  the  results  to  the measured 

data and to the ones found by Eidsvik in [6]. 

 

Page 19: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

18  

4.1.1 Simulation parameters 

In order to repeat the simulation made  in [4], the same  inlet, boundary conditions and meshing 

parameters were used. 

Because of the big dimension of the domain, the simulation is realized with a scaled model (scale 

factor    1:10).  In  order  to  have  the  same  Reynolds  number  every  length  is  divided  (in  each 

direction) by a factor of 10 and every velocity is multiplied by the same factor. 

The Reynolds‐Averaged‐Navier‐Stokes  (RANS)  equations  and  the  continuity  equation  are  used, 

the  turbulence models are the standard k‐ε, K‐ω  and the SST. 

 

 

4.1.1.1 Geometry and Mesh 

The topographical data of Askervein (*.dat file which consist of a grid of the xyz coordinates of the 

hill with 30 m of  resolution)  comes  from  [4]  . Naeem Memon  and Venkata Ratnam Kondreddi 

received the data from Niels.N. Sørensen of Risø [7], that data was originally extracted from a full‐

scale field experiment. Topographical data are available for a rectangular terrain of almost 2,600 x 

3,300m. 

This data is a *.dat file and it has been imported in Rhinoceros 4.0 in order to obtain a, so called, 

3‐D  points  cloud.  After  that,  using  a  special  plug‐in,  called  Point  Cloud  (utility  developed  by 

Synecode),    all  the points of  the  grid  are  interpolated  and  the  smooth  surface of Askervein  is 

created.  

After obtaining a smooth surface, it has been extruded in z‐direction to create a solid (the height 

of  extruding  is  1,000m)  and  then  the  solid  is  again  exported  like  *.iges  file  and  subsequently 

imported in Gambit (meshing software for Fluent). 

Hence the solid is meshed using Gambit, which is able to realize a more accurate mesh than CFX‐

Mesh. The mesh is realized following the advice from the preview report.  

Near the wall there are 35 inflated layers, the first layer is 0.049m, the expansion factor is 1.5. We 

set in the vertical edge the spacing between each center cell to 4m, at the bottom we realized a 

grid of 150 x 150 elements (each element is about 2.2 x 1.73 m).  

Page 20: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

19  

At the end we have a meshed solid formed by 1,270,000 hexahedral elements. The mesh quality is 

good  (minimum  orthogonality  angle  =  45.6°  ,  maximum  aspect  ratio  =  90,393  ,  maximum 

expansion  factor  =  5.7),  the  high  value  of  the  parameter maximum  aspect  ratio  is  due  to  the 

boundary layers near the wall. In fact in this zone of the domain the cells are very thin and the xy 

surface is the same of all the other cells (about 22 x 17.3 m).  

 

Figure 4‐2 Meshed solid. 

 

 

4.1.1.2 Boundary Condition: Inlet 

The wind direction taken equals to 210° , measured with respect the North , approximately along 

the line A. Wind speed at the reference site was 8.9 m/sec at 10m above the ground, whereas the 

roughness length (z0) was 0.03m for the entire terrain. 

Page 21: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

20  

 Figure 4‐3 Diagram Representing Velocity vectors 

· cos  

· sin  

 The theoretical velocity profile is shown below. 

 Figure 4‐4 Theoretical Velocity Profile at inlet. 

ln   

Where 

U* = Frictional velocity=0.61m/s 

k= Von Karman coefficient =0.40 

z = Height above ground 

z0=0.03m 

Page 22: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

21  

4.1.1.3 Other Boundary conditions 

The inlet was specified according to the profile discussed above: we consider as inlet both sides of 

the domain in directions x and y (in each side we set Vsx and Vsy). The outlet was considered fully 

developed  (in Ansys CFX  at  the outlet  is  set  a  static pressure)  and  the  terrain of  the  site was 

modeled according to the rough wall version of logarithmic law of wall; symmetry condition was 

applied for the top boundary of the domain. 

 

Figure 4‐5 Boundary conditions. 

 

 

4.1.2 Results 

Data is visualized and analysed for the first time in Ansys CFX‐Post; and is subsequently exported 

for further elaborations in Excel.  

The first analysis regards the wind speed in two planes. The first plane is parallel to the surface of 

the terrain at 10 m height. The second one is the vertical plane including the line A. The speed is 

represented with stream lines in the first plane and with coloured arrows in the second one. 

Page 23: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

22  

In  the  figure  below  is  shown  the  velocity  in  the  horizontal  plane.  Note  the  two  recirculation 

regions at the lee side of the hill and the increasing of the speed at the top of the hill.  

 

Figure 4‐6 Stream lines on the plane parallel to the terrain.  

The values of velocity and the values of the length are scaled, in order to read the real values on 

the figure, you have to divide the velocity by 10 and multiply the length by 10.  

The  figure below  shows  the wind  speed  in  the vertical plane  including  the  line A.  It  shows  the 

speed  increase at  the  top of  the hill and  the speed decrease  in  the  lee side and, as well as  the 

direction  change  in  the  recirculation  region.  In  fact,  the  figure  shows  the  different  arrows 

direction beyond the hill, close to the ground level.  

The recirculation region is described by this two planes in the horizontal and vertical direction.  

Page 24: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

23  

 

Figure 4‐7 Velocity vector in the vertical plane. 

The following analysis regards the wind speed along the line A at 10 m. In the following page the 

results  obtained  from  the  simulations  are  compared with  a  few measured  data  and with  the 

results from Karl J.Eidsvik [6]. The compared property is the speed‐up, defined like: 

 

The  results  from Eidsvik  [6] are used as  reference  for  the  zone between wind  speed measured 

points. 

In  the  figure below are showed  the different speed‐up  for each  turbulence model,  for  the   Karl 

J.Eidsvik’s results from [6] and for the measured data. 

It shows that the three turbulence models have very similar behavior until 100m upwind the hill 

top, after that point relevant differences are present. 

 

Page 25: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

24  

 

Figure 4‐8 Comparison of speed‐up values along line A. 

The k‐ε model  is  in good agreement with experimental data both on upwind and downwind the 

hill top. It has very good behavior all over the line A. It may have some discrepancies in the zone 

not covered by measurements after the last measurement taken at 400m downwind the hill top. 

The SST model is predicting reasonable results upwind, but probably at the top and in the lee side 

the results are far from the real behavior. The agreement is good until 100m upwind the hill top, 

then  this  turbulence model  underestimates  at  the  hill  top  and  it  seems  to  overestimate  the 

recirculation region and underestimate the wind speed in the lee side.  

The K‐ω  turbulence model follows the measured data until 100m downwind the hill top and then 

it  underestimates  the  recirculation  zone  and  it  overestimates  the  wind  speed.  After  700m 

downstream  the hill  top  this  turbulence model produces  result  in good accordance with  those 

from Eidsvik [6]. 

Considering  the  results  from  these  simulations  and  taking  into  account  the  dimension  of  the 

Sarfannguaq domain, the k‐ε turbulence model is chosen for the following simulations. 

 

‐1

‐0.8

‐0.6

‐0.4

‐0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

‐1000 ‐800 ‐600 ‐400 ‐200 0 200 400 600 800 1000

Speed up

Dist long line A

EXP

Eidsvik

SST

K‐epsilon

k‐omega

Page 26: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

25  

4.2 Roughness study: Sarfannguaq After choosing a turbulence model, the roughness issue is taken into account. 

The 330°N wind direction is chosen for the study regarding roughness because it has the second 

frequency value (16.7%), the highest mean wind speed (7.42 m/s) and  it  is the most affected by 

the high roughness of the village of Sarfannguaq. 

Different  roughness area are  located at  the bottom of  the domain,  the  sea  roughness  is  taken 

0.00001m  according  to  the  result  obtained  studying  the  logarithmic wind  speed  profile  from 

WAsP wind atlas. In WAsP, roughness for the water surface is set to 0m roughness, but studying 

the profiles obtained  from  the wind  atlas  it  is possible  to  fit  them  into  a  logarithmic  function. 

Following this function the wind speed becomes zero at 0.00001m. The roughness on the area of 

the  village  of  Sarfannguaq  is  taken  0.3m  (shelter  belts)  in  accordance  to  the  report made  by 

Mortensen [9] and consulting the roughness classes of the European Wind Atlas [10]. The other 

terrain roughness is taken 0.03m (farmland with very few buildings) according to the report above 

mentioned and looking at the orthophoto of the area.  

 

 

4.2.1 Simulation parameters 

Because of  the domain’s  large dimension,  the  simulation  is  created with a  scaled model  (scale 

factor    1:10).  In  order  to  have  the  same  Reynolds  number  every  length  is  divided  (in  each 

direction) by a factor of 10 and every velocity is multiplied by the same factor. 

The Reynolds‐Averaged‐Navier‐Stokes (RANS) equations and the continuity equation are used, the  

turbulence model is the standard k‐ε, as chosen from the Askervein simulation. 

 

 

4.2.1.1 Geometry 

The geometry of the simulation  is the terrain and the sea surface surrounding Sarfannguaq. The 

geometry is formed by two hills and a little island between the two hills. The highest point of the 

domain measures 118 m. 

The figure below is an orthophoto of the area in question. 

Page 27: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

26  

 

Figure 4‐9 Orthophoto of the area. 

The data is obtained from the Arctic Technology Centre at DTU. This data consists in maps of the 

area  (dimension  about  1520  x  910m).  The  first map  is  a  *.dwg  file  and  is  shown  below.  The 

resolution is 0.5m contour‐line. 

Figure 4‐10 Map *.dwg of the area. 

 

Page 28: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

27  

The second map is in *.tab format (MapInfo).  

Using MapInfo Professional 8.5 the original map is elaborated and a new map formed by points is 

obtained. For doing this, points are extracted from the polylines representing the contour‐line of 

the map. 

 This new map  is elaborated again  in order to obtain an equispaced grid of points. In fact points 

obtained by polylines have a such special distribution, they are not usable for obtaining a smooth 

surface. This new grid is made interpolating the original points and creating a thematic map.  

The figure below shows the thematic map. 

 

Figure 4‐11 Thematic elevation map of Sarfannguaq. 

Using  the  thematic map  and  the MapInfo’s  utility Vertical Mapper,  finally,    a  grid  of  points  is 

obtained. This grid is exported in *.txt file and subsequently imported in Rhinoceros 4.0.  

Using Rhinoceros 4.0  the 3‐D point  cloud  is drawn. After  that, using  the previously  introduced 

utility Point Cloud (Synecode), a smooth surface is created.  

The figure below shows the 3‐D points cloud. 

Page 29: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

28  

 

Figure 4‐12 3‐D point cloud. 

After obtaining a smooth surface, it is necessary to split it into many faces for setting the different 

roughness  values  in Ansys CFX.  Then whole  the  surface  is  extruded  towards  the  z‐direction  to 

obtain a solid (the height of extruding is 500m). Before exporting this solid like *.iges file, it has to 

be scaled because Ansys CFX has a dimension limitation. The maximum dimension for a domain is 

a cube of 1000m each edge and centered in the origin. 

 

Figure 4‐13 The solid obtained from Rhinoceros. 

Page 30: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

29  

4.2.1.2 Mesh 

The *.iges file is imported in Gambit for being meshed.  

The mesh characteristics are the following : the bottom surface mesh is made using a quad‐pave 

function, which  creates about 14,000 elements; near  the bottom  there are 12  inflated  vertical 

layers, the first layer is 0.005m high, the expansion factor is 1.2; in the vertical edge the cell height 

is 1.8m and a rate factor of 1.08 is applied. In order to obtain a volume mesh a hex\wedge setting 

with Cooper function is used.  

At the end, a meshed solid formed by 589,000 hexahedral elements is obtained. The mesh quality 

is good (minimum orthogonality angle = 17° , maximum aspect ratio = 50.3 , maximum expansion 

factor = 9.7),  the  low value  for  the minimum orthogonality angle  is due  to  the bottom  surface 

mesh. In fact,  it  is not possible to make a rectangular grid because there are faces with  irregular 

shape and, because of this, the pave option is used (quadrilateral and triangular elements). 

 

Figure 4‐14 Mesh of the domain. 

 

 

 

Page 31: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

30  

4.2.1.3 Boundary condition : Inlet 

The wind direction for these simulations regarding the choice of roughness is 330°N. For the other 

simulations (D, E and F), wind directions take into account change among 90°N, 120°N, and 300°N, 

so each simulation has a different inflow.  

The  inlet  velocity  for  the CFD  simulations  is obtained  from WAsP using  the  fictitious observed 

wind  climate.  The method  for obtaining  the wind  predictions  for  the  four main directions has 

already been illustrated in the WAsP section. Here the successive step to the previous three ones 

for obtaining the wind speed all over the inlet boundary faces is described: 

4) Extract from the WAsP model the mean wind speed at every points of the boundary for 

the simulated direction. That is done by using the utility script “turbine site vertical slice” , 

which  creates  a  vertical  grid of points  for  a  selected direction  starting  from  a  selected 

point.  In  this case we  set  two corner points  in  the domain  (north‐west and  south‐east) 

and we used the 90°N and 180°N slice directions for the 330°N and 300°N wind directions 

and  the  0°N  and  270°N  slice  directions  for  the  90°N  and  120°N wind  directions.  The 

resolution of the grid is 10m. The grid can be imported in SAGA, subsequently exported as 

*.xyz file,  it can then be open  in Excel and elaborated on creating the  inlet file for Ansys 

CFX.  

The  image below  shows  the domain with  the  inlet condition  for  the 330°N wind direction. The 

image concerns the velocity in the u‐direction. 

 

Figure 4‐15 Inlet 330°N wind direction. 

Page 32: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

31  

4.2.1.4 Boundary condition : Sea and land surfaces 

The bottom boundary condition  is set as a wall, as mentioned above.  In this section the various 

roughness zones are shown. The first image concerns the high roughness zone, where there is the 

village of Sarfannguaq. Here  the  roughness  is 0.3m.  In  the  simulations  the used value  is 0.03m 

because of the scale question. 

 

Figure 4‐16 High roughness zone. 

The other terrain zone  is shown  in the  image below.  In that area the roughness changes for the 

different simulations. The main value is 0.03m, but 0.01m and 0.05m are used. In the simulations 

the used values are 0.003m, 0.001m and 0.005m because of the scale question. 

 

Figure 4‐17 Low roughness zone. 

Page 33: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

32  

The  left  part  of  the  bottom  surface  is  sea,  in  this  area  the  roughness  is  0.00001m.  In  the 

simulations the used values are 0.000001m. 

 

Figure 4‐18 Sea zone. 

 

 

4.2.1.5 Other Boundary Conditions 

The  other  boundary  conditions  applied  are  the  outlet  in  front  of  the  inlet  condition  and  the 

opening  at  the  top  boundary  of  the  domain.  In  case  of  a  90°wind  direction  the  symmetry 

condition is applied to the lateral faces perpendicular to the flow. 

 

 

4.2.2 Results simulations A,B and C (330°N wind direction) 

In order  to  choose a  roughness  for all  the wind directions,  three  simulations are made  for  the 

330°N wind direction,  the  simulation A  (0.01m  roughness),  the  simulation B  (0.03m  roughness) 

and  the  simulation C  (0.05m  roughness). The  image below  shows  the domain and  some  speed 

profiles along the line crossing the mast and towards the wind direction for the simulation B. 

All  three  simulations  have  a  very  similar wind  speed  profile.  Because  of  this,  only  the  figures 

regarding the CFD simulation A are shown. All the other wind profiles are in the appendix B. 

Page 34: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

33  

 

Figure 4‐19 View of the domain with some wind speed profile from Ansys CFX. 

In the figure below the wind intensity and direction are shown on a surface at 5m a.g.l. This is the 

wind direction in the sea zone between the two hills, the air flow along the coastline and a lot of 

recirculation zones in whole the domain.  

 

Figure 4‐20 Wind speed distribution at 5m high. 

 

Page 35: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

34  

The first figure regards the wind speed profiles approaching the met mast and the second one the 

area downwind the mast.  

 

Figure 4‐21 CFD wind speed profiles upwind the mast (330°N, k‐ε,roughness 0.03m). 

In the figures below the profiles are shown from 0m a.g.l. to the top of the domain, 500m a.s.l. 

The wind speed is calculated for the 330°N direction using the x‐component (u) and y‐component 

(v),  because  in  some  areas  of  the  domain  there  is  a  strong wind  perpendicular  to  the  330°N 

direction, as will be shown later.  

The image shows that the first two wind profiles, located above the sea, have a profile very similar 

to the one of the inlet. The third profile is located just after the village area (with high roughness) 

and  it  is also affected by  the morphology  (speed‐up). The highest wind speed  is  reached at  the 

mast site. 

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

(m)

wind speed (m/s)

Wind speed profiles upstream the mast (330°N, k‐ε, 0.03m)

CFX upstream 450m

CFX upstream 350m

CFX upstream 250m

CFX upstream 200m

CFX upstream 150m

CFX upstream 100m

CFX upstream 50m

CFX mast

Page 36: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

35  

The  figure below  shows  the wind  speed profiles downwind  the met mast. Note  in  the  section 

250m downwind the mast there is fluid separation and a negative wind speed. Here, there is  very 

steep terrain after which the flow reaches the sea, resulting in a recirculation zone.   

 

Figure 4‐22 CFD wind speed profiles downwind the mast (330°N, k‐ε,roughness 0.03m). 

Moreover, starting from the section 350m downwind the mast the profiles change in shape at the 

lowest  part,  because  of  speed  component  perpendicular  to  the main wind  direction.  In  fact, 

where  the  flow  reaches  the  sea  and  all  over  the  sea  zone,  there  is  a wind  speed  component 

coming from direction north  (this air flow comes from the gorge between the two hills and  it  is 

present from the sea level up to 50m) as well as a strong air flow along the coastline. These affect 

the speed profiles in direction and intensity.  

As we see, the wind direction changes a lot in the different zones of the domain at the height of 

5m. Because of this a study has been made in order to show the relation between the height and 

the wind direction for all the section we are investigating. 

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

‐1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

(m)

wind speed (m/s)

Wind speed profiles downwind the mast (330°N, k‐ε, 0.03m)

CFX mast

CFX downstream 50m

CFX downstream 100m

CFX downstream 150m

CFX downstream 200m

CFX downstream 250m

CFX downstream 350m

CFX downstream 450m

CFX downstream 550m

Page 37: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

36  

 

Figure 4‐23 Wind direction vs height in the sections upwind the mast (330°N, k‐ε,roughness 0.03m). 

The figure shows the wind direction changes only for the first 20m, because after that height they 

are not as relevant as they are close to the ground. 

The figure above shows slight variations in wind direction when the wind approaches land. In fact, 

the first two sections are taken at the sea zone and the flow turns to the left as it tends to follow 

the  coastline. Whereas  the other  sections are affected by  the  local morphology of  the  terrain. 

Anyway,  after  a  few meters  the wind  direction  tends  to  stick  to  the  initial  direction  and  the 

maximal variation all over the height is 40°. 

The figure below shows big variations in wind direction, on the lee side the maximum variation is 

100°.  A  strange  behavior  is  present  at  the  section  taken  100m  downwind  the mast,  this  is  a 

recirculation  zone  and  the direction  is  affected by  that.  In  the  zone between 150m  and 250m 

downwind the mast the direction is strongly affected by the wind speed component coming along 

the coast  line. The most affected section  is the closest to the coast  line, that  is 250m downwind 

the mast.  The  following  sections  are  slightly  affected by  the  coast  line  and by  the north wind 

speed components. 

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

‐80 ‐70 ‐60 ‐50 ‐40 ‐30 ‐20 ‐10 0

(m)

angle (°)

Wind direction upwind the mast (330°N, k‐ε, 0.03m)

upstream 450m

upstream 350m

upstream 250m

upstream 200m

upstream 150m

upstream 100m

upstream 50m

mast

Page 38: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

37  

 

Figure 4‐24 Wind direction vs height in the sections downwind the mast (330°N, k‐ε,roughness 0.03m). 

 

 

4.2.3 Roughness comparisons 

In this section two roughness comparisons are shown. As above mentioned, simulations are made 

using different  roughness values only  for a part of  the domain.  In  fact,  for  the  sea and  for  the 

village of Sarfannguaq  the  roughness  is  fixed. For  the other  land  surface  the  roughness change 

among  the  values  of  0.01m,  0.03m  and  0.05m.  The  comparisons  are made  taking  the  0.03m 

roughness as reference, because is the most probable for that kind of soil, characterized by stones 

and grass.  

The  figure  below  shows  the  comparison  between  0.01m  and  0.03m  for  some  of  the  speed 

profiles.  The  results  are  in percentage  and  for  the  first 10m  a.g.l,  that  is  the part of  the wind 

profile affected by  the different roughness effects. The  figure shows  that approaching  the mast 

the difference between the speed profiles, calculated with different roughness values, rises. The 

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

‐90 ‐60 ‐30 0 30 60 90

(m)

angle (°)

Wind direction downwind the mast (330°N, k‐ε, 0.03m)

mast

downstream 50m

downstream 100m

downstream 150m

downstream 200m

downstream 250m

downstream 350m

downstream 450m

downstream 550m

Page 39: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

38  

first  two  sites have  very  similar wind  speed profile,  the biggest percentage difference  is 0.2%. 

From the third one to the 100m downwind the mast the difference rises up to 23%.  

 

Figure 4‐25 Roughness comparison (0.01m vs 0.03m). 

In the appendix C there is the graphic regarding the roughness comparison of the other sections 

downwind the mast. For these sections the height influenced by the different roughness is bigger 

and it reaches 50m in the section 250m downwind the mast. This is because at the lee side, at the 

height normally affected by the roughness (5‐10m), the difference of level with the previous sites 

has to be taken into account. For the wind profile above the sea the speed difference is less than 

2%. 

The figures below show the comparison between 0.05m and 0.03m for some of the wind speed 

profiles. These graphics are very similar  to  the previous ones  in shape, but not  in value.  In  this 

case  the  wind  velocity  is  lower  than  the  one  in  reference,  hence  positive  percentage  values 

become  negative.  Another  difference  is  that  values  are  slightly  smaller  than  in  the  previous 

comparison of roughly 30‐50%. 

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

‐5 0 5 10 15 20 25

(m)

∆V/V0.03(%)

Roughness comparison (0.01m vs 0.03m)

upstream 450m

upstream 350m

upstream 250m

upstream 200m

upstream 150m

upstream 100m

upstream 50m

mast

downstream 50m

downstream 100m

Page 40: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

39  

 

Figure 4‐26 Roughness comparison (0.05m vs 0.03m) . 

Even  for  this comparison  the graphic  regarding  the other sections downwind  the mast  is  in  the 

appendix C. 

Regarding the roughness,  it  is possible to conclude that  it  influences only the first few meters of 

the wind speed profile (after 5m the difference is less than 7% in the worst case). Downwind the 

mast the influence of the roughness is bigger and even the difference of level has to be taken into 

account at the lee side.  

Taking  into account  that  the hub height of a  suitable  turbine  for Sarfannguaq  is about 10m or 

more, setting a roughness of 0.03m, the uncertainty about wind speed for this height is less than 

±3%,  in the area around the mast. Because of this, the  intermediate roughness  is applied for all 

the other simulations. 

 

 

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

‐15 ‐10 ‐5 0 5

(m)

∆V/V0.03(%)

Roughness comparison (0.05m vs 0.03m)

upstream 450m

upstream 350m

upstream 250m

upstream 200m

upstream 150m

upstream 100m

upstream 50m

mast

downstream 50m

downstream 100m

Page 41: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

40  

4.3 Simulation D (300°N wind direction, k­ε, 0.03m roughness) This simulation is made using the parameters chosen from the previous simulations (Askervein for 

the turbulence model and Sarfannguaq 330°N wind direction for the roughness).  

The image below shows the domain and some speed profiles along the line crossing the mast and 

towards the wind direction. 

 

Figure 4‐27 View of the domain with some wind speed profiles from Ansys CFX (330°N, k‐ε,roughness 0.03m). 

Even for this direction, there are recirculation zones in the domain and the main wind direction in 

the gorge is 180°N. The figure shows the wind speed profile behavior over the sea area, where it 

is strongly affected by the flow from north and by the presence of a steep reef in the right corner. 

In this area the ruggedness index is the highest of all the domain and the wind direction is almost 

perpendicular to the hill. Because of this the wind profiles in this area of the domain are strongly 

affected by the morphology. 

The  image below shows  the wind speed and direction on a surface 5m above  the ground  level. 

The image shows the particular wind speed distribution over the sea. Along the line passing by the 

mast and with direction 300°N,  in  the  area over  the  sea,  there  is a  confluence of different air 

fluxes. The first one coming from the north and the second one coming from the east. The image 

also  shows  the high wind  speed  flowing on  the  steep  slope of  the hill  in  the  right  side of  the 

domain. This helps to understand the wind speed profiles shown later. 

Page 42: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

41  

 

Figure 4‐28 Wind speed distribution at 5m high a.g.l. (330°N, k‐ε,roughness 0.03m). 

The figures below show the wind speed profiles upwind and downwind the mast. 

It  is  interesting  to  look at  the wind speed profiles on  the sea zone  (from  the 250m upwind  the 

mast). All these profiles are strongly affected by the air flux coming from the gorge between the 

two hills. 

 

Figure 4‐29 CFD wind speed profiles upwind the mast (300°N, k‐ε,roughness 0.03m). 

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

(m)

wind speed (m/s)

Wind speed profiles upstream the mast (300°N, k‐ε, 0.03m)

CFX upstream 700m

CFX upstream 550m

CFX upstream 400m

CFX upstream 250m

CFX upstream 200m

CFX upstream 150m

CFX upstream 100m

CFX upstream 50m

CFX mast

Page 43: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

42  

 

Figure 4‐30 CFD wind speed profiles downwind the mast (300°N, k‐ε,roughness 0.03m). 

 

 

4.4 Simulation E (120°N wind direction, k­ε, 0.03m roughness) This simulation is made using the parameters chosen from the previous simulations (Askervein for 

the turbulence model and Sarfannguaq 330°N wind direction for the roughness).  

The image below shows the domain and some speed profiles along the line crossing the mast and 

towards the wind direction. The direction is the same of the previous simulation, but this case it 

flows towards north‐west. 

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

‐1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

(m)

wind speed (m/s)

Wind speed profiles downstream the mast (300°N, k‐ε, 0.03m)

CFX mast

CFX downstream 50m

CFX downstream 100m

CFX downstream 150m

CFX downstream 200m

CFX downstream 250m

CFX downstream 400m

CFX downstream 550m

CFX downstream 700m

CFD downstream 850m

CFD downstream 1000m

Page 44: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

43  

 

Figure4‐31 View of the domain with some wind speed profile from Ansys CFX (120°N, k‐ε,roughness 0.03m). 

Even for this direction, there are recirculation zones and coastline air fluxes  in the northern part 

of  the domain.  It  shows  the wind distribution over  the  sea area behind  the hill. Here  the wind 

profile is slightly affected by the wind flux flowing from the west side. In the whole left part of the 

domain,  for  the examined direction,  the wind profiles don’t have  anomalies. The biggest wind 

speed is registered at the met mast and in the zone approaching it. 

The image below shows the wind speed distribution on a surface 5m above the ground level. The 

image shows  the wind distribution over  the sea  in  the north part of  the domain, dominated by 

towards coming air flux. 

 

Page 45: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

44  

 

Figure4‐32 Wind speed distribution at 5m high a.g.l. (120°N, k‐ε,roughness 0.03m). 

The figures below show the wind speed profiles upwind and downwind the mast. 

It is interesting to look at the wind speed profiles on the sea zone (from the 550m downwind the 

mast). All these profiles are affected by the air flux flowing along the coastline. 

 

Figure 4‐33 CFD wind speed profiles upwind the mast (120°N, k‐ε,roughness 0.03m). 

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

‐1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

(m)

wind speed (m/s)

Wind speed profiles upwind the mast (120°N, k‐ε, 0.03m)

CFX mast

CFX upstream 50m

CFX upstream 100m

CFX upstream 150m

CFX upstream 200m

CFX upstream 250m

CFX upstream 400m

CFX upstream 550m

CFX upstream 700m

CFD upstream 850m

CFD upstream 1000m

Page 46: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

45  

 

Figure 4‐34 CFD wind speed profiles downwind the mast (120°N, k‐ε,roughness 0.03m) 

 

 

4.5 Simulation F (90°N wind direction, k­ε, 0.03m roughness) This simulation is made using the parameters chosen from the previous simulations (Askervein for 

the turbulence model and Sarfannguaq 330°N wind direction for the roughness).  

The  image below  shows  the domain  and  some  speed profiles  along  the  line  crossing  the mast 

towards the wind direction. For this direction the wind profiles are affected  in the area over the 

sea,  in  the  gorge between  the  two hills.  In  fact,  in  all  the other  cases  there  is  an uphill  slope 

followed by a downhill slope, whereas  in this case there  is only a steep downhill slope, followed 

by 300m of flat see surface and then a uphill slope until reaching the mast. Beyond the mast the 

terrain  is  very  complex  and  downhill  slopes  are  followed  by  uphill  slopes. Moreover  the mast 

location is not the highest of the line, passing by it and with 270°N direction. 

 

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

(m)

wind speed (m/s)

Wind speed profiles downwind the mast (120°N, k‐ε, 0.03m)

CFX downstream 700m

CFX downstream 550m

CFX downstream 400m

CFX downstream 250m

CFX downstream 200m

CFX downstream 150m

CFX downstream 100m

CFX downstream 50m

CFX mast

Page 47: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

46  

 

Figure 4‐35 View of the domain with some wind speed profile from Ansys CFX (90°N, k‐ε,roughness 0.03m). 

The  image below shows the wind distribution at 5m a.g.l. Note the negative speed  in the gorge 

and recirculation areas all over the sea between the two hills. 

 

Figure 4‐36 Wind speed distribution at 5m high a.g.l. (90°N, k‐ε,roughness 0.03m). 

The figures below show the wind speed profile obtained from the CFX simulation. Note that the 

negative wind speed reaches the height of 35m in the section taken 400m upwind the mast. 

Page 48: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

47  

 

Figure 4‐37 CFD wind speed profiles upwind the mast (90°N, k‐ε,roughness 0.03m). 

 

Figure 4‐38 CFD wind speed profiles downwind the mast (90°N, k‐ε,roughness 0.03m). 

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

‐2 0 2 4 6 8 10

(m)

Wind speed (m/s)

Wind speed profiles upwind the mast (90°N, k‐ε, 0.03m)

CFX upstream 850m

CFX upstream 700m

CFX upstream 550m

CFX upstream 400m

CFX upstream 250m

CFX upstream 200m

CFX upstream 150m

CFX upstream 100m

CFX upstream 50m

CFX mast

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 2 4 6 8 10

(m)

Wind speed (m/s)

Wind speed profiles downwind the mast (90°N, k‐ε, 0.03m)

CFX mast

CFX downstream 50m

CFX downstream 100m

CFX downstream 150m

CFX downstream 200m

CFX downstream 250

CFX downstream 400

CFX downstream 550

Page 49: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

48  

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8 10

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD (330°N) 

WAsP upstream 150m

CFX upstream 150m

5 Comparison WAsP vs CFD 

In this chapter the comparison between WAsP and Ansys CFX is illustrated. The comparisons are 

made using the wind speed profiles obtained by the simulations shown above and separately for 

the four main wind directions for all sites. The speed profiles are compared in the height between 

the ground level and 100m a.g.l. (WAsP is based on surface layer theory, so usually the results are 

very reliable only the first 100m). 

 

 

5.1 330°N wind direction The first comparison is about the 330°N wind direction. The images below show some wind speed 

profiles from WAsP (red) and from Ansys CFX (blue). Here only the most  interesting sections are 

shown, see appendix D for the other wind speed profile comparisons. 

  

 

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8 10

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD (330°N) 

WAsP upstream 250m

CFX upstream 250m

Page 50: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

49  

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8 10

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD (330°N) 

WAsP downstream 100m

CFX downstream 100m

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD (330°N) 

WAsP downstream 450m

CFX downstream 450m

 

     

Figure 5‐1WasP vs CFX speed profiles for the 330°N wind direction. 

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8 10

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD (330°N) 

WAsP mast

CFX mast

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

‐1 1 3 5 7

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD (330°N) 

WAsP downstream 250m

CFX downstream 250m

Page 51: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

50  

The    figures  above  show  the  qualitative  difference  between  the  two  softwares,  in  particular 

upwind  the mast, WAsP  underestimates  the wind  speed  and  the  profile  is  characterized  by  a 

sharp speed‐up at 7‐10m high. At the mast the profiles are slightly different, the speed‐up from 

WAsP  is  at 17m  and  at  that height  the difference  from CFD  are minimal. Downwind  the mast 

there are more differences, due to the fluid separation. In fact, for example  in the section 100m 

downwind the mast  is at 53m high a.s.l., about 25m  lower than the mast  (slope of 0.25). WAsP 

considers that the stream wises follow the terrain and where this doesn’t happen the results are 

wrong.  In the following pages numerical results are  illustrated  in order to show the   percentage 

differences between CFD an WAsP wind  speed profiles. Moreover, notice  the anomaly  in wind 

speed  for  the  lowest  part  of  the  profile  at  the  250m  downwind  section,  here  the  flow  is 

approaching  the  sea and  there are  roughness and  slope  changes. WAsP at  this  section doesn’t 

show good results in the estimation of the wind speed close to the ground. As seen in the figures 

regarding the other directions, WAsP shows the same kind of error where there  is, at the same 

position, a roughness and a slope change. In the last figure the CFD wind profile is affected by the 

air flux coming from the gorge and it doesn’t make sense to compare the result in this area of the 

domain. Anyway it is important to have a look the images below. They represent the wind roses 

and distributions at 20m high at the section 250m and 450m downwind the mast, where the CFD 

simulation predicts the presence of a coastline air flux and an air flux from the gorge. As shown, 

even WAsP predicts these air fluxes. 

 

Figure 5‐2 WAsP Wind rose and wind distribution at 20m high at 250m downwind the mast (330°N). 

Page 52: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

51  

 

Figure 5‐3 WAsP Wind rose and wind distribution at 20m high at 450m downwind the mast (330°N). 

The images below show the wind speed differences between WAsP and Ansys CFX in percentage. 

 

Figure 5‐4 Wind speed profile comparison upwind the mast (330°N). 

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

‐50 ‐40 ‐30 ‐20 ‐10 0 10 20

(m)

∆V/Vk‐ε(%)

Comparison WAsP vs CFD upwind the mast (330°N) 

upstream 350m

upstream 250m

upstream 200m

upstream 150m

upstream 100m

upstream 50m

mast

Page 53: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

52  

 

Figure 5‐5 Wind speed profile comparison downwind the mast (330°N). 

Regarding  the  330°N  direction,  the  figures  show  that  usually WAsP  underestimates  the wind 

speed less than 10%.  

Upwind the mast the results are quite good and only in the first part of the profile, between the 

terrain and 4‐7m high, the errors may reach 20‐25% (the part of the profile between 0m and 1m 

a.g.l. is ignored, here the errors may reach 50%). Depending on the sites, the lowest difference is 

located between 7m and 20m a.g.l. Generally, above this level WAsP tends to underestimate the 

wind speed with a value of roughly of 7‐10%. 

Downwind  the  mast  the  issue  of  fluid  separation  is  more  relevant  and,  starting  where  the 

ruggedness overcomes the value of 15‐20%, generally WAsP overestimates the wind speed in the 

lowest part of  the profile and underestimates  it  in  the highest part, as upwind  the mast.  In  the 

area  between  100m  and  250m  downwind  the mast, WAsP  overestimates  the  velocity  for  the 

height of fluid separation, where the wind speed slows down.  That height reaches 25‐30m for the 

section 250m downwind. The last three sections are disregarded because of the influence of the 

air flux coming from the gorge. 

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

‐20 0 20 40 60 80 100 120 140

(m)

∆V/Vk‐ε(%)

Comparison WAsP vs CFD downwind the mast (330°N) 

mast

downstream 50m

downstream 100m

downstream 150m

downstream 200m

downstream 350m

downstream 450m

downstream 550m

Page 54: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

53  

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD (300°N) 

WAsP upstream 100m

CFX upstream 100m

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

‐2 3 8

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD (300°N) 

WAsP downstream 100m

CFX downstream 100m

5.2 300°N wind direction The second comparison  is about  the 300°N wind direction. The  images below show some wind 

speed  profiles  from  WAsP  (red)  and  from  Ansys  CFX  (blue).  Here  only  the  most  interesting 

sections are shown, see appendix D for the other wind speed profiles. 

 

 

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD (300°N) 

WAsP upstream 400m

CFX upstream 400m

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD (300°N) 

WAsP mast

CFX mast

Page 55: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

54  

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD (300°N) 

WAsP downstream 1000m

CFX downstream 1000m

 

Figure 5‐6 WasP vs CFX speed profiles for the 300°N wind direction. 

The  figures  above  show  the  qualitative  difference  between  the  two  softwares,  in  particular 

upwind  the mast, WAsP underestimates  the wind  speed. At  the mast,  the  profiles  are  slightly 

different,  the  speed‐up  from WAsP  is  at  20m  and  at  that  height  the  difference with  CFD  are 

minimal. Downwind the mast there are more differences, due to the fluid separation and to the 

known  air  flux  coming  from  the  gorge.  For  example  the  section  100m  downwind  the mast  is 

located  at  47m  a.s.l.,  about  30m  lower  than  the  mast  (slope  of  0.3,  that  value  is  usually 

considered the critical slope). In the figure regarding  the 400m downwind section, note that the 

profile is strongly affected by the air flux coming from the gorge. Even WAsP, as shown previously 

and here confirmed, predicts that air flux. Appendix E includes wind roses and distributions at the 

height of  20m  at  the  section  400m  and  700m downwind  the mast, where  the CFD  simulation 

predicts the presence of an air flux from the gorge. This simulation shows results very similar to 

the  previous  one.  The  images  below  show  the  difference,  in  percentage,  between  the  speed 

profiles obtained  from the two softwares. The  first  image  is referred to the profiles upwind the 

mast. In the first two sections the difference is very low ( a few percent) after 10m of height, but 

in the other sections the it tends to reach an underestimation of 10% at 100m. In the lowest part 

of the profile, disregarding the first few meters, the difference can be more than 30%. Generally 

the underestimation is less than 15% above 20m. 

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD (300°N) 

WAsP downstream 400m

CFX downstream 400m

Page 56: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

55  

 

Figure 5‐7 Wind speed profile comparison upwind the mast (300°N). 

Regarding  the sections downwind  the mast  the differences are quite huge  for most of  them.  In 

the  figure below only  some of  them  are  shown,  the  complete  figure  is  in  the appendix  F. The 

section  50m  downwind  the  mast  shows  a  behavior  similar  to  the  previous  ones,  with  an 

underestimation of about 10%. The sections between that one and the 700m downwind  are not 

taken into account to have a clear figure. The last three sections show a  slight affection by the air 

flux coming from the gorge and from the presence of the reef.  In fact, the wind  is pulled by the 

presence of  the very  steep  slope of  the hill  to  turn  to  the  right and  to  rise.  In  this area of  the 

domain the vertical component of the wind speed increases its value and, consequently,  it makes 

the horizontal component slow down. Because of this change in direction of the wind, WAsP and 

Ansys CFX cannot be compared. Anyway,  it  is possible  to show qualitatively  that WAsP predicts 

this direction change  looking at  the wind  rose and distribution, but  it  is not possible  to make a 

numeric comparison. 

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

‐40 ‐30 ‐20 ‐10 0 10 20

(m)

∆V/Vk‐ε(%)

Comparison WAsP vs CFD upstream the mast (300°N) 

upstream 700m

upstream 550m

upstream 400m

upstream 250m

upstream 200m

upstream 150m

upstream 100m

upstream 50m

mast

Page 57: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

56  

 

Figure 5‐8 Wind speed profile comparison downwind the mast (300°N). 

 

 

5.3 120°N wind direction The third comparison concerns the 120°N wind direction. The images in the following pages show 

some  wind  speed  profiles  from WAsP  (red)  and  from  Ansys  CFX  (blue).  Here  only  the most 

interesting sections are shown, see appendix for the other wind speed profiles. 

Note  this wind  direction  is  the  opposite  to  the  previous  one,  but  in  this  case  the wind  speed 

profile  over  the  sea  zone  between  the  two  hills  is  not  affected  by  any  south‐going  wind 

component. Anyway, a  towards west  component affects  in  the  first  sections, due  to  the  steep 

reef. The  influence of this reef  is present  in all the sections until 400m upwind the mast.  In the 

first  image  the wind  profile  is modified  for  the  first  20m.  In  the  second  image  note  the wind 

behavior (in the lowest part of the profile, close to the ground) predicted by WAsP for the section 

where a roughness and slope change is present. 

 

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

‐50 ‐30 ‐10 10 30 50

(m)

∆V/Vk‐ε(%)

Comparison WAsP vs CFD downwind the mast (300°N) 

mast

downstream 50m

downstream 700m

downstream 850m

downstream 1000m

Page 58: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

57  

 

 

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD (120°N) 

WAsP upstream 550m

CFX upstream 550m

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD (120°N) 

WAsP upstream 100m

CFX upstream 100m

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD (120°N) 

WAsP upstream 250m

CFX upstream 250m

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD (120°N) 

WAsP mast

CFX mast

Page 59: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

58  

 

Figure 5‐9 WasP vs CFX speed profiles for the 120°N wind direction. 

In the area surrounding the mast the WAsP estimation, for the first part of the profiles, is always 

confirmed by the CFD simulation. In fact in the sections 100m upwind and downwind the mast the 

wind  speeds  are  very  close  to  each  other  up  to  20‐30m.  Above  this  level  the  CFD  simulation 

predicts a higher velocity than WAsP. The mast site shows a speed‐up at about 10m high and a 

vertical profile  above  that.  In  the  last  image  the wind  speed  is  affected by  a  coastline  air  flux 

coming from the east, that modifies  the shape in the lowest part. The stream wises tend to turn 

to the left, pulled by the flux and that decreases the velocity component in the analyzed direction. 

Note that even in this case WAsP underestimates the wind speed for most of the sections. 

The images below confirm the general WAsP underestimation of about 10% in the highest part of 

the speed profiles and a non‐homogeneous behavior  in the  lowest part. There, disregarding the 

first few meters, the difference may reach more than 30% depending on the section. For example 

the error for the section taken 1000m and 850m upstream the wind is more than 30% close to the 

sea level and after 5m it becomes roughly 2% for all the profile height left. 

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD (120°N) 

WAsP downstream 100m

CFX downstream 100m

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD (120°N) 

WAsP downstream 550m

CFX downstream 550m

Page 60: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

59  

 

Figure 5‐10 Wind speed profile comparison upwind the mast (120°N). 

Downwind the mast the wind behavior is very similar for the first 100m of distance, after that the 

effects of fluid separation become relevant and the differences increase in the lowest part of the 

domain, where WAsP doesn’t predict the recirculation zone. The  last three sections are affected 

by  the coastline air  flux and  the comparison doesn’t make sense. Also  in  this case a qualitative 

comparison is made by looking at the WAsP wind roses and distributions at those places and the 

conclusion is the same as found for the other simulations: WAsP predicts an increase in the mean 

wind speed coming from the direction that Ansys CFX considers the wind direction. 

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

‐40 ‐30 ‐20 ‐10 0 10 20 30 40

(m)

∆V/Vk‐ε(%)

Comparison WAsP vs CFD upwind the mast (120°N) 

mast

upstream 50m

upstream 100m

upstream 150m

upstream 200m

upstream 250m

upstream 400m

upstream 550m

upstream 700m

upstream 850m

upstream 1000m

Page 61: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

60  

 

Figure 5‐11 Wind speed profile comparison downwind the mast (120°N). 

 

 

 

5.4 90°N wind direction The  fourth  comparison  regards  the  90°N wind  direction.  The  images  below  show  some wind 

speed  profiles  from  WAsP  (red)  and  from  Ansys  CFX  (blue).  Here  only  the  most  interesting 

sections are shown, see the appendix D for the other wind speed profiles. 

Note  that  in  this  case WAsP  overestimates  the  wind  speed  for most  of  the  sections  at  the 

analysed height. For the first shown section WAsP predicts a speed‐up, even though it is the top 

point of an escarpment 80m high.  The successive image refers to a section taken at 40m a.s.l. and 

is  strongly  affected  by  the  fluid  separation  along  the  slope  of  the  hill.  The wind  slows  down 

reaching negative velocity values. 

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

‐20 ‐10 0 10 20 30 40 50

(m)

∆V/Vk‐ε(%)

Comparison WAsP vs CFD downwind the mast (120°N) 

downstream 700m

downstream 550m

downstream 400m

downstream 250m

downstream 200m

downstream 150m

downstream 100m

downstream 50m

mast

Page 62: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

61  

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

‐2 0 2 4 6 8

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD (90°N) 

WAsP upstream 550m

CFX upstream 550m

 

 

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD (90°N) 

WAsP upstream 700m

CFX upstream 700m

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD (90°N) 

WAsP upstream 200m

CFX upstream 200m

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD (90°N) 

WAsP mast

CFX mast

Page 63: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

62  

 

Figure 5‐12 WasP vs CFX speed profiles for the 90°N wind direction. 

In  the  third  image,  the  fluid separation after  the escarpment still affects  the wind profile  (note 

that for this direction the width of the sea is less than 250m and the escarpment 200m long and 

80m  high).  This  section  is  located  30m  a.s.l.  and WAsP  predicts  a  speed‐up  very  close  to  the 

terrain. Focusing on  the mast site,  the  figure shows  that  the profile  is still affected  for  the  first 

50m by the fluid separation and turbulence generated by the escarpment. WAsP predicts a speed‐

up at the height of 10m. The last two sections are characterized by similar profiles even if at 150m 

downwind the mast  is  located  in a  little valley (62m a.s.l.) and the  last one  in one of the highest 

points of whole the area (90m a.s.l.). 

The image below, referring to the per cent wind speed difference between WAsP and Ansys CFX, 

shows  a  similar  behavior  to  the  previous  ones.  The  per  cent  difference  for  the  first  section  is 

almost  zero  above  20m,  after  that  section  the  difference  increases  until  the  250m  upstream 

section  (the per  cent difference  for  this profile  is 20% at 100m).  In  the  successive  sections  the 

difference decreases gradually and at the mast it is less than 20% at 25m. For this wind direction 

the case is different from the other ones because a downhill slope is followed by a uphill slope. As 

seen,  that  for  the other  cases WAsP  generally underestimates, whereas here  it overestimates. 

Note that the underestimation tends to a 10% difference, whereas the overestimations to 0%. 

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD (90°N) 

WAsP downstream 150m

CFX downstream 150m

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD (90°N) 

WAsP downstream 550m

CFX downstream 550

Page 64: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

63  

 

Figure 5‐13 Wind speed profile comparison upwind the mast (90°N). 

Regarding  the  downwind  sections,  the WAsP  predictions  are  better  than  in  the  upwind  zone. 

Anyway, the differences are always quite high and only above 30m the values are  less than 20% 

(only above 50m the values are less than 10%). The differences decrease leaving the mast, even if 

for  the  first  few meters of  the profile an underestimation  is present  (it can  reach values higher 

than 60%). For the last section the difference is always less than 15%. 

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

‐40 ‐20 0 20 40 60 80 100

(m)

∆V/Vk‐ε(%)

Comparison WAsP vs CFD upwind the mast (90°N) 

upstream 850m

upstream 700m

upstream 550m

upstream 400m

upstream 250m

upstream 200m

upstream 150m

upstream 100m

upstream 50m

mast

Page 65: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

64  

 

Figure 5‐14 Wind speed profile comparison downwind the mast (90°N). 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

‐30 ‐20 ‐10 0 10 20 30 40 50

(m)

∆V/Vk‐ε(%)

Comparison WAsP vs CFD downwind the mast (90°N) 

mast

downstream 50m

downstream 100m

downstream 150m

downstream 200m

downstream 250m

downstream 400m

downstream 550m

Page 66: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

65  

5.5 WAsP “prediction error” and site ruggedness This  section presents  the analysis of  the  relation between WAsP wind  speed “prediction error” 

and difference in extent of steep slopes (RIX values in %) for various wind directions. Mortensen 

and al. [1] found a  linear correspondence between the orographic performance  indicators, ∆RIX, 

and a function of the prediction‐error for the site in Portugal. In this section an analysis is made, 

considering the CFD results as measured wind data and the WAsP‐CFD differences as prediction‐

errors, in order to find a correspondence with the Mortensen’s study[1]. Following this approach, 

in the figure below the wind speed prediction‐errors and the orographic performance  indicators 

are shown  in percentage. The wind speed prediction error  is calculated as  ln(UWAsP/UCFD), where 

UWAsP is the wind speed from WAsP and UCFD the speed estimated from the CFD simulations. The 

prediction errors are calculated averaging all height of the profiles up to 100m. 

The  figure below  regards only  the met mast  site and  the prediction errors  for  the  four  studied 

wind directions. Only the mast location is here analyzed because, in order to compare the results 

obtained with the other ones from various authors, the site characteristics should be as similar as 

possible. For example, in the site in Portugal the cross‐predictions are among five masts and they 

are located on the top of hills or mountains, hence the site of the met mast is here analyzed. The 

parameters used for calculating the ruggedness are: calculation radius R = 600m, critical slope θc = 

0.3 and number of radii N = 72.  

 

Figure 5‐15 WAsP wind speed prediction error vs difference in ruggedness indices (all directions). 

y = ‐2.4532x + 0.1175R² = 0.8617

‐0.15

‐0.1

‐0.05

0

0.05

0.1

0.15

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1

Ln(U

WAsP/U

CFD)

dRIX

Page 67: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

66  

This  figure  says  that  increasing  the  ∆RIX,  WAsP  underestimates  the  wind  speed,  whereas 

decreasing  the  ∆RIX,  it  overestimates  the  wind  speed.  This  goes  against  that  one  found  by 

Mortensen  in  [1].  In  the  Portugal  study  the  interpolation  line  pass  by  the  origin  of  axes with 

inclination 1.5. 

Actually, the site of Sarfannguaq and the applied method have characteristics different from the 

previous one studied by Mortensen [1]. The first difference is in the calculation of the speed error, 

in the Portugal study it was calculated at a determinate height, whereas in this one it is averaged 

for a height of 100m. The second difference is the presence of  the sea, in fact this completely flat 

surface all around the site modifies a lot the RIX and, consequently, the ∆RIX and this fact have to 

be taken into account. Moreover, the fact that the analysis comprises only four points should also 

be considered and, last but not least, the input in WAsP is only one wind direction each time. 

Anyway,  in order  to  find a  relation between  the  ruggedness and  the prediction error a deeper 

analysis is made. The figure below shows the relation between the prediction error and the ∆RIX 

calculated  only  for  the wind  direction  and  not  all  directions.  As  shown,  the  results  are more 

similar  to  the  ones  obtained  by  other  authors  (for  all  ∆RIX  values,  calculated  with  different 

combinations  radius‐slope,  the  inclination  coefficient  is  between  1.4  and  1.7),  but  some 

discrepancies  are  still present.    In  the  figures,  the parameters  for  calculating  the  ∆RIX  are  the 

following: calculation radius R = 700m, critical slope θc = 0.3 and number of radii N = 72. 

 

Figure 5‐16 WAsP wind speed prediction error vs difference in ruggedness indices (only wind direction). 

R² = 0.9665

‐0.15

‐0.1

‐0.05

0

0.05

0.1

0.15

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3

Ln(U

WAsP/U

CFD)

dRIX

Page 68: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

67  

The  table below  shows  the correlation coefficients calculated  for various  radii and costant  θc = 

0.3. 

Radius  300m  400m  500m  600m  700m  750m  800m  900m  1000m 2000m

All directions 

0.0083  0.7419  0.844  0.8617 0.8121 0.8086 0.6884 0.2671  0.163  0.0435

Wind direction 

0.3301  0.2534  0.6372 0.8886 0.9665 0.9195 0.8792 0.9029  0.8816 0.5362

Table 5‐1 Correlation coefficient calculated for various radii. 

Note all the trend  line, calculated considering ∆RIX relative to all directions, always has negative 

inclination, whereas the trend line calculated considering ∆RIX relative only to the wind direction, 

always has positive inclination. 

The  table  below  shows  the  correlation  coefficients  for  various  critical  slopes  calculated  for  a 

radius of 700m, for ∆RIX relative to all directions and relative only to the wind direction.  

Critical slope  0.2  0.25  0.3  0.35  0.4  0.45 

All directions  0.7201 0.6747  0.8121  0.9061  0.8964  0.9109 

Wind direction  0.959  0.9883  0.9665  0.9608  0.9168  0.8534 

Table 5‐2 Correlation coefficient calculated for various critical slopes. 

 The tables show that the correlation coefficients are quite strongly related to the radius and to 

the critical slope. This means that the strong relation between errors and ruggedness, found for 

the sites in Portugal, doesn’t give the same good results. It may be due to the different orographic 

condition,  to  the different application method  (average of errors  for a height of   100m and not 

error  at  defined  height  and  short  distance  between  points),  to  the  uncertainties  of  the  CFD 

simulation and to the  little number of data. Anyway, these results have be consider satisfactory, 

taking into account the peculiarity of  this analysis. Note the best results are obtained for a radius 

of 700m, this distance is the mean distance between the original mast and the fictitious ones. 

An  additional  analysis has been done  in order  to  consider  the wind  speed prediction‐error  for 

various heights. In fact, the previous figure and tables refers to average of prediction‐error. In this 

additional study we want to check if the relation between ∆RIX  and prediction‐error is also valid 

for different point of  the wind speed profile.  

The table below shows the correlation coefficients calculated for radius R = 700m, critical slope θc 

= 0.25 and number of radii N = 72. 

 

Page 69: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

68  

 

Height  10m  20m  30m  40m  50m  60m  70m  80m  90m  100m 

All  0.6916 0.801  0.8206 0.7936 0.7306 0.6861 0.6468  0.5895  0.528  0.4755

Direction  0.9921 0.9395  0.9505 0.9615 0.9779 0.9954 0.9931  0.9774  0.9581 0.9353

Figure 5‐17 Correlation coefficient calculated for various heights. 

The  table  shows  the  strong  relation  between  ∆RIX  calculated  for  the wind  direction  and  the 

prediction‐error for all heights, the correlation coefficient are always higher than 0.9353. 

This analysis confirms  the  results  from  the previous one, and a correspondence, with  the study 

made by Mortensen [1], is present and this may confirm the good quality of the CFD results and 

the WAsP prediction error‐ruggedness relation. 

 

The  last  prediction  error‐ruggedness  analysis  introduced  regards most  of  the  sites  taken  into 

account  in this report for comparing WAsP and Ansys CFX results. The analysis applies the same 

method of the first one, but using the highest number of site available. Some of the sites are not 

available because of  strong  speed component perpendicular  to  the main wind direction, which 

affects  the  shape of  the profile,   or because  the profiles  from WAsP and Ansys CFX cross each 

other and, in this case, doesn’t make sense averaging the prediction error for all height.   The total 

number of sites is 71 (including the met mast four times), for the 330°N wind direction there are 

16 sites (7 are not used for the analysis), for the 300°N wind direction there are 19 sites (9 are not 

available, they are the  last six downstream the mast), for the 120°N wind direction there are 19 

sites (11 are not available), for the 90°N wind direction there are 17 sites (6 are not available). At 

the end, 33 sites are excluded from the analysis. The met mast  is counted 4 times, one for each 

direction. The parameters used for calculating ∆RIX are: radius R = 1000m, critical slope θc = 0.3 

and number of radii N = 72. 

The figure below shows the result of the analysis, the correlation coefficient doesn’t have a high 

value,  but  considering  the  prediction‐errors  are  averaged  all  over  the  height,  the  peculiar  site 

characteristic and the CFD uncertainties, the results have to be considered satisfactory.  

Other correlation coefficients have been calculated  taking  into account  the prediction‐errors at 

defined  height  and  good  results  are  obtained  between  30m  and  50m  (correlation  coefficient 

higher than 0.8), with a maximum at 40m (correlation coefficient 0.9). Whereas,  low correlation 

coefficients are at the other height, the minimum is 0.54 at 100m. The peculiarity of this analysis 

is  that  it  takes  into  account  sites  upwind  and  downwind  the  hill  top,  and,  for  example,  the 

Page 70: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

69  

prediction  error‐ruggedness  study  by Mortensen  [1]  is made  using wind  speed measurements 

(met masts are not located in such sites). 

Correlation coefficients are estimated using various ∆RIX calculating parameters,  for a  radius of 

2000m it is 0.2, whereas for a radius of 750m it is 0.76. 

 

5‐18 WAsP wind speed prediction error vs difference in ruggedness indices (most of the sites). 

The  results  can  be  considered  satisfactory  and  they may  suggest  the  possibility  to  using  CFD 

simulations,  in  combination with WAsP,  on  sites  poor  of wind  data,  even  in  complex  terrain, 

where WAsP shows poorly performance.  

 

 

 

 

R² = 0.8201

‐0.25

‐0.2

‐0.15

‐0.1

‐0.05

0

0.05

0.1

0.15

‐0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25

Ln(UW

AsP/U

CFD)

dRIX

Page 71: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

70  

Conclusion 

Environmental  issues,  increasing oil prices and energy  consumption demand  renewable energy 

resources  from all over  the world, Greenland  included, where other  issues has  to be  taken  into 

account for the small settlements.  

Wind  is one of  the most  competitive  renewable energy  resources and  the electricity produced 

using  this  source,  increases  every  day.  The  first,  and  probably  the  most  important  step  in 

producing wind energy , is the resource assessment. Wind resource assessment is carried out by 

using measured wind data and specific software programs.  In order to have reliable results,  it  is 

important have a  lot of wind measurements and a good software. This paper deals with one of 

the  software  used  to  estimate  the  wind  energy  resource  all  over  the  world,  the WAsP.  The 

problems  of  this  program  are  known  and  one  of  them  is  the  poor  performance  in  a  complex 

terrain. Hence,  the necessity of  improving  the knowledge about  the WAsP behavior  in complex 

terrain  and  the  necessity  to  work  on  sites  poor  of  wind  data,  urge  to  analyze  case  studies 

thoroughly,  in  order  to  find  or  confirm  relations  between  known  parameters  and  to  obtain 

correction methods to estimate the wind resource correctly. 

This paper deals with  a particular  case  study,  a  complex  terrain  surrounded by  the  sea,  and  a 

particular method  is used  in order approach  the problem.  In  fact, CFD  simulations are used  to 

compare the wind speed profiles with the WAsP ones in a site located in Greenland, where a plan 

for installing one or more wind turbines was made some years ago. 

The  comparison  between  the  two  software  programs  shows  satisfactory  results  and  the most 

interesting  results  come  out  by  analyzing  the  relation  between  wind  speed  differences  and 

ruggedness of the area.  

Regarding  the  comparison  between WAsP  and  Ansys  CFX,  the  results  show  the  known WAsP 

difficulty  in  predicting  fluid  separation,  due  to  the  simple  computational model  used  by  this 

software. The biggest differences are  located  in the recirculation zones, and  in most of the sites 

analyzed discrepancies are  relevant,  the  common wind  speed difference  is 10%,  that  is not an 

acceptable value in wind resource assessing. This result agrees with other studies made on WAsP 

in complex terrain. 

Regarding  the relation between wind speed differences and ruggedness of  the area,  interesting 

results are obtained. In fact, a relation found by Mortensen [1] is here confirmed for the met mast 

site and a quite similar relation has been found for most of the sites in the area surrounding the 

mast. The correspondence with the Mortensen’s study [1], confirms that study and the possibility 

Page 72: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

71  

of  using  CFD  simulations  in  site  poor  of wind measuring  station.  These may  be  help WAsP  in 

evaluating more accurately wind resource in complex terrain.  

Moreover,  the  results  for  the sites all around  the met mast confirm  the  relation between wind 

speed differences and ruggedness, even for different locations from the common hill top. In these 

zones, the correlation coefficient shows a weaker relation than that one previously found, but the 

relation seems to still exist. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 73: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

72  

A. Appendix: WAsP wind speed profiles. 

 

Figure A‐1 WAsP Wind speed profiles upwind the mast (300°N wind direction). 

 

Figure A‐2 WAsP Wind speed profile downwind the mast (300°N wind direction). 

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 2 4 6 8 10

(m)

Wind speed (m/s)

Wind speed profiles upwind the mast (300°N)

WAsP upstream 700m

WAsP upstream 550m

WAsP upstream 400m

WAsP upstream 250m

WAsP upstream 200m

WAsP upstream 150m

WAsP upstream 100m

WAsP upstream 50m

WAsP mast

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 2 4 6 8 10

(m)

Wind speed (m/s)

Wind speed profiles downwind the mast (300°N)

WAsP mast

WAsP downstream 50m

WAsP downstream 100m

WAsP downstream 150m

WAsP downstream 200m

WAsP downstream 250m

WAsP downstream 400m

WAsP downstream 550m

WAsP downstream 700m

WAsP downstream 850m

WAsP downstream 1000m

Page 74: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

73  

 

Figure A‐3 WAsP wind speed profiles upwind the mast (120°N wind direction). 

 

Figure A‐4 WAsP wind speed profiles downwind the mast (120°N wind direction). 

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 2 4 6 8 10

(m)

Wind speed (m/s)

Wind speed profiles upwind the mast (120°N)

WAsP upstream 1000m

WAsP upstream 850m

WAsP upstream 700m

WAsP upstream 550m

WAsP upstream 400m

WAsP upstream 250m

WAsP upstream 200m

WAsP upstream 150m

WAsP upstream 100m

WAsP upstream 50m

WAsP mast

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 2 4 6 8 10

(m)

Wind speed (m/s)

Wind speed profiles downwind the mast (120°N)

WAsP mast

WAsP downstream 50m

WAsP downstream 100m

WAsP downstream 150m

WAsP downstream 200m

WAsP downstream 250m

WAsP downstream 400m

WAsP downstream 550m

WAsP downstream 700m

Page 75: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

74  

 

Figure A‐5 WAsP wind speed profiles upwind the mast (90°N wind direction). 

 

Figure A‐6 WAsP wind speed profiles downwind the mast (90°N wind direction). 

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 2 4 6 8 10 12

(m)

Wind speed (m/s)

Wind speed profiles upwind the mast (90°N)

WAsP upstream 850m

WAsP upstream 700m

WAsP upstream 550m

WAsP upstream 400m

WAsP upstream 250m

WAsP upstream 200m

WAsP upstream 150m

WAsP upstream 100m

WAsP upstream 50m

WAsP mast

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 2 4 6 8 10 12

(m)

Wind speed (m/s)

Wind speed profiles (90°N)

WAsP mast

WAsP downstream 50m

WAsP downstream 100m

WAsP downstream 150m

WAsP downstream 200m

WAsP downstream 250m

WAsP downstream 400m

WAsP downstream 550m

Page 76: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

75  

B. Appendix: CFD wind speed profiles 330°N direction. 

 

Figure B‐1 CFD wind speed profiles upwind the mast (330°N, k‐ε,roughness 0.01m). 

 

Figure B‐2 CFD wind speed profiles downwind the mast (330°N, k‐ε,roughness 0.01m). 

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

(m)

wind speed (m/s)

Wind speed profiles upwind the mast (330°N, k‐ε, 0.01m)

CFX upstream 450m

CFX upstream 350m

CFX upstream 250m

CFX upstream 200m

CFX upstream 150m

CFX upstream 100m

CFX upstream 50m

CFX mast

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

‐1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

(m)

wind speed (m/s)

Wind speed profiles downwind the mast(330°N, k‐ε, 0.01m)

CFX mast

CFX downstream 50m

CFX downstream 100m

CFX downstream 150m

CFX downstream 200m

CFX downstream 250m

CFX downstream 350m

CFX downstream 450m

CFX downstream 550m

Page 77: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

76  

 

Figure B‐3 CFD wind speed profiles upwind the mast (330°N, k‐ε,roughness 0.05m). 

 

Figure B‐4 CFD wind speed profiles downwind the mast (330°N, k‐ε,roughness 0.05m). 

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

(m)

wind speed (m/s)

Wind speed profiles upwind the mast (330°N, k‐ε, 0.05m)

CFX upstream 450m

CFX upstream 350m

CFX upstream 250m

CFX upstream 200m

CFX upstream 150m

CFX upstream 100m

CFX upstream 50m

CFX mast

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

‐1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

(m)

wind speed (m/s)

Wind speed profiles downwind the mast (330°N, k‐ε, 0.05m)

CFX mast

CFX downstream 50m

CFX downstream 100m

CFX downstream 150m

CFX downstream 200m

CFX downstream 250m

CFX downstream 350m

CFX downstream 450m

CFX downstream 550m

Page 78: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

77  

C. Appendix: Roughness comparisons. 

 

Figure C‐1 Roughness comparison (0.01m vs 0.03m) . 

 

Figure C‐2 Roughness comparison (0.05m vs 0.03m) . 

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

‐10 ‐5 0 5 10 15 20 25 30 35

(m)

∆V/V0.03(%)

Roughness comparison (0.01m vs 0.03m)

downstream 150m

downstream 200m

downstream 250m

downstream 350m

downstream 450m

downstream 550m

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

‐25 ‐20 ‐15 ‐10 ‐5 0 5 10

(m)

∆V/V0.03(%)

Roughness comparison (0.05m vs 0.03m)

downstream 150m

downstream 200m

downstream 250m

downstream 350m

downstream 450m

downstream 550m

Page 79: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

78  

D. Appendix: Comparison WAsP vs CFD 

1. 330° N wind direction 

 

 

  

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD(330°N) 

WAsP upstream 450m

CFX upstream 450m

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD(330°N) 

WAsP upstream 200m

CFX upstream 200m

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8 10

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD(330°N) 

WAsP upstream 50m

CFX upstream 50m

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8(m

)Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD(330°N) 

WAsP upstream 350m

CFX upstream 350m

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8 10

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD(330°N) 

WAsP upstream 100m

CFX upstream 100m

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8 10

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD(330°N) 

WAsP downstream 50m

CFX downstream 50m

Page 80: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

79  

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD(330°N) 

WAsP downstream 550m

CFX downstream 550m

  

  

Figure D‐1 WasP vs CFX speed profiles for the 330°N wind direction. 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD(330°N) 

WAsP downstream 150m

CFX downstream 150m

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD(330°N) 

WAsP downstream 350m

CFX downstream 350m

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD(330°N) 

WAsP downstream 200m

CFX downstream 200m

Page 81: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

80  

2. 300° N wind direction 

 

  

   

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD(300°N) 

WAsP upstream 700m

CFX upstream 700m

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD(300°N) 

WAsP upstream 250m

CFX upstream 250m

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD(300°N) 

WAsP upstream 150m

CFX upstream 150m

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD(300°N) 

WAsP upstream 50m

CFX upstream 50m

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD(300°N) 

WAsP upstream 550m

CFX upstream 550m

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD(300°N) 

WAsP upstream 200m

CFX upstream 200m

Page 82: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

81  

   

  

  

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD(300°N) 

WAsP downstream 50m

CFX downstream 50m

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

‐2 0 2 4 6 8

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD(300°N) 

WAsP downstream 150m

CFX downstream 150m

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

‐2 0 2 4 6 8

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD (300°N) 

WAsP downstream 200m

CFX downstream 200m

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD (300°N) 

WAsP downstream 550m

CFX downstream 550m

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

‐2 0 2 4 6 8

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD (300°N) 

WAsP downstream 250m

CFX downstream 250m

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD (300°N) 

WAsP downstream 700m

CFX downstream 700m

Page 83: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

82  

 

Figure D‐2 WasP vs CFX speed profiles for the 300°N wind direction. 

 

3. 120° N wind direction 

 

  

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD (300°N) 

WAsP downstream 850m

CFX downstream 850m

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD(120°N) 

WAsP upstream 1000m

CFX upstream 1000m

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD (120°N) 

WAsP upstream 700m

CFX upstream 700m

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD(120°N) 

WAsP upstream 850m

CFX upstream 850m

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD (120°N) 

WAsP upstream 400m

CFX upstream 400m

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD (120°N) 

WAsP upstream 400m

CFX upstream 400m

Page 84: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

83  

  

  

  

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD (120°N) 

WAsP upstream 200m

CFX upstream 200m

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD (120°N) 

WAsP upstream 50m

CFX upstream 50m

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD (120°N) 

WAsP downstream 150m

CFX downstream 150m

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD (120°N) 

WAsP upstream 150m

CFX upstream 150m

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD (120°N) 

WAsP downstream 50m

CFX downstream 50m

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD (120°N) 

WAsP downstream 200m

CFX downstream 200m

Page 85: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

84  

  

 

Figure D‐3 2 WasP vs CFX speed profiles for the 120°N wind direction. 

 

 

 

 

 

 

 

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD (120°N) 

WAsP downstream 250m

CFX downstream 250m

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD (120°N) 

WAsP downstream 700m

CFX downstream 700m

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD (120°N) 

WAsP downstream 400m

CFX downstream 400m

Page 86: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

85  

4. 90° N wind direction 

 

 

 

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD (90°N) 

WAsP upstream 850m

CFX upstream 850m

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

‐2 0 2 4 6 8

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD (90°N) 

WAsP upstream 250m

CFX upstream 250m

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD (90°N) 

WAsP upstream 100m

CFX upstream 100m

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

‐2 0 2 4 6 8

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD (90°N) 

WAsP upstream 400m

CFX upstream 400m

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD (90°N) 

WAsP upstream 150m

CFX upstream 150m

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD (90°N) 

WAsP upstream 50m

CFX upstream 50m

Page 87: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

86  

 

 

 

Figure D‐4 2 WasP vs CFX speed profiles for the 90°N wind direction. 

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD (90°N) 

WAsP downstream 50m

CFX downstream 50m

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD (90°N) 

WAsP downstream 200m

CFX downstream 200m

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD (90°N) 

WAsP downstream 400m

CFX downstream 400

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD (90°N) 

WAsP downstream 100m

CFX downstream 100m

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8

(m)

Wind speed (m/s)

Comparison WAsP vs CFD (90°N) 

WAsP downstream 250m

CFX downstream 250m

Page 88: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

87  

E. Appendix: Wind roses and distribution. 

 

Figure E‐1 WAsP Wind rose and wind distribution at 20m high at 400m downwind the mast. 

 

Figure E‐2 WAsP Wind rose and wind distribution at 20m high at 700m downwind the mast. 

 

 

Page 89: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

88  

F. Appendix: Comparison WAsP vs CFD (300°N wind direction) 

 

Figure F‐1 Wind speed profile comparison downwind the mast (300°N). 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

‐100 0 100 200 300 400

(m)

∆V/Vk‐ε(%)

Comparison WAsP vs CFD (300°N) 

mast

downstream 50m

downstream 100m

downstream 150m

downstream 200m

downstream 250m

downstream 400m

downstream 550m

downstream 700m

downstream 850m

downstream 1000m

Page 90: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

89  

References 

1. Niels G. Mortensen, Anthony J. Bowen and  Ioannis Antoniou.  Improving WAsP predictions 

in (too) complex terrain. 

2. Kurt S. Hansen. Database of wind characteristic. Website. http://www.winddata.com/ 

3. Kurt  S.  Hansen, Martin  O.L.  Hansen  &  Poul  Linnert.  Operational  experience  with  6 

meteorological stations installed in Sisimiut and Umanak. 

4. Memon  and  Venkata  Ratnam  Kondreddi. Wind  Resource Assessment  in  Complex  Terrain 

Using CFD. Msc. thesis. 

5. P.A. Taylor and H.W. Teunissen. ASKERVEIN  ’82: Report on  the September/ October 1982 

Experiments  to  Study  Boundary  Layer  Flow  over  Askervein,  South  Uist.  Technical  report 

MSRB‐83‐8, Atmos. Environ Service, Downsview, Ontario, 1983. 

6. Karl.J.Eidsvik. A  System  for Wind Power Estimation  in Mountainous Terrain. Prediction of 

Askervein Hill Data. Wind Energy 2005;8:237‐249. 

7. Niels.N. Sørensen . General purpose Flow solver Applied to Flow Over Hills. Risø‐R‐827(EN). 1995. 

8. Fluent Inc. Gambit help, version 2.4.6. 1988‐2009. 

9. Niels  G.  Mortensen  and  Lars  Landberg.  Vindenergi  i  udvalgte  byer i  Grønland: 

Qasigiannguit Sisimiut og Narsaq. Risø‐I‐718(DA). September 1993. 

10. Risø National Laboratory. European Wind Atlas. 1989. 

11. Risø National Laboratory, Wasp help. WAsP9. 1987‐2009. 

12. ANSYS Europe Ltd. Ansys CFX help, version 11. 1996‐2007. 

Page 91: Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaqetd.dtu.dk/thesis/256360/2010_msc_M_Pianigiani.pdf · Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq Marco Pianigiani ‐ s081505

Comparison of Ansys CFX and WAsP for Sarfannguaq                                 Marco Pianigiani ‐ s081505                                                                                                                Danmarks Tekniske Universitet 

90  

13. MapInfo Corporation. MapInfo Professional 8.5 help. 1985‐2006. 

14. SAGA User Group Association. SAGA help, version 2.0.3. 2005‐2008. 

15. H.  K.  Versteeg  and W. Malalasekera.  An  introduction  to  Computational  Fluid  Dynamics. 

Second Edition. 2007.