OpenFOAM CFD Simulation einer Windkraftanlage


Instationäre CFD Simulationen von Windkraftanlagen liefern detaillierte Einblicke in die Struktur, die Größe und Stärke von Wirbelschleppen. Diese stromabwärts auftrendenden Wirbel gepaart mit der stark verlangsamten Luftströmung im direkten Windschatten des Rotors wirken sich auf die Effizienz weit stromabwärts liegender Windräder aus. Parameter wie die Windgeschwindigkeit, die Form des Windprofils, Anstellwinkel der Rotorblätter, landschaftliche Gegebenheiten etc. lassen sich in der Simulation physikalisch korrekt abbilden und als Design-Kriterien für Aufstellungsorte und Anordnungsmuster von hoch effizienten Windparks bereits in der Planungsphase heranziehen.

Als Beispiel wird die Simulation eines typischen Windrades mit einer nominellen Leistung von 2,3MW präsentiert. Das angewandte Windprofil und die simulierte Geometrie sind in der Grafik rechts abgebildet.

Kenndaten des untersuchten Windrades und Simulationsparameter:

Nabenhöhe: 78m, Rotordurchmesser: 80m
Exponentielles Windprofil, Turbulenzintensität: 5%
Windgeschwindigkeit auf Nabenhöhe: 15,3 m/s
Umfangs-Geschwindigkeitsverhältnis: 6
Anstellwinkel der Rotorblätter: 10°

 


Code-Entwicklung parametrischer Windprofile als Randbedingung der Simulationen

Dem oben erklärten Ansatz folgend haben wir eine instationäre simulation des Windrades angesetzt und die Vortizität (Verwirbelung) die durch das Drehen der Rotorblätter entsteht visualisiert (siehe Video unten). Die Verwirbelung ist dort am stärksten sichtbar, wo sich die Rotorblätter am schnellsten drehen: an den Spitzen. Neben der Turbulenz sieht man auch sehr schön den vertikalen Verlauf der Windgeschwindigkeit, der eine Stauchung der "Turbulenzhelix" verursacht. Ebenfalls sichtbar (visualisiert duch die blau gefärbten Bereiche im Video) ist der Verlust an Windgeschwindigkeit über den Querschnitt des Rotors - der Rotor erntet Impuls aus der bewegten Luft.

Für dieses Video haben wir einen hoch-qualitativen LES-Ansatz benutzt. Unserer Erfahrung nach erzielen wir damit konsistent Ergebnisse von höherer Qualität als mit anderen, weniger aufwändigen Simulationsmethoden. Zusätzlich haben wir hier am Strömungseinlass synthetische Turbulenzen (Windböen) hinzugefügt (zu sehen als einströmende "Klumpen") um zu zeigen, dass diese Simulationen auch mit solchen, realitätsnahen Eingangsparametern durchgeführt werden können.

Windböen können wir selbstverständlich auch auf Basis von beliebigen vertikalen Windgeschwindigkeitsprofilen generieren. Besonders für onshore Windturbinen verwenden wir einige Vorläufersimulationen um das Geschwindigkeitsprofil am Einlass genau und vor allem realitätsnah zu definieren. Ein Beispiel: Windräder werden oft am höchsten Punkt von Hügeln oder Bergrücken platziert, jedoch erreicht der Wind die Turbine in solchen Fällen selten horizontal. Vielmehr ergibt sich durch das Terrain oftmals eine ausgeprägte Aufwärtsströmung die die auf Turm, Blades und Getriebe wirkenden Kräfte drastisch verändert. Aus diesem Grund arbeiten wir mit progressiven Simulationen beginnend bei der groben meteorologischen Simulation die den Input für eine feinere RANS Simulation liefert, die wiederum den Input für die LES bestimmt um so ein sehr viel realistischeres Bild der lokalen Strömungsbedingungen zu erhalten. Werden solche Informationen im Planungsprozess berücksichtigt, ist es möglich die Windturbine optimal auf den Ort auszulegen an dem sie installiert wird.




Video herunterladen: HD ready (720p) | Full HD (1080p)

Der Vergleich mit der simpleren k-epsilon Simulation ohne Turbulenz am Strömungseingang (siehe Video unten): Obwohl das Gesamtbild recht ähnlich aussieht, gibt es große Unterschiede in den Turbulenzen um den Rotor, wobei die LES ein sehr viel differenziertes Bild zeichnet, das wesentlich naturgetreuere Aussagen erlaubt.




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Reality Check

In einem großen PIV (particle image velocimetry) Experiment der Universität von Minnesota wurden alle diese Phänomene an einer Windturbine in industriellem Maßstab gezeigt. Einzelheiten darüber findet man in diesem Artikel mit dem Titel "Natural snowfall reveals large-scale flow structures in the wake of a 2.5-MW wind turbine", veröffentlich in Nature. Ein schönes Video über das Experiment ist auf der entsprechenden Internetseite Super-Large-Scale Flow Visualizations der Universität von Minnesota zu finden. Im Vergleich zwischen dem Experiment und der Zeitlupen-Animation unserer Simulation (siehe Video unten) kann man deutlich die qualitativ selben Strömungsmuster erkennen obwohl die Bedingungen des realen und des virtuellen Experimentes nicht angeglichen wurden.



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