Dynamik instabiler Strömungen

Modellierung von Hinterkantenlärm am Rotorblatt einer Windkraftanlage

Background

Die Windkraft ist eine häufig genutzte Form zur Gewinnung von erneuerbarer Energie. Allerdings ist der Lärm von Windkraftanlagen ein signifikantes Problem für den breiteren Einsatz im Onshore-Sektor, da die stark instationäre Lärmquelle aufgrund der dauerhaften Rotation als störender empfunden wird als bei anderen Lärmquellen mit vergleichbarem Schalldruckpegel (wie z. B. bei Autos oder Flugzeugen). Der Hinterkantenlärm gilt hierbei als größte Lärmquelle. Die physikalischen Mechanismen für die Entstehung von Hinterkantenlärm sind jedoch noch nicht abschließend geklärt. Ziel dieses Forschungsprojektes ist es daher, ein Modell und ein detailliertes Verständnis zu den Entstehungsmechanismen des Hinterkantenlärms aufzubauen, die mit kohärenten Strukturen in der turbulenten Grenzschicht und im Nachlauf des Rotorblattes zusammenhängen, um langfristig Kontroll- und Beeinflussungsmöglichkeiten zur Reduzierung des Lärms zu entwickeln. Solche kohärenten Strukturen sind beispielhaft rechts visualisiert. Abgebildet sind Konturflächen der instantanen Strömungsgeschwindigkeit in einer generischen turbulenten Plattengrenzschicht aus einer direkten numerischen Simulation (aus Publikation 1, siehe unten).

Methoden

In diesem Projekt werden datengetriebene Methoden wie die Spectral Proper Orthogonal Decomposition (SPOD) zur Identifizierung der dominanten kohärenten Strukturen in hochturbulenten experimentellen und numerischen Strömungen eingesetzt. Die SPOD-Moden selbst werden durch Linear Stochastic Estimation mit dem Schalldruckpegel korreliert, um diejenigen kohärenten Schwankungen zu identifizieren, welche am stärksten zum Hinterkantenlärm beitragen. Zur Modellierung der kohärenten Strukturen werden die lineare Stabilitätsanalyse (LSA) und die Resolventenanalyse (RA) verwendet, um die Druckschwankungen auf der Flügeloberfläche vorherzusagen, die verantwortlich für den Hinterkantenlärm sind. Das Modell wird gegenüber den kohärenten Schwankungen validiert, die empirisch mit der SPOD extrahiert wurden. Anschließend wird der Fernfeldschall über die Curle-Gleichung mit den LSA- und RA-Moden als Schallquellen berechnet.

Auf der einen Seite ist das reduzierte Modell nützlich zur Datenassimilation. Hiermit kann bereits in einem frühen Stadium des Auslegungsprozesses die Intensität der kohärenten Schwankungen und des Lärms abgeschätzt werden, wobei lediglich die mittlere Strömung und mindestens ein zeitaufgelöstes Drucksignal bekannt sein muss (z. B. mit Hilfe eines einfachen Drucksensors). Dies erspart anspruchsvolle numerische Simulationen wie LES oder DNS oder einen aufwändigen experimentellen Aufbau. Auf der anderen Seite liefert die quantitative Identifizierung und Modellierung der lärmerzeugenden kohärenten Moden neue Erkenntnisse über die physikalischen Mechanismen, die zu Hinterkantenlärm führen. Damit können bereits vorhandene Methoden der passiven und aktiven Strömungskontrolle zur Lärmreduzierung verbessert oder sogar neuartige Ansätze entwickelt werden.

Resultate

Die Abbildung unten visualisiert kohärente Strukturen innerhalb der turbulenten Grenzschicht eines Clark-Y-Rotorblatts bei moderatem Anstellwinkel, extrahiert mit Spectral Proper Orthogonal Decomposition aus einer eigens in OpenFOAM durchgeführten Large-Eddy-Simulation. Abgebildet sind Geschwindigkeitsschwankungen der vertikalen Komponente. Die mittlere Strömung geht von links nach rechts. Aufgrund des moderaten Anstellwinkels entsteht auf der oberen Saugseite des Rotorblatts ein positiver Druckgradient. Dieser ist ursächlich für die Entstehung von Scherschichtinstabilitäten innerhalb der Grenzschicht. Die Instabilitäten triggern die kohärenten Strukturen, welche in Strömungsrichtung räumlich anwachsen und am Ende des Rotorblatts durch Interaktion mit der Hinterkante Lärm erzeugen.