Dynamik und Destabilisierung von helikalen Wirbeln

• Antragsteller: Dr.-Ing. Thorsten Lutz; Dr.-Ing. Christian Nayeri
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 469304061

Nachlaufeffekte können die Stromerzeugung von Windparks erheblich reduzieren. Um ein schnelleres Ausfüllen des Geschwindigkeitsdefizits im Nachlauf zu erreichen, wird die Möglichkeit der Anregung des Nachlaufs als attraktive Möglichkeit angesehen. Für eine Entwicklung solcher Methoden ist das Verständnis über Instabilitäten und deren relevanter Parameter erforderlich. Das UBeRT-Projekt zielt darauf ab, die grundlegende Physik des Zerfalls des helikalen Nachlaufs zu untersuchen. Dies soll durch den Aufbau eines einzigartigen experimentellen Versuchsstands und numerische Untersuchungen erreicht werden. Die Nachlaufanregung soll anhand von drei Turbinenmodellen untersucht werden: i) Eine experimentelle Turbine (UBeRT), ii) ein kinematisch skalierter numerischer Zwilling des UBeRT (NumBeRT), mit Luft als Medium anstelle von Wasser, und iii) ein generisches 15-MW-Turbinenmodell für numerische Simulationen in Originalgröße (IEA 15 MW). Der UBeRT-Rotor soll im großen Wasserschleppkanal der TU Berlin betrieben werden, um eine höhere Reynoldszahl als im Windkanal zu erreichen. NumBeRT Simulationen dienen dazu, die Übertragbarkeit der Versuchsergebnisse auf Luft zu bewerten. Die numerischen Simulationen der IEA 15 MW-Windkraftanlage sollen Aufschluss über mögliche Skalierungseffekte liefern und die Auswirkung von Breitband-Turbulenzen in der Anströmung berücksichtigen. Grundlegende Untersuchungen des Modal- und Frequenzgehalts von helikalen Nachläufen unter Anregung lang- und kurzwelliger Instabilitäten ist erforderlich, um die zugrundeliegende Physik des Zerfalls des helikalen Nachlaufs zu verstehen. Langwellige Instabilitäten werden numerisch und experimentell über eine periodische Änderung der relativen Anströmgeschwindigkeit generiert. Kurzwellige Instabilitäten werden experimentell über einen an der Blattspitze erzeugten Sekundärwirbel angeregt, dessen Wechselwirkung mit dem Spitzenwirbel zu einer kurzwelligen Instabilität führen soll. Numerisch sollen sie über einen zusätzlichen Wirbel an der Blattspitze erzeugt werden, der eine elliptische Instabilität im Wirbelkern hervorrufen soll. Das vorgeschlagene Projekt zielt ferner darauf ab, instabile Moden zu identifizieren, die durch turbulente Anströmung angeregt werden. Wechselwirkungsmechanismen zwischen diesen Turbulenzen und dem helikalen Wirbel werden untersucht. Die Modalanalyse der Nachlaufentwicklung soll die Skalen der Störung identifizieren, die zum schnellsten Instabilitätswachstum führen. Hochaufgelöste Geschwindigkeitsfelder der Nachlaufentwicklung und des Zerfalls stromab des UBeRT-Rotors werden mittels Stereo-PIV erfasst. Mit der CFD-Software FLOWer werden hochauflösende Simulationen des NumBeRT-Rotors und der IEA15MW-Turbine durchgeführt. Beide Datensätze werden für Codevergleiche und die Validierung von Nachlaufmodellen niedrigerer Ordnung öffentlich verfügbar gemacht und ergänzen dadurch vorhanden Datensätze, die sich nicht explizit auf Nachlaufphänomene konzentrieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen