ISBN 9783868538625

978-3-86853-862-5, Reihe Strömungsmechanik

Swen Streiner
Beitrag zur numerischen Simulation der Aerodynamik und Aeroelastik großer Windkraftanlagen mit horizontaler Achse

224 Seiten, Dissertation Universität Stuttgart (2011), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der verbesserten Analyse aeroelastischer Phänomene an Windkraftanlagen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Untersuchung und Verbesserung der dabei zugrundeliegenden Aerodynamikberechnung.

Es wird zunächst auf das weiterentwickelte Programm ARLIS eingegangen, welches zur linearen, dynamischen Untersuchung von Windkraftanlagen mit horizontaler Achse dient und Stabilitätsanalysen basierend auf dem Verfahren nach Floquet durchführt. Die Untersuchungen und Vergleiche mit messtechnisch ermittelten Ergebnissen zeigen einen deutlichen Einfluss der aerodynamischen Dämpfung auf die Gesamtdämpfung der Schwenkeigenformen auf, welcher in erster Linie auf die einfache aerodynamische Modellierung in ARLIS zurückgeführt wird.

Aus diesem Grund befasst sich ein weiterer Teil der vorliegenden Arbeit mit der Verbesserung der Berechnung der aerodynamischen Lasten und deren Einfluss auf die Stabilitätsanalyse. Zum einen wird ein Korrekturmodell zur Berücksichtigung dreidimensionaler Strömungseffekte mittels empirischer Gleichungen in ARLIS implementiert, wobei sich jedoch nur ein vernachlässigbarer Einfluss auf die Ergebnisse der Stabilitätsuntersuchungen zeigt. Aus diesem Grund werden zum anderen CFD-Simulationen des isolierten Rotors durchgeführt. Es zeigt sich, dass die CFD-Simulation besser in der Lage ist die am Windkraftanlagenrotor auftretenden dreidimensionalen Effekte zu erfassen. Aus den CFD-Berechnungen werden obendrein 3D-Profilpolaren an ausgewählten Querschnitten extrahiert, welche alle eine Verschiebung zu höheren, maximalen Auftriebsbeiwerten bei größeren Anstellwinkeln aufzeigen. Die Weiterverwendung der extrahierten Profilbeiwerte im Fall der aeroelastischen Berechnung mit ARLIS zeigt einen ausgeprägteren Einfluss auf die Dämpfung der Rotoreigenformen.

Abschließend wird eine Möglichkeit aufgezeigt die aerodynamischen Ergebnisse der CFD Rechnung direkt mit Programmen zur Berechnung der Strukturdynamik auszutauschen. Dazu wird eine Fluid-Struktur-Kopplung über ein einfach gestaffeltes, partitioniertes Kopplungsschema umgesetzt. Die Berechnungen werden bei homogener Zuströmung und konstanter Drehzahl durchgeführt, so dass sich nach Abklingen des Einschwingvorganges bei ausreichender Simulationszeit ein quasistationärer Zustand einstellt. Unter der Voraussetzung eines geeigneten Rechengitters liefert das Verfahren für diesen Zustand Ergebnisse mit einer guten Übereinstimmung mit durchgeführten BEM-Referenzrechnungen.