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Numerische Untersuchung instationärer Effekte in Strömungsmaschinen

Prinzipskizze einer vertikalen Windkraftanlage und Koordinatensysteme.
Geschwindigkeitsfelder beim Auf- bzw. Abwärtsschlag des Tragflügels

Numerische Simulationsmethoden mittels CFD ermöglichen die gezielte Untersuchung und Quantifizierung von Strömungen, wobei durch die Wahl des physikalischen Modells bzw. von Randbedingungen einzelne Phänomene u.U. besser als in einem Experiment isoliert werden können. Im vorliegenden Projekt werden instationäre Strömungen um Tragflügel unter dynamischer Variation des Anstellwinkels bzw. der Anströmgeschwindigkeit untersucht. Der Hintergrund des Projektes ist die Untersuchung und Quantifizierung der aerodynamischen Lasten an vertikalachsigen Windkraftanlagen (Darrieus-Anlagen). Die Strömung um diese Anlagen ist u.a. durch eine ausgeprägte Instationarität gekennzeichnet. Aufgrund der Kinematik der Tragflügelprofile erfahren diese eine komplexe Überlagerung aus Anstellwinkeländerung und oszillierender Längsbewegung. Die Auslegung von vertikalen Windkraftanlagen mit herkömmlichen Ansätzen (z.B. „actuator disc“ Prinzip) ist daher nicht möglich. Das Projekt zielt darauf ab, verlässlichere Modelle für die Auslegung von vertikalen Windkraftanlagen vorzustellen. Gleichzeitig soll ausgelotet werden, welche Leistungssteigerungen durch Ausnutzung der dynamischen Effekte am Flügel möglich sind. Die eingesetzten Verfahren basieren derzeit auf Parametermodellen (multiple-streamtube model), welche bei vergleichseise geringem Rechenaufwand quantitative Aussagen zur Leistung von derartigen Anlagen ermöglichen – wegen der Verwendung von empirischen Daten und zahlreicher Vereinfachungen allerdings mit recht großen Unsicherheiten. Im Gegensatz dazu können mit CFD Methoden detailliertere und u.U. verlässlichere Daten gewonnen werden. Der numerische Aufwand ist hierfür allerdings extrem hoch. Zur Analyse der Strömung liefern diese Verfahren wertvolle Daten. Diese werden eingesetzt, um die Anwendbarkeit und Validität von Parametermodellen zu verbessern und somit bessere Aussagen Auslegung und Optimierung vornehmen zu können.

Das Projekt wird im Rahmen des ProInno II Programms gefördert.

Kontakt

Dr.-Ing. Merim Mukinovic, Raum 120, Tel. 05323 72-3563

Veröffentlichungen

  • Ahamdi, S., „Numerische Simulation der Strömung um ein oszillierendes Tragflügelprofil“, Diplomarbeit, Institut für Technische Mechanik, TU Clausthal, 2008.
  • Rahimi, A., „Numerische Untersuchung der Strömung in einer Vertikalwindkraftanlage“, Diplomarbeit, Institut für Technische Mechanik, TU Clausthal, 2008.
  • Mukinovic, M., Brenner, G., „Berechnung und Optimierung einer Vertikal-Windenergieanlage“, Institut für Technische Mechanik, Interner Bericht, B060014, 2006.
  • Mukinovic, M., Brenner, G., Rahimi, A., „Aerodynamic Study of Vertical Axis Wind Turbines“, Proc. ParCFD Conference, Lyon, 2008.
  • Mukinovic, M., Brenner, G., Rahimi, A., „Analysis of Vertical Axis Wind Turbines“, 16th DGLR Symposium of STAB, Aachen, 2008.
 

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