Simulation und Modellierung von Wirbelgeneratoren auf Windturbinenschaufeln

Transkript

1 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

2 Einführung Xue et al.: Advanced Aerodynamic Modeling of Vortex Generators for Wind Turbine Applications, 2010 Folie 2

3 Einführung Folie 3

4 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 Simulation des Profils mit Wirbelgenerator Geometrie und Vernetzung Modellierung von Wirbelgeneratoren Implementierung in ANSYS CFX Folie 4

5 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 Simulation des Profils mit Wirbelgenerator Geometrie und Vernetzung Modellierung von Wirbelgeneratoren Implementierung in ANSYS CFX Folie 5

6 Gitterstudie Vernetzung (ICEM CFD) 8 Hexa-Netze Mio. Knoten h Folie 6

7 Strömungsfeld Isofläche für U = 26 m/s Folie 7

8 Gitterstudie Variation der Gitterauflösung Einfluss Anströmturbulenz Variation der Gitterauflösung Einfluss der Anströmturbulenz

9 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 Simulation des Profils mit Wirbelgenerator Geometrie und Vernetzung Modellierung von Wirbelgeneratoren Implementierung in ANSYS CFX Folie 9

10 Gitterstudie Vernetzung (ICEM CFD) 8 Hexa-Netze Mio. Knoten Folie 10

11 Gitterstudie Folie 11

12 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 , Brighton, 1994

13 Strömungsfeld Folie 13

14 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 Simulation des Profils mit Wirbelgenerator Geometrie und Vernetzung Modellierung von Wirbelgeneratoren Implementierung in ANSYS CFX Folie 14

15 Vernetzung Geometrie SYMMETRY SYMMETRY Folie 15

16 Gitterstudie Influence of the flow domain dimensions on the force-coefficients (AoA = 4 ) Folie 16

17 Vernetzung Vernetzung (ICEM CFD) 7 Hexa-Netze Knoten Folie 17

18 Gitterstudie Folie 18

19 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 Simulation des Profils mit Wirbelgenerator Geometrie und Vernetzung Modellierung von Wirbelgeneratoren Implementierung in ANSYS CFX Folie 19

20 Anströmturbulenz Turbulenz an der Profilvorderkante Inlet Leading Edge Folie 20

21 Transitionsmodellierung Folie 21

22 Transitionsmodellierung Zackenband γ-transitionsmodell Intermittenz entsprechend Abschätzung durch XFOIL Intermittenz entsprechend Position des Zackenbandes Folie 22

23 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 Simulation des Profils mit Wirbelgenerator Geometrie und Vernetzung Modellierung von Wirbelgeneratoren Implementierung in ANSYS CFX Folie 23

24 Strömungsfeld Folie 24

25 Profilpolare

26 transiente Simulation AoA = 12, Re = 3.0 x 10 6, SST-Modell Wand mit Haftbedingung Folie 26

27 transiente Simulation Folie 27

28 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 Simulation des Profils mit Wirbelgenerator Geometrie und Vernetzung Modellierung von Wirbelgeneratoren Implementierung in ANSYS CFX Folie 28

29 Simulationsgebiet Geometrie Folie 29

30 Vernetzung Vernetzung auf Grundlage des 6 Mio. Knoten Netzes aus der Simulation des VGs auf der ebenen Platte Folie 30

31 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 Simulation des Profils mit Wirbelgenerator Geometrie und Vernetzung Modellierung von Wirbelgeneratoren Implementierung in ANSYS CFX Folie 31

32 Strömungsfeld Folie 32

33 Strömungsfeld Strömungsvisualisierung stromab des Generators Folie 33

34 Grenzschichtprofile Qualitativer Vergleich des Grenschichtprofils mit und ohne WG Folie 34

35 Profilpolare CFX CFX mit WG Windkanal mit WG Windkanal

36 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 Simulation des Profils mit Wirbelgenerator Geometrie und Vernetzung Modellierung von Wirbelgeneratoren Implementierung in ANSYS CFX Folie 36

37 WG-Modellierung Lifting-Force -Modell ( BAY -Model) Prinzip: ersetze Geometrie durch Quellterm in einem definierten Gebiet 𝑳 𝑪𝐕𝐆 Folie 37

38 1) WG-Modellierung zusätzlich Abwandlung des Modells hin zu drei Testfällen: 2) 3) Folie 38

39 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 Simulation des Profils mit Wirbelgenerator Geometrie und Vernetzung Modellierung von Wirbelgeneratoren Implementierung in ANSYS CFX Folie 39

40 Kalibrierung des Modells Kalibrierung des Modells C VG C VG =2.20 Wirbelstärke Ablöseverhalten C VG =2.20 aerodyn. Beiwerte Folie 40

41 Wirbelstärke Beste Übereinstimmung mit vernetztem WG für CVG = 2.20 Folie 41

42 Strömungsfelder Folie 42

43 Strömungsfelder Folie 43

44 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

45 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!