Entwicklung und Untersuchung eines neuartigen Dynamic-Stall-Modells für den Vorentwurf von Windkraftanlagen-Rotorblättern (WindDyS)
Projektdurchführung
Carl von Ossietzky Universität Oldenburg ForWind - Zentrum für Windenergieforschung Institut für PhysikKüpkersweg 70
26129 Oldenburg
Zielsetzung
Im Projekt WindDyS wurde das dynamische Verhalten aerodynamischer Querschnittprofile von Rotorblättern für Windenergieanlagen untersucht.
Bei dynamischer Veränderung des Anstellwinkels über den die Profile angeströmt werden, kann es durch die Dynamik zu einer Veränderung des Verhaltens im Bereich des Strömungsabrisses (Stall) kommen – dem sogenannten dynamischen Strömungsabriss (Dynamic Stall). Das Projekt WindDyS hat sich damit beschäftigt, dieses Verhalten genau mit numerischen Strömungsberechnungen zu simulieren und ein zuverlässiges Modell zu entwickeln, mit dem diese Berechnungen in industrielle Lastrechnungen übertragen werden können. Bisher werden hierbei angepasste Modelle eingesetzt, die ursprünglich für die Helikopter-Aerodynamik entwickelt wurden. Das Ziel des Projekts war es, durch ein verbessertes windenergiespezifisches Modell, die Entwicklung längerer, leichterer und damit auch flexiblerer Rotorblätter zu befördern, um den Bau von weniger aber größerer Windenergieanlagen in Zukunft zu ermöglichen und so die notwendigen Ressourcen für die Energiewende zu schonen.
Arbeitsschritte
In dem Projekt wurden für verschiedene, vor allem dicke Windenergie-Profile, umfangreiche numerische Strömungssimulationen durchgeführt, welche deren Eigenschaften unter verschiedenen Bedingungen abbilden. Die hochaufgelösten Simulationen wurden bei mehreren Reynoldszahlen und reduzierten Frequenzen durchgeführt und mit experimentellen Messdaten der Auftriebs- und Widerstandsbeiwerte verglichen. Die Ergebnisse der hochaufgelösten Strömungssimulationen sollten verwendet werden, um ein verbessertes Modell für das Auftreten von Dynamic Stall an Windenergie-Profilen zu erfassen. Auf Grundlage des für Lastrechnungen eingesetzten Onera-Modells wurde ein Ansatz implementiert, welcher es mit Korrekturen des Onera-Modells erlaubt, die Ergebnisse von solchen Rechnungen in einem vereinfachten und schnellen Modell für die Windenergieanwendung zu verbessern.
Ergebnisse
Aus den numerischen Daten wurde ein erweiterter Modellansatz für den dynamischen Strömungsabriss abgeleitet und basierend auf dem Onera-Modell implementiert. Hierbei wurde ein Ansatz zweiter Ordnung verfolgt, um die dynamischen Eigenschaften des dynamischen Strömungsabrisses besser abzubilden. Als Projektergebnis steht das weiterentwickelte Modell zweiter Ordnung zur Verfügung, jedoch war eine Umsetzung des weiterentwickelten Modells in die Open Source Software OpenFAST im Projekt nicht erreichbar. Der Grund dafür ist, dass das Modell höherer Ordnung wesentliche Anpassungen im Kern-Code von OpenFAST notwendig macht. Obwohl dieser Entwicklungsschritt noch nicht erfolgt ist, wurde mit dem verbesserten Modell ein Ansatz geschaffen, der in Zukunft gut dazu genutzt werden kann, um den dynamischen Stall in industriellen Lastrechnungen zu modellieren. Dabei werden die heutigen technologischen Möglichkeiten zur Berechnung der Aerodynamik optimal ausgenutzt, so dass verbesserte Lastberechnungen an modernen flexiblen Rotorblättern für die Windenergie durchgeführt werden können. Das Projekt hat daher zur Grundlage der Anlagenentwicklung größerer und flexiblerer Anlagen beigetragen und kann dadurch zukünftig auch im Designprozess zu einer Optimierung des Materialeinsatzes beitragen.
Öffentlichkeitsarbeit
Die Projektergebnisse wurden der Fachöffentlichkeit im Laufe des Projekts auf wissenschaftlichen Konferenzen präsentiert. Darüber hinaus wurden Ergebnisse als wissenschaftliche Artikel im Rahmen der Konferenzbände veröffentlicht.
1. Adeel-Ur-Rehman A., Kassem H., Stoevesandt B., Theron J. N., Peinke, J.: Improved perfomance of k- SST turbulence model in predicting airfoil characteristics for a wide range of airfoil thicknesses. In: Accepted at Journal of Physics: Conference Series, IOP Publishing, 2024
2. Adeel Ur Rehman A., Theron J. N., Kassem H., Stoevesandt B., Peinke J.: Numerical Simulations of Dynamic Stall for Wind Turbine Applications, Proceedings of the ECFD- Conference, Porto, 2024
Fazit
Im Projekt WindDyS konnte basierend auf hochaufgelösten numerischen Simulationen von Rotorblattprofilen eine Korrektur zweiter Ordnung an das in Lastrechnungen für die Windenergie eingesetzte Onera-Modell für den dynamischen Strömungsabriss entwickelt werden, die die Defizite des eigentlichen Onera-Modells reduzieren kann. Der Ansatz nutzt die heutigen technologischen Möglichkeiten zur Berechnung der Aerodynamik optimal aus und kann in Zukunft gut dazu genutzt werden um den dynamischen Stall in industriellen Lastrechnungen zu modellieren. Das Projekt hat daher zur Grundlage der Anlagenentwicklung größerer und flexiblerer Anlagen beigetragen.
Für eine Implementierung des Modells in den quelloffenen Lastrechnungscode OpenFAST sind grundlegende Anpassungen in OpenFAST erforderlich, die über eine enge Zusammenarbeit mit dem Entwickler-Team des Codes (NREL) in zukünftigen Arbeiten gemeinsam umgesetzt werden können. Hier besteht weiterer Forschungsbedarf.