Gittererstellung und CFD-Simulationen von Windenergieanlagen

Die Diskretisierung des Strömungsgebiets im Rahmen der Gittererstellung, dem Pre-Processing, ist der erste Schritt einer CFD-Simulation. Allerdings ist die Erstellung eines hochwertigen Gitters häufig komplex – insbesondere bei komplizierten Geometrien wie Rotorblättern.

Am Fraunhofer IWES wurden deshalb zwei Tools zur automatischen Erstellung von strukturierten Gittern ganzer Windenergieanlagen entwickelt: bladeBlockMesher und windTurbineMesher. Diese Tools können die Komplexität beim Pre-Processing reduzieren und den Nutzern hoch-effiziente CFD-Rechnungen ganzer Anlagen ermöglichen. Nachfolgend einige Abbildungen zur Visualierung dieser Methode. Ein vollständiges Gitter der NREL phase-VI-Anlage ist zudem im Fraunhofer Gitlab abrufbar.

 

 

Quaderförmige Domain einer Anlage mit Turm (erstellt mit windTurbineMesher)

Halbkugel-Domain für eine Simulation verschiedener Anströmrichtungen (erstellt mit windTurbineMesher)

Oberflächengitter eines Blattes im Wurzelbereich (erstellt mit bladeBlockMesher)

Verfeinerung des Anlagennachlaufs (erstellt mit windTurbineMesher)

Am Fraunhofer IWES werden verschiedene Ansätze zur Simulation von Windenergieanlagen genutzt – von aufwendigen CFD-Rechnungen mit aufgelösten Blättern bis zu etwas vereinfachten Methoden wie der sogenannten „Actuator Line“. Diese werden vor allem für die Untersuchung der aerodynamischen Lasten, dem Strömungsverhalten und des Nachlaufs verwendet sowie zur Validierung von BEM-Rechnungen (engl. „Blade Element Momentum“, BEM).

CFD-Rechnungen mit aufgelösten Blättern beinhalten Turm und Gondel. Dabei sind verschiedene Ansätze verwendbar, die von relativ günstigen RANS-Verfahren (engl. „Reynolds-Averaged Navier-Stokes“) zu wirbel-auflösenden Methoden wie DES (engl. „Detached-Eddy Simulation”), DDES (engl. „Delayed Detached-Eddy Simulation”) oder IDDES (engl. „Improved Delayed Detached-Eddy Simulation”) reichen. Ein Beispiel für eine stationäre Simulation der NREL phase-VI-Anlage ist im Fraunhofer Gitlab einsehbar.  

 

 

DDES einer Modellforschungsanlage

DDES der NREL 5MW-Anlage als Downwindanlage mit Gitterturm

Bei komplexen Lastfällen wie etwa Sturmlastsituationen oder extremer Scherung arbeiten die üblichen BEM-Programme klar außerhalb ihres validierten Bereichs. Daher sollten für komplexe Strömungsphänomene wie sehr großen Anströmwinkeln oder starken Wirbelablösungen hochwertige CFD-Methoden verwendet werden. Dabei können sich Aerodynamik und Blattstruktur gegenseitig stark nicht-linear beeinflussen.

Um solche Fälle zu untersuchen, hat das Fraunhofer IWES einen struktur-gekoppelten CFD-Löser entwickelt (engl. „Fluid-Structure-Interaction“, FSI), der das aero-elastische Verhalten kompletter Anlagen sowie einzelner Blätter unter Extremsituationen simulieren kann. Die Kopplung erfolgt dabei in OpenFOAM über ein nicht-lineares Balkenmodell (engl. „Geometrically Exact Bearm Theory“, GEBT), das auch komplexe Struktureigenschaften wie materielle Kopplungen oder Biege-Torsions-Kooplung darstellt.  

Verformung eines Blatts der NREL 5MW-Anlage bei Stillstand und Queranströmung

Die Methode der „Actuator Line“ bietet sich an, wenn vor allem die Nachläufe der Anlagen von Interesse sind und die Details der Blattaerodynamik weniger im Fokus stehen. Dafür wird auf Grobstruktursimulationen zurückgegriffen (engl. „Large Eddy Simulation“, LES). So ist eine vergleichsweise schnelle Berechnung und Untersuchung von kompletten Windparks möglich.   

Vergleich einer 5MW-Anlage unter turbulenter Anströmung mit LES - links mit Actuator Line und rechts mit CFD und aufgelöstem Rotorblatt: