Effiziente numerische Untersuchung von Strömungskontrolle an Rotoren von Windenergieanlagen unter realistischen Bedingungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Oliver Paschereit
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 218654480

Das gemeinsame Ziel des DFG Antrages ist es Auslegungs- und Simulationsmethoden zur Untersuchung aktiver Strömungskontrolle an Windenergieanlagen durch numerische und experimentelle Untersuchungen zu verbessern. Neben detaillierten CFD Simulationen werden in diesem Rahmen auch numerisch effizientere Auslegungstools verwendet. Durch geringere Rechenkosten erlauben diese, im Gegensatz zur CFD, parametrische Untersuchungen sowie die Simulation sehr langer Zeitreihen unter realistischen turbulenten Anströmbedingungen. Diese Auslegungstools werden im Anschluss an die detaillierten numerischen und experimentellen Untersuchungen, im Rahmen des Projektes, dazu verwendet die erzielten Ergebnisse auf real existierende Windenergieanlagen zu projizieren. Im ersten Teil des Partnerprojektes 1 (PP1) wurde eine Simulationsumgebung für die aero-elastische Untersuchung von Strömungskontrolle an WEA entwickelt und validiert. Anschließend wurde diese genutzt um verschiedene Konzepte zur Strömungskontrolle zu Untersuchen und ihren Einfluss auf die Anlagenbelastung und Leistung zu quantifizieren. Allerdings sind eine Reihe von Aspekten bei den bisherigen Untersuchungen unberührt geblieben: Da WEA in der Realität in großen Windparks zum Einsatz kommen, ist es für eine realistische Betrachtung der eingesetzten Strömungskontrollmethoden, wichtig neben den ungestörten turbulenten Anströmbedingungen auch den Einfluss der Nachläufe Stromauf positionierter WEA, auf die Anlagenbelastung und Leistung zu berücksichtigen. Eine andere Fragstellung, die in diesem Fortsetzungsantrag bearbeitet werden soll, betrifft die Interaktion zwischen den Reglern der Strömungskontrollelemente und denen der Anlagenführung. Um diese verschiedenen Aspekte zu beleuchten soll die Funktionalität und Modellierung der bisher entwickelten Simulationsumgebung erweitert werden. In einem ersten Schritt wird die aerodynamische Modellierung (basierend auf der Lifting Line Methode) um ein Modell, welches dynamische Strömungsablösung abbilden kann, erweitert. Diese dynamischen Effekte können unter gestörter, schräger oder turbulenter Anströmung am gesamten Blatt auftreten und tragen maßgeblich zu den auftretenden Lasten bei. Um die Interaktion zwischen Anlagenkontrolle sowie Strömungskontrolle zu modellieren, werden moderne WEA Controller in die Simulation integriert. Anschließend wird das Tool erweitert, um neben einzelnen WEA auch Konfigurationen von mehreren WEA, und ihre gegenseitige Beeinflussung berechnen zu können. Ein Fokus während dieser Erweiterung ist eine möglichst effiziente Implementierung der verschiedenen Modelle um im Anschluss an deren Entwicklung eine große Anzahl von Lastfällen unter verschiedenen Anströmbedingungen mit vergleichsweise geringem Rechenaufwand simulieren zu können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Christian Nayeri