Simulation und Modellierung von Wirbelgeneratoren auf Windturbinenschaufeln Rainer Andres Dr. rer. nat. Andreas Spille-Kohoff CFX Berlin Software GmbH

Dr.-Ing. Daniel König Nordex Energy GmbH

Dr. -Ing. Georgios Pechlivanoglou Technische Universität Berlin

Einführung

Xue et al.: Advanced Aerodynamic Modeling of Vortex Generators for Wind Turbine Applications, 2010

ANSYS Conference & 33rd CADFEM Users' Meeting, 24.-26. Juni 2015, Messe Bremen

Folie 2

Einführung

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Übersicht Voruntersuchung und Validierung auf einer ebenen Platte  Validierung anhand eines Experiments  Nordex Wirbelgenerator auf der ebenen Platte Simulation des Profils ohne Wirbelgenerator  Geometrie und Vernetzung  Anströmturbulenz und Transition  Simulationsergebnisse Simulation des Profils mit Wirbelgenerator  Geometrie und Vernetzung  Simulationsergebnisse Modellierung von Wirbelgeneratoren  Implementierung in ANSYS CFX  Simulationsergebnisse

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Übersicht Voruntersuchung und Validierung auf einer ebenen Platte  Validierung anhand eines Experiments  Nordex Wirbelgenerator auf der ebenen Platte Simulation des Profils ohne Wirbelgenerator  Geometrie und Vernetzung  Anströmturbulenz und Transition  Simulationsergebnisse Simulation des Profils mit Wirbelgenerator  Geometrie und Vernetzung  Simulationsergebnisse Modellierung von Wirbelgeneratoren  Implementierung in ANSYS CFX  Simulationsergebnisse

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Gitterstudie Vernetzung (ICEM CFD)  8 Hexa-Netze  1.3 – 8.3 Mio. Knoten

𝒉

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Strömungsfeld

Isofläche für U = 26 m/s

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Gitterstudie

Variation der Gitterauflösung

Einfluss Anströmturbulenz

Variation der Gitterauflösung

Einfluss der Anströmturbulenz

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Übersicht Voruntersuchung und Validierung auf einer ebenen Platte  Validierung anhand eines Experiments  Nordex Wirbelgenerator auf der ebenen Platte Simulation des Profils ohne Wirbelgenerator  Geometrie und Vernetzung  Anströmturbulenz und Transition  Simulationsergebnisse Simulation des Profils mit Wirbelgenerator  Geometrie und Vernetzung  Simulationsergebnisse Modellierung von Wirbelgeneratoren  Implementierung in ANSYS CFX  Simulationsergebnisse

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Gitterstudie Vernetzung (ICEM CFD)  8 Hexa-Netze  2.1 – 8.0 Mio. Knoten

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Gitterstudie

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Strömungsfeld

K. Torii, K. Nishino, K. Nakayama. Heat Transfer Augmentation by Longitudinal Vortices in a Flat Plate Boundary Layer, Proc. of the Tenth International Heat Transfer Conference, vol. 6, pp. 123-128, Brighton, 1994

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Strömungsfeld

Folie 13 ANSYS Conference & 33rd CADFEM Users' Meeting, 24.-26. Juni 2015, Messe Bremen

Übersicht Voruntersuchung und Validierung auf einer ebenen Platte  Validierung anhand eines Experiments  Nordex Wirbelgenerator auf der ebenen Platte Simulation des Profils ohne Wirbelgenerator  Geometrie und Vernetzung  Anströmturbulenz und Transition  Simulationsergebnisse Simulation des Profils mit Wirbelgenerator  Geometrie und Vernetzung  Simulationsergebnisse Modellierung von Wirbelgeneratoren  Implementierung in ANSYS CFX  Simulationsergebnisse

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Vernetzung Geometrie SYMMETRY

SYMMETRY Folie 15 ANSYS Conference & 33rd CADFEM Users' Meeting, 24.-26. Juni 2015, Messe Bremen

Gitterstudie Influence of the flow domain dimensions on the force-coefficients (AoA = 4°)

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Vernetzung

Vernetzung (ICEM CFD) 

7 Hexa-Netze



53 000– 547 000 Knoten

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Gitterstudie

Folie 18 ANSYS Conference & 33rd CADFEM Users' Meeting, 24.-26. Juni 2015, Messe Bremen

Übersicht Voruntersuchung und Validierung auf einer ebenen Platte  Validierung anhand eines Experiments  Nordex Wirbelgenerator auf der ebenen Platte Simulation des Profils ohne Wirbelgenerator  Geometrie und Vernetzung  Anströmturbulenz und Transition  Simulationsergebnisse Simulation des Profils mit Wirbelgenerator  Geometrie und Vernetzung  Simulationsergebnisse Modellierung von Wirbelgeneratoren  Implementierung in ANSYS CFX  Simulationsergebnisse

Folie 19 ANSYS Conference & 33rd CADFEM Users' Meeting, 24.-26. Juni 2015, Messe Bremen

Anströmturbulenz Turbulenz an der Profilvorderkante

Inlet

Leading Edge Folie 20

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Transitionsmodellierung

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Transitionsmodellierung

Zackenband

𝛾-Transitionsmodell

Intermittenz entsprechend Abschätzung durch XFOIL

Intermittenz entsprechend Position des Zackenbandes

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Übersicht Voruntersuchung und Validierung auf einer ebenen Platte  Validierung anhand eines Experiments  Nordex Wirbelgenerator auf der ebenen Platte Simulation des Profils ohne Wirbelgenerator  Geometrie und Vernetzung  Anströmturbulenz und Transition  Simulationsergebnisse Simulation des Profils mit Wirbelgenerator  Geometrie und Vernetzung  Simulationsergebnisse Modellierung von Wirbelgeneratoren  Implementierung in ANSYS CFX  Simulationsergebnisse

Folie 23 ANSYS Conference & 33rd CADFEM Users' Meeting, 24.-26. Juni 2015, Messe Bremen

Strömungsfeld

Folie 24 ANSYS Conference & 33rd CADFEM Users' Meeting, 24.-26. Juni 2015, Messe Bremen

Profilpolare

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transiente Simulation AoA = 12°, Re = 3.0 x 106, SST-Modell Wand mit Haftbedingung

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transiente Simulation

Folie 27 ANSYS Conference & 33rd CADFEM Users' Meeting, 24.-26. Juni 2015, Messe Bremen

Übersicht Voruntersuchung und Validierung auf einer ebenen Platte  Validierung anhand eines Experiments  Nordex Wirbelgenerator auf der ebenen Platte Simulation des Profils ohne Wirbelgenerator  Geometrie und Vernetzung  Anströmturbulenz und Transition  Simulationsergebnisse Simulation des Profils mit Wirbelgenerator  Geometrie und Vernetzung  Simulationsergebnisse Modellierung von Wirbelgeneratoren  Implementierung in ANSYS CFX  Simulationsergebnisse

Folie 28 ANSYS Conference & 33rd CADFEM Users' Meeting, 24.-26. Juni 2015, Messe Bremen

Simulationsgebiet Geometrie

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Vernetzung 

Vernetzung auf Grundlage des 6 Mio. Knoten Netzes aus der Simulation des VGs auf der ebenen Platte

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Übersicht Voruntersuchung und Validierung auf einer ebenen Platte  Validierung anhand eines Experiments  Nordex Wirbelgenerator auf der ebenen Platte Simulation des Profils ohne Wirbelgenerator  Geometrie und Vernetzung  Anströmturbulenz und Transition  Simulationsergebnisse Simulation des Profils mit Wirbelgenerator  Geometrie und Vernetzung  Simulationsergebnisse Modellierung von Wirbelgeneratoren  Implementierung in ANSYS CFX  Simulationsergebnisse

Folie 31 ANSYS Conference & 33rd CADFEM Users' Meeting, 24.-26. Juni 2015, Messe Bremen

Strömungsfeld

Folie 32 ANSYS Conference & 33rd CADFEM Users' Meeting, 24.-26. Juni 2015, Messe Bremen

Strömungsfeld Strömungsvisualisierung stromab des Generators

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Grenzschichtprofile Qualitativer Vergleich des Grenschichtprofils mit und ohne WG

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Profilpolare CFX Windkanal

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CFX mit WG Windkanal mit WG

Übersicht Voruntersuchung und Validierung auf einer ebenen Platte  Valdierung anhand eines Experiments  Nordex Wirbelgenerator auf der ebenen Platte Simulation des Profils ohne Wirbelgenerator  Geometrie und Vernetzung  Anströmturbulenz und Transition  Simulationsergebnisse Simulation des Profils mit Wirbelgenerator  Geometrie und Vernetzung  Simulationsergebnisse Modellierung von Wirbelgeneratoren  Implementierung in ANSYS CFX  Simulationsergebnisse

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WG-Modellierung „Lifting-Force“-Modell („BAY“-Model) Prinzip:

ersetze Geometrie

durch Quellterm in einem definierten Gebiet 𝑳 ∙ 𝑪𝐕𝐆 Folie 37 ANSYS Conference & 33rd CADFEM Users' Meeting, 24.-26. Juni 2015, Messe Bremen

WG-Modellierung zusätzlich Abwandlung des Modells hin zu drei Testfällen:

1)

2) 3)

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Übersicht Voruntersuchung und Validierung auf einer ebenen Platte  Validierung anhand eines Experiments  Nordex Wirbelgenerator auf der ebenen Platte Simulation des Profils ohne Wirbelgenerator  Geometrie und Vernetzung  Anströmturbulenz und Transition  Simulationsergebnisse Simulation des Profils mit Wirbelgenerator  Geometrie und Vernetzung  Simulationsergebnisse Modellierung von Wirbelgeneratoren  Implementierung in ANSYS CFX  Simulationsergebnisse

Folie 39 ANSYS Conference & 33rd CADFEM Users' Meeting, 24.-26. Juni 2015, Messe Bremen

Kalibrierung des Modells Kalibrierung des Modells CVG

CVG=2.20

Wirbelstärke

Ablöseverhalten CVG=2.20

aerodyn. Beiwerte

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Wirbelstärke

Beste Übereinstimmung mit vernetztem WG für CVG = 2.20 Folie 41 ANSYS Conference & 33rd CADFEM Users' Meeting, 24.-26. Juni 2015, Messe Bremen

Strömungsfelder

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Strömungsfelder

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Ausblick Problematik • • •

selbst mit Verwendung des Wirbelgeneratormodells hohe Gitterauflösung notwendig Spannweitenauflösung eines Rotorblatts typischerweise bei 10 bis 20 cm (Breite der „Box“ für Quellterm: ca. 7 mm) nicht realisierbar, wenn einzelne Wirbel aufgelöst werden

VG

geometrieauflösende Variante

Netz für „Lifting-Force“-Modell Folie 44

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!