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Institut für Aerodynamik und Gasdynamik

Windenergie

Den Schwerpunkt der Arbeitsgruppe bilden numerische Studien zum Einfluss atmosphärischer Zuströmung und komplexer Geländeorographien auf die instationären Lasten, die Verformungen sowie die Lärmemission von Windturbinen. Die Erkenntnisse fließen in die Entwicklung passiver und aktiver Maßnahmen zur Lasten- und Lärmkontrolle ein.

Zur Simulation der Aerodynamik und Aeroelastik setzen wir CFD Verfahren auf RANS Basis sowie hybride RANS / LES Methoden in Kombination mit verschiedenen Strukturlösern ein, wobei die CFD Berechnungskette sukzessive für Anwendungen im Windenergiebereich erweitert wird. Neben der numerischen Studie komplexer Wechselwirkungen werden Technologien zur passiven und aktiven Lastreduktion erarbeitet und bewertet.
Darüber hinaus besteht in der Arbeitsgruppe eine lange Tradition in Studien zur Aeroakustik von Windturbinen und in der Entwicklung von Maßnahmen zur Lärmreduktion. Die Arbeitsgruppe kooperiert mit verschiedenen Windturbinen-Herstellern und bietet Unterstützung bei der Untersuchung komplexer aerodynamischer Effekte sowie bei Entwurfsaufgaben an. Dies beinhaltet insbesondere die Entwicklung aerodynamisch und aeroakustisch optimierter Rotorblattprofile.

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Detaillierte Nachlaufsimulation

Rotoraerodynamik

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Die Untersuchung der Aerodynamik einer Windenergieanlage ist nicht nur wichtig zur Bestimmung der Leistung, sondern auch bei der Bestimmung von Lasten und Lastfluktuationen. Da die Größe und Leistung von Windenergieanlagen immer weiter zunehmen sind Messungen oft nicht möglich oder zu teuer. Daher werden numerische Methoden verwendet, um die aerodynamischen Eigenschaften der Windenergieanlagen zu untersuchen. Aus diesem Grund wurde am IAG eine hochgenaue, CFD-basierte Prozesskette entwickelt. Diese besteht aus einem Gittergenerator, der eine skriptbasierte, automatisierte Vernetzung der Geometrie ermöglicht, dem blockstrukturierten CFD Code FLOWer vom DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt), der in der Arbeitsgruppe kontinuierlich für Windenergieanwendungen weiterentwickelt und eingesetzt wird. Zur Erfassung aeroelastischer Effekte wurde eine zeitechte Kopplung mit einem Mehrkörpersimulationsprogramm sowie mit einem FEM-Löser implementiert. 

Die atmosphärische Grenzschicht hat einen beträchtlichen Einfluss auf die Rotorlasten. Daher wurde der verwendete CFD-Code mit einer instationären Einströmrandbedingung erweitert. Diese Randbedingung erlaubt die Simulation von instationären Atmosphärengrenzschichten. Dadurch ist es möglich Windenergieanlagen unter realitätsnahen atmosphärischen Bedingungen (Windgeschwindigkeiten, Dichte und Turbulenz) zu simulieren und die Wechselwirkung zwischen atmosphärischer Grenzschicht inklusive aufgelöster Turbulenz und der Anlage sowie deren Nachlauf zu berechnen. Ebenso lässt sich der Einfluss komplexer Geländeorographien oder von Vegetation auf die Zuströmbedingungen der Anlage erfassen.

Es existiert ein zunehmendes Interesse in der numerischen Simulation von instationären aerodynamischen Effekten und der Berechnung der Wechselwirkung des Nachlaufs mit der turbulenten Atmosphärengrenzschicht, um den Einfluss auf die Anströmbedingung für nachfolgende Anlagen, die Lasten und Lastfluktuationen zu bestimmen. Hierzu wird der Nachlauf fein aufgelöst und mit Verfahren höherer Ordnung berechnet.

 

Die aerodynamischen Eigenschaften eines Rotorblattes und damit die Leistungsfähigkeit einer Windenergieanlage werden von der Auslegung der Profilschnitte maßgeblich mitbestimmt.

Das IAG hat eine langjährige Erfahrung in der aerodynamischen und akustischen Auslegung von Profilen für Windenergieanwendungen sowie der Bewertung von Profilen. Die Profile werden gezielt auf die spezifischen Anforderungen der betrachteten Anlage entwickelt. Eine Überprüfung der theoretischen Ergebnisse ist für den Unterschallbereich im Laminarwindkanal des Instituts möglich, der einen außergewöhnlich niedrigen Turbulenzgrad aufweist. Neben Polaren, Druckverteilungs- und Grenzschichtmessungen sind in diesem Kanal Messungen des Hinterkantenlärms unter Anwendung der so genannten CPV Methode möglich. Die dort durchgeführten umfangreichen experimentellen Untersuchungen kommen der Weiterentwicklung der Profilentwurfs- und Analyseverfahren zu Gute.

  • Analyse, Entwurf und numerische Optimierung von Profilen
  • Aeroakustischer Entwurf "leiser Profile"
  • Verfahrensentwicklung
    • Grenzschichtmethoden, Umschlagsermittlung, Modellierung laminarer Ablöseblasen
    • Lärm-Vorhersagemodelle
    • Optimierungsverfahren
  • Windkanalvermessung von Profilen
    • Bau von Windkanalmodellen
    • Aerodynamische Messungen (Polaren-, Grenzschicht- und Druckverteilungsmessungen)
    • Aeroakustische Messungen

Rotorakustik

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Am Institut für Aerodynamik und Gasdynamik der Universität Stuttgart wurden verschiedene Modelle zur effizienten Berechnung des Hinterkantenlärms entwickelt (Xnoise, XEnoise und Rnoise). Die Berechnungsergebnisse dieser Modelle wurden mit Messungen aus dem Laminarwindkanal des Instituts validiert, um sie zur akustischen Analyse und zum Entwurf lärmarmer Profile zu qualifizieren. Die oben genannten Modelle sind im Programm IAGNoise, das über eine grafische Oberfläche verfügt, implementiert. IAGNoise wurde zudem für die Anwendung auf 3D Geometrien erweitert. Dazu wird das Rotorblatt in mehrere 2D Profilschnitte unterteilt. Der Gesamtlärm der Anlage wird dann durch Aufsummierung der Anteile der einzelnen 2D Schnitte unter Berücksichtigung des Dopplereffekts für vorgegebene Beobachterpositionen bestimmt.

Das IAG untersucht das Potential aktiver und passiver Maßnahmen zur Reduktion des strömungsinduzierten Lärms der Rotoren von Windenergieanlagen. Die erzielte Lärmreduktion kann zur Erhöhung der Akzeptanz von On-Shore Anlagen beitragen sowie über eine Erhöhung der möglichen Rotordrehzahl zu einer Leistungssteigerung künftiger Windturbinen genutzt werden. Die Arbeiten in diesem Bereich konzentrieren sich auf die Reduktion des grenzschichtinduzierten Hinterkantenlärms, der die dominante Lärmquelle darstellt. Dabei kommen passive (Profilentwurf, Hinterkantenmodifikation) und aktive Maßnahmen (Absaugen, Ausblasen) zum Einsatz. Es zeigte sich unter anderem, dass durch konstante, flächige Absaugung eine erhebliche Lärmreduktion erzielt werden kann. Am IAG werden sowohl numerische als auch experimentelle Studien in diesem Bereich durchgeführt.

Die Lärmentwicklung ist ein wichtiger Aspekt bei der Entwicklung von On-Shore Windenergieanlagen. Der entstehende Lärm beeinträchtigt die Akzeptanz von Windenergieanlagen in der Bevölkerung. Die strengen Lärmschutzregularien fordern ernsthafte Anstrengungen der Hersteller zur Lärmreduktion. Der strömungsinduzierte Lärm ist dabei rechnerisch schwierig zu erfassen und zu reduzieren. Ein, im Hinblick auf die Zulassung wichtiger Lärmanteil, ist der sogenannte Hinterkantenlärm. Dieser entsteht durch Interaktion der Druckfluktuationen in der Grenzschicht mit der Hinterkante der Rotorblätter. Die Druckfluktuationen wiederum entstehen durch turbulente Strukturen in der Grenzschicht. Da der Zustand der Turbulenz in der Nähe der Hinterkante durch die Entwicklung der Grenzschicht und somit durch die Form der Druckverteilung im Profilschnitt bestimmt wird, ist es nahe liegend, dass der Hinterkantenlärm durch einen adäquaten Profilentwurf reduziert werden kann. Ziel dabei ist es, den Lärm zu verringern, möglichst bei gleichzeitiger Erhöhung der aerodynamischen Leistung.

Basierend auf umfangreichen Erfahrungen in der Aerodynamik und Aeroakustik von Profilen analysiert das IAG unter Verwendung eigener Akustikmodelle Profile in Hinblick auf die Identifikation potentieller Lärmquellen bei gleichzeitiger Erarbeitung von Maßnahmen zu deren Reduktion.

                                                    

                                                    

Bildergalerie TORQUE 2016

The science of making Torque
from wind

Dr.-Ing. Thorsten Lutz

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Dr.-Ing.

Thorsten Lutz

Leiter Luftfahrzeugaerodynamik / Leiter Windenergie