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Development of a hybrid vortex method for wind turbine rotor aerodynamics = Entwicklung einer hybriden Wirbel-Methode zur Untersuchung der Rotoraerodynamik von Windenergieanlagen
2021
Dissertation, RWTH Aachen University, 2021
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-02-05
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
aerodynamics (frei) ; panel method (frei) ; particle method (frei) ; rotor (frei) ; vortex method (frei) ; wind turbine (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
Aktuelle Schätzungen gehen davon aus, dass sich der Anteil der Windenergie am globalen Energiemix bis 2050 verfünffachen wird. Auch wenn Windenergie bereits heute eine etablierte Energiequelle darstellt, ist weitere Forschung in diesem Bereich unerlässlich, um den zukünftigen technischen Herausforderungen, die sich aus der prognostizierten Ausbreitung dieser Technologie ergeben, effizient begegnen zu können. Im Bereich der Rotoraerodynamik von Windenergieanlagen werden in der industriellen Lastrechnung fast ausschließlich Methoden genutzt, die auf der Blattelementtheorie (BET) basieren. Dabei kommen Korrekturmodelle zum Einsatz, die aufgrund ihres semi-empirischen Charakters zu einer Unsicherheit in der Lastvorhersage führen. Da höherwertige Methoden, wie sie z.B. im Bereich der Forschung genutzt werden, im industriellen Umfeld aufgrund ihres hohen Rechenaufwand nicht anwendbar sind, werden genauere Auslegungstools benötigt, die speziell auf die Anwendung in der Industrie zugeschnitten sind. Panelverfahren stellen hierfür einen besonders vielversprechenden Ansatz dar. Um ihr Potential hinsichtlich der Verbesserung der aerodynamischen Lastvorhersage bewerten zu können, wurde ein dreidimensionales Panelverfahren, welches mit einem Partikelverfahren gekoppelt werden kann, implementiert. Anhand von experimentellen und numerischen Ergebnissen für die axiale und schräge Anströmung eines dreiblättrigen Rotors wurde die aerodynamische Vorhersagegenaugikeit dieser Methode untersucht. Für den Fall der senkrechten Anströmung des Rotors zeigt sich, dass die Vorhersagegenauigkeit des Panelverfahrens der von BET-basierten Ansätzen, sowie RANS (Reynolds-averaged Navier–Stokes) Simulationen ebenbürtig ist, sofern der nicht modellierte Einfluss der Grenzschicht auf Basis einer Abschätzung berücksichtigt wird. Hierbei ist die benötigte Rechenzeit (O(10^0) - O(10^1) Stunden) jedoch deutlich geringer, als bei höherwertigen Methoden (z.B. RANS Simulationen). Für den Fall der Schräganströmung zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass der dreidimensionale Charakter der Anströmung des Rotors von den Panelverfahren inhärent erfasst wird, ohne dass ein semi-empirisches Korrekturmodel benötigt wird. Zur Beschleunigung des implementierten Verfahrens wird der Grafikprozessor (GPU) einer modernen handelsüblichen Grafikkarte verwendet. Zusätzlich wird eine neuartige "Pseudopartikel"-Methode vorgestellt, die den benötigten Rechenaufwand deutlich reduziert. Dieses Setup ermöglicht es, selbst komplexe Simulationen auf einem handelsüblichen Desktopcomputer durchzuführen. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass Panelverfahren entscheidend zur Verbesserung der industriellen aerodynamischen Lastberechnung im Bereich der Rotoren von Windenergieanlagen beitragen können.Current estimates assume that the share of wind energy in the global energy mix will increase fivefold until 2050. Although wind energy has left its early stages of development and already is a well-established source of electricity, additional research is needed to face future engineering challenges that arise from the deployment expansion of this technology. In the field of wind turbine rotor aerodynamics, the current industrial load calculation almost entirely relies on low-fidelity models, e.g. methods that are based on the blade-element-momentum theory (BEMT). Due to their low computational cost they provide a valuable tool for the iterative design process. However, their prediction performance strongly depends on the fidelity of semiempiric submodels. Since computing-intensive high-order methods are not applicable in industry to tackle the uncertainty caused by the use of these models, a new generation of tailor-made engineering tools which represent a compromise between computing time and accuracy is needed. Vortex panel methods are particular promising to close this gap. To gain further insights on their potential to enhance the aerodynamic load calculation of wind turbine rotors, a three-dimensional vortex panel method was implemented, which can be augmented with a vortex particle method. Based on experimental and numerical findings for the flow over a three-bladed rotor, the aerodynamic prediction performance of the implemented vortex panel method is assessed for axial and yawed inflow conditions of the rotor. For the axial inflow of the rotor, it is demonstrated that the predictions of the panel method are on a par with the findings of BEMT-based approaches and Reynolds-averaged Navier–Stokes (RANS) solvers, if the missing influence of the boundary layer is taken into account by an estimation. At the same time, the required computing time using the vortex panel method is in the range of O(10^0) to O(10^1) hours on a standard desktop computer, which is a fraction of the time of higher-order methods using the same hardware setup. Furthermore, it is demonstrated for yawed inflow conditions of the rotor that the implemented method inherently captures the three-dimensional character of the flow around the rotor without the need for a semi-empiric inflow model. To accelerate the implemented vortex method, the graphic processing unit (GPU) of a modern consumer graphics card is used. In addition, a novel pseudo-particle method is presented which overcomes the n-body problem characteristics of vortex methods. This combination allows to conduct complex simulations on a standard desktop computer without the need for a multi-core cluster. The findings of this thesis show that vortex panel methods represent perfectly tailored tools to close the gap between current low and high-fidelity methods applied in the field of computational aerodynamics. Therefore, they offer a huge potential to enhance the industrial aerodynamic load calculation of wind turbine rotors.
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis/Book
Format
print
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT020871490
Interne Identnummern
RWTH-2021-02430
Datensatz-ID: 814934
Beteiligte Länder
Germany
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