3D

Ansprechpartner: Lena Vorspel

3D

3D Simulationen

Das Design von Windturbinen basiert auf der Blattelementmethode (BEM). Diese Methode ist schnell und es konnte gezeigt werden, dass sie für gewisse Betriebszustände hinreichend zuverlässig ist. Dennoch sind einige der zu grunde liegenden Annahmen unrealistisch. Zum Beispiel wird die Annahme der Unäbhängigkeit von der Winkelgeschwindigkeit verletzt, sobald es eine Geschwindigkeitskomponente in Blattrichtung in der atmosphärischen Grenzschicht gibt. Dies passiert tatsächlich ziemlich oft im Ablösefall und bei schräger Anströmung des Rotors. Die azimutale Strömungshomogenität, die eine unendliche Anzahl von Rotorblättern impliziert, ist eine weitere Annahme, die nicht realitätsnah ist.
Um diesen (und weiteren) Einschränkungen der BEM beizukommen, wurden verschiedene Ingenieurmodelle zur Korrektur durch die wissenschaftliche Gemeinschaft entwickelt. Damit sollte die Qualität der Ergebnisse der BEM verbessert werden, ohne dabei die Rechenzeit zu erhöhen. Aber auch die vorhandenen Korrekturmodelle bieten noch einige Verbesserungsmöglichkeiten. Die Entwicklung von in höherem Maße zuverlässigen und physikalisch sinnvollen Modellen verlangt ein tiefes Verständnis der physikalischen Mechanismen, die die Extraktion von Energie aus dem Wind leiten.
In unserer Gruppe soll dieses Verständnis durch detailiertere numerische Berechnungen, so wie Reynolds gemittelte Navier-Stokes (RANS) und Detachted Eddy Simulationen (DES), erlangt werden. Momentan werden verschiedene aerodynamische Phänomene, so wie dreidimensionale Rotationseffekte, dynamische Ablösung, Turmschatten oder -vorstau, Verluste an der Blattspitze, u.s.w. untersucht. Dafür werden Messungen von verschiedenen Windturbinen, z.B. die MEXICO und NASA UAE Phase VI Turbinen verwendet.
Im Bild ist der Vergleich zwischen experimentellen und numerischen Ergebnissen an der MEXICO Anlage dargestellt.
Das Wissen, was wir von unseren Simulationen erlangen, wird zur Entwicklung von neuen Korrekturmodellen, sowie zur Optimierung von Rotorblättern, angewendet.

(Stand: 21.08.2020)