Profilsimulationen und Optimierung

Stationäre CFD-Rechnungen basieren auf dem RANS-Verfahren (engl. „Reynolds-Averaged Navier-Stokes“) und somit der üblichen Methode zur Bestimmung von Profilpolaren. Die Arbeitsabläufe am Fraunhofer IWES sind voll-automatisiert und die verwendeten Turbulenz- sowie Transitionsmodelle wurden für die Bestimmung der aerodynamischen Beiwerte – inklusive Stall und hoher Reynoldszahlen – erweitert.

Nachfolgend einige Abbildungen zur Viusaulierung der genutzten Verfahren. Zudem ist das Beispiel einer Profilsimulation im Fraunhofer Gitlab abrufbar.

Auftriebspolare des DU 93-W-210 unter Verwendung eines einfachen und eines verbesserten Turbulenzmodells (experimentelle Daten von Timmer und van Rooij, AIAA, 2003)

Widerstandsbeiwerte des DU 93-W-210 unter Verwendung eines einfachen und eines verbesserten Turbulenzmodells (experimentelle Daten von Timmer und van Rooij, AIAA, 2003)

Für die detaillierte Untersuchung des Strömungsverhaltens kompletter Anlagen oder von Profilschnitten können instationäre, wirbel-auflösende Simulationsverfahren zum Einsatz kommen.  

Die Verfahren gehören zu den sogenannten hybriden Ansätzen und die verbreitetsten Methoden sind: DES (engl. „Detached-Eddy Simulation”), DDES (engl. „Delayed Detached-Eddy Simulation”) und IDDES (engl. „Improved Delayed Detached-Eddy Simulation”).

Damit können auch komplexe Geometrien wie dicke Flatback-Profile oder die Rotor-Turm-Interaktion untersucht werden, da einfachere Methoden dort nicht immer verlässlich sind.

IDDES des DU 97-W-300 bei einem Anströmwinkel von 12°

Spezielle Profilkonfigurationen oder Add-Ons können ebenfalls numerisch untersucht werden. Hier sind nahezu alle Varianten möglich: Vorflügel oder Hinterklappen, Wirbelgeneratoren (engl. „Vortex Generators“) oder auch die Untersuchung der Auswirkung von Erosion an der Profilnase.

Simulation eines Profils mit Wirbelgeneratoren

Numerisches Gitter eines Profils mit Vorflügel

Auftriebspolare einer sauberen und einer erodierten Profilnase beim DU 96-W-180 (experimentelle Daten von Sareen et al., Wind Energy, 2014)

Außerdem sind Profile für ihre individuellen Anwendungen optimierbar. Abhängig von der radialen Position entlang des Rotorblatts sind verschiedene Verbesserungen möglich wie etwa ein höherer Auftrieb, ein geringerer Widerstand oder insgesamt eine höhere Gleitzahl.

Am Fraunhofer IWES wird die sogenannte adjungierte Methode verwendet, bei der die Rechenzeit unabhängig von der Anzahl der Designvariablen ist. Damit kann praktisch jeder Profilpunkt eine einzelne Designvariable sein, was zu einer höchstmöglichen Zahl an Freiheitsgraden führt.

Entwicklung des Auftriebsbeiwerts während einer Optimierung zu einem geforderten Auftrieb

Originale und optimierte Geometrie mit erhöhtem Auftriebsbeiwert