Aerodynamik

Die Aerodynamik von Windenergieanlagen ist stark von turbulenten Bedingungen im Windfeld geprägt. Sie werden für diese Betriebsbedingungen optimiert, indem eine möglichst realitätsnahe Beschreibung des Windfeldes zugrunde gelegt wird. Diese Beschreibung auch für die Standortbewertung nutzbar zu machen, ist ein erklärtes Ziel der Forschung. Es werden verstärkt numerische Strömungssimulationen (Computational Fluid Dynamics – CFD) eingesetzt. Am Fraunhofer IWES wird dazu hauptsächlich der offene Code OpenFOAM genutzt.

Windenergieanlagen sind aerodynamisch getriebene Maschinen. Von der Aerodynamik der Anlagen hängen direkt Lasten, Leistung und auch größtenteils die Lärmentwicklung ab. Die permanente Verbesserung der Aerodynamik von Windenergieanlagen ist daher sowohl für den wirtschaftlichen Betrieb als auch für die Akzeptanz ein zentraler Punkt.

 

Um die Turbulenz korrekt zu beschreiben, ihre Auswirkungen zu studieren und zu analysieren, werden stochastische Methoden angewendet. In enger Kooperation mit ForWind werden verschiedene Einsatzmöglichkeiten wie z.B. der dynamischen Kennlinienbestimmung weiterentwickelt.

Abbildung der Vortizität einer 2MW-WEA

Im Fraunhofer IWES liegt der Hauptschwerpunkt auf der Weiterentwicklung numerischer Methoden zur verbesserten Berechnung der Aerodynamik mit CFD-Methoden mit OpenFOAM. Die wichtigen Wirbelstrukturen lassen sich bereits mit der RANS Methode bei hoher Genauigkeit darstellen (s. Abb. links).

Analogie von Simulationen und Experimenten

Dagegen können DDES-Rechnungen (engl. „Delayed-Detached-Eddy-Simulation“) die turbulenten Strukturen besser darstellen und  viel detaillierte Ergebnisse liefern als kostspielige Experimente. Die Videosequenz (links) zeigt die Analogie von Simulationen und Experimenten: Geschwindigkeitsfeld wie bei PIV (engl. „Particle Image Velocimetry), Ablöseverhalten wie bei Visualisierungen mittels UV-Ölfilm und flexible Druckverteilungen wie bei vielen Drucksensoren.

Regelungsverhalten kann mittels Aero-Servo-Simulationen umfassend untersucht werden. Dies liefert genauere Aussagen zu Ergebnissen von zertifizierten Lastberechnungs-Codes. Das Bild zeigt das Verhalten einer Windenergieanlage bei einer Extrem-Bö (engl. „Extreme Operating Gust“, EOG) bei Nennwindgeschwindigkeit.

Add-Ons wie beispielsweise Vortex-Generatoren (VG) werden heutzutage oft auf Rotorblättern installiert. In OpenFOAM können die VGs über das BAY[1]-Modell (nach Bender, Anderson und Yagle) oder auch voll-vernetzt simuliert werden. Das Bild zeigt die Ergebnisse der Anwendung des BAY-Modells beim Profil NACA 63-415.

[1]  Nach Bender, Anderson, und Yagle

Profile lassen sich sehr gut mit der adjungierten Methode optimieren, da hier die Optimierung unabhängig von der Anzahl der Designparameter ist. Damit können praktisch alle Profilpunkte als unabhängige Freiheitsgrade betrachtet werden. Beispielhaft ist die Auftriebsoptimierung dargestellt, in der ein definierter Auftriebsbeiwert erreicht werden soll.

Validierte CFD-Werkzeuge werden für den Entwurf und die Optimierung der aerodynamischen Geometrie genutzt. Dabei werden 3D-Strömungseffekte vollständig berücksichtigt. Zur individuellen Auslegung der Blätter können aerodynamische Profile mit validierten Simulationsmethoden genau analysiert und verbessert werden. Hierbei werden Methoden verwendet, die speziell die für Windenergieanlagen relevanten Turbulenzbedingungen im aerodynamischen Blattdesign berücksichtigen. Damit können Rotorblätter auch für ungewöhnliche Einsatzgebiete, wie z.B. Vertikalachser oder Lee-Läufer, ausgelegt und weiter verbessert werden.

 

 

Offene Schulungen

Fraunhofer IWES nutzt primär den offenen Code OpenFOAM® oder die Ableitung FOAM extended für die Berechnung numerischer Simulationen.     Auch wenn der Programm-Code offen ist, verlangt er Nutzern eine steile Lernkurve ab. Das Fraunhofer IWES bietet Schulungen für die Nutzung von OpenFOAM auf verschiedenen Leveln an:

•         Einführungskurse in OpenFOAM

•         Kurse für die Nutzung von OpenFOAM in der Standortbewertung oder Aerodynamik

•         Schulungen zur Programmierung in OpenFOAM

Veröffentlichungen

2016

Development and application of a grid generation tool for aerodynamic simulations of wind turbines
Rahimi, H.; Daniele, E.; Stoevesandt, B.; Peinke, J.
(Zeitschriftenaufsatz)

Wind engineering 40 (2016), Nr.2, S.148-172

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2015

Combined structural optimization and aeroelastic analysis of a Vertical Axis Wind Turbine (Konferenzbeitrag)
Roscher, B.; Ferreira, C.S.; Bernhammer, L.O.; Madsen, H.A.; Griffith, D.T.; Stoevesandt, B.

American Institute of Aeronautics and Astronautics -AIAA-, Washington/D.C.:
33rd Wind Energy Symposium 2015. Vol.1 : Kissimmee, Florida, USA, 5 - 9 January 2015; held at the AIAA SciTech Forum 2015
Red Hook, NY: Curran, 2015
S.333-342

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The impact of wake models on wind farm layout optimization (Konferenzbeitrag, Zeitschriftenaufsatz)
Schmidt, Jonas; Stoevesandt, Bernhard

Journal of physics. Conference series 625 (2015), Art.012040, 10 S.

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Numerical investigation on tower effects for downwind turbines (Abstr.)
Stoevesandt, B.; Habib, F.; Mehra, B.; Rahimi, H.; Peinke, J.

UL International GmbH, Wilhelmshaven:
DEWEK 2015. Book of abstracts : 12th German Wind Energy Conference, 19/20 May 2015, Bremen, Germany
Bremen, 2015
S.90

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Roof region dependent wind potential assessment with different RANS turbulence models (Zeitschriftenaufsatz)
Toja-Silva, F.; Peralta, C.; Lopez-Garcia, O.; Navarro, J.; Cruz, I.

Journal of wind engineering and industrial aerodynamics 142 (2015), S.258-271

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Wind farm layout optimization in complex terrain with CFD wakes (Konferenzbeitrag)
Schmidt, J.; Stoevesandt, B.

Paper presented at EWEA 2015, Europe's Premier Wind Energy Event, 17 - 20 November 2015, Paris, France

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Wind power energy in Southern Brazil: Evaluation using a mesoscale meteorological model (Zeitschriftenaufsatz & Konferenzbeitrag)
Krusche, Nisia; Peralta, Carlos; Chang, Chi-Yao; Stoevesandt, Bernhard

Energy Procedia 76 (2015), S.164-168

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