A2 – Modellierung des dynamischen Strömungsabrisses unter realen Betriebsbedingungen

Der dynamische Strömungsabriss führt zu instationären Belastungen, die die Rotorblätter zu Schwingungen anregen. Diese Schwingungen tragen zur mechanischen Ermüdung bei und können zum Ausfall des Rotors führen. Die Vorhersage dieser Belastungen und ihrer Auswirkungen auf die aeroelastische Stabilität des Rotorblatts ist für den Aufbau zukünftiger Windenergieanlagen entscheidend.  Während der ersten Förderperiode hat das Teilprojekt A2 ein CFD-Modell zur Vorhersage des dynamischen Strömungsabrisses an Windenergieanlagen validiert, eine Parameterstudie zur Untersuchung der Empfindlichkeit grundlegender Geometrie- und Strömungsparameter auf den dynamischen Strömungsabriss durchgeführt und ein Modell reduzierter Ordnung (ROM) zur Vorhersage des dynamischen Strömungsabrisses und der dadurch verursachten instationären Belastungen an großen Windenergieanlagen entwickelt. Dieses Modell wird als das initiale ROM bezeichnet. Die Parameterstudie konzentrierte sich auf den dynamischen Strömungsabriss, der durch Torsionsmoden des Blattes und eine konstante Anströmgeschwindigkeit verursacht wird.

Ziel der zweiten Förderperiode ist es, das initiale ROM unter realistischeren Betriebsbedingungen zu verbessern und zu validieren, indem überlagerte Torsions- und Biegemoden zusammen mit instationären Windfeldern berücksichtigt werden. Dieser neue Ansatz wird in zwei Schritten durchgeführt. Diese Modelle verbessern die Vorhersage der dynamischen Lasten, die während des Auslegungsprozesses auf die Rotorblätter von Offshore-Megastrukturen wirken, und erhöhen die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Lastvorhersage. Das finale ROM wird in der Lage sein, den Einfluss verschiedener Rotorgeometrien und Strömungsparameter auf den dynamischen Strömungsabriss zu simulieren, was in Kombination mit dem geringen Rechenaufwand eine kosteneffektive aerodynamische Auslegung von Rotorblättern ermöglicht, so dass diese weniger anfällig für aeroelastisches Versagen und Ermüdung sind. Um realistische Windfelder zu berücksichtigen, müssen am Einlass große Wirbel vorgegeben werden, die sich stromabwärts in kleinere Wirbel auflösen. Dies kann von Turbulenzmodellen auf der Grundlage der Wirbelviskosität, die bisher bei instationären Reynolds-gemittelten Navier-Stokes-Simulationen (URANS) verwendet wurden, nicht erfasst werden.

Die Hypothese ist, dass skalenauflösende Simulationen (SRS) bei sehr hohen Reynolds-Zahlen in der Lage sind, den dynamischen Strömungsabriss vorherzusagen, der durch realistische Blattbewegungen und instationäre Windfelder an Megastrukturen von Windkraftanlagen verursacht wird. Überlagerte Torsions- und Biegebewegungen des Blattes (Lieferung aus SP B03) und instationäre Windfelder (Lieferung aus SP A01 & SP A07) werden sowohl in High-Fidelity- (SRS) als auch in Mid-Fidelity- (ROM) Simulationen angewendet. Die wichtigste methodische Innovation dieses Teilprojekts ist ein verbessertes und umfassend validiertes ROM, das die transienten Belastungen unter realistischen Betriebsbedingungen vorhersagt.  In der ersten Förderperiode wurden Experimente zum dynamischen Strömungsabriss bei einer maximalen Reynolds-Zahl von 0,35 M zur Validierung des CFD-Aufbaus verwendet. Die kürzlich veröffentlichten experimentellen Ergebnisse von Kiefer et al. (2022) zu instationären dynamischen Belastungen mit einer maximalen Reynolds-Zahl von 5,5 M werden in der zweiten Förderperiode zur Validierung der High-Fidelity-CFD-Simulationen herangezogen.

Das Teilprojekt ist Teil des Projektbereichs A, Auslegungsrandbedingungen, in dem es realistische Blattverformungen, instationäre Windfelder und Turbinen-Nachläufe mit High-Fidelity-CFD-Simulationen analysiert, um die aeroelastische Stabilität der Rotorblätter zu gewährleisten. Kritische Anströmbedingungen und Blattverformungen, die zum dynamischen Strömungsabriss führen können, werden identifiziert, geprüft und mit den Teilprojekten A01, B03 und Z01 ausgetauscht, um ein ganzheitliches Design des digitalen Zwillings (DT) zu gewährleisten. Die Modelle für den dynamischen Strömungsabriss werden während dieses Förderzeitraums direkt in den digitalen Zwilling integriert.