Beeinflussung einer laminaren Grenzschicht durch Rauigkeitselemente in der Nähe einer Profilvorderkante

• Antragsteller: Dr.-Ing. Werner Würz
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2011 bis 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 193270487

Für hocheffiziente Windturbinenblätter ist rauigkeitsinduzierte Transition eine große Beeinträchtigung, da der Bereich der Profilvorderkante leicht verschmutzen kann. Folglich verlagert sich die Grenzschichttransition stromauf, wodurch es zu einer erheblichen Reduktion der Nutzleistung kommt. Die vorliegenden experimentellen Untersuchungen gehen auf den Transitionsprozess stromab eines einzelnen, dreidimensionalen Rauigkeitselements ein, welches im Bereich der Profilnase positioniert ist. Die experimentellen Bedingungen sind auf die Einsatzbedingungen von Megawatt-Windkraftanlagen (Re = 5-6 Millionen) abgestimmt. In der ersten Projektperiode wurden vorwiegend Untersuchungen im Bereich mittlerer Rauigkeitshöhen durchgeführt. Anhand von diesen Untersuchungen konnten Schlüsselparameter wie Frequenz und Amplitude der Grenzschichtstörung am Ort der Rauigkeit, Rauigkeitshöhe und Druckgradient für den Transitionsprozess stromab der Rauigkeit bestimmt werden. Darüber hinaus konnte durch die Einbringung kontrollierter Störungen stromauf der Rauigkeit der dominante Transitionsmechanismus im Nachlauf der Rauigkeit bei mittleren Höhen identifiziert werden. In der zweiten Projektperiode werden die Untersuchungen im Bereich der mittleren Rauigkeitshöhen komplementiert, indem die Rauigkeitsgeometrie sowie das natürliche Störniveau stromauf der Rauigkeit gezielt beeinflusst werden. Ein zweiter Fokus wird auf die Untersuchung der Strömungstopologie von hohen Rauigkeitselementen gesetzt, für welche ein anderer dominanter Transitionsmechanismus erwartet wird. Dahingehend wurde in der ersten Projektperiode ein Stereo-PIV-Messaufbau eingerichtet, adaptiert und validiert. Folglich können die mittleren Strömungsfelder mit räumlich hochauflösenden PIV- Messungen untersucht werden und mit den zeitlich hochaufgelösten Hitzdraht-Messungen verknüpft werden, um so das Verständnis für die Instabilitätsmechanismen im Nachlauf von hohen Rauigkeitselementen zu erhöhen. Die experimentellen Untersuchungen werden begleitet von Direkten Numerischen Simulationen (DNS), die am Laboratory of High Performance Computations an der Universität von Sao Paolo durchgeführt werden. Des Weiteren werden numerische Simulationen (DNS) in der Gruppe Transition und Turbulenz am IAG in Stuttgart durchgeführt, um die Interpretation der experimentellen Ergebnisse zu verbessern, sowie weitere Informationen über die zugrundeliegenden physikalischen Prozesse zu erhalten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Brasilien
• Beteiligte Personen: Dr.-Ing. Markus J. Kloker; Professor Leandro F. Souza