Berührungslose In-Prozess-Messung von Strömungsablösungen an nicht-skalierten Windenergierotorblättern

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Andreas Fischer
• Fachliche Zuordnung: Energieverfahrenstechnik ; Messsysteme ; Strömungsmechanik ; Technische Thermodynamik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 420278089

Die Visualisierung von Strömungsablösungen ist beispielsweise für ein tiefergehendes Verständnis des realen Umströmungsverhaltens von Windenergierotorblättern zwingend erforderlich. Im Gegensatz zu Windkanalexperimenten an skalierten Messobjekten sind die erforderlichen berührungslosen Freifeldmessungen an dem nicht-skalierten Rotorblatt aufgrund der Messobjektgröße (~100 m) und dem damit verknüpften erschwerten Messzugang sowie den schwankenden In-Prozess-Messbedingungen besonders herausfordernd. Gegenwärtig werden Messungen von Strömungsablösungen indirekt durch Marker wie z.B. Wollfäden oder Drucksonden realisiert, die auf bzw. im Rotorblatt angebracht werden müssen. Deshalb sind diese Messverfahren aufwendig zu installieren und bezüglich der Ortsauflösung und des Messfeldes in der Regel stark limitiert. Sie sind außerdem invasiv und beeinflussen somit das zu messende Strömungsverhalten.Daher ist es das Ziel des Vorhabens, die nicht-invasive, bildgebende Messmethode der thermografischen Strömungsvisualisierung für die Identifikation und Lokalisierung von Strömungsablösungen bei Freifeldmessungen an nicht-skalierten Windenergierotorblättern zu validieren und grundlegend zu charakterisieren. Im Fokus des Vorhabens steht der Ansatz einer spatio-temporalen Signal-/Bildauswertung der Thermografieaufnahmen, um trotz der fehlenden aktiven Erwärmung des Messobjektes und ohne Modifikation des Rotorblatts ein hinreichendes Kontrast-Rausch-Verhältnis zu erreichen. Dabei sollen die strömungsinduzierten zeitlichen und örtlichen Temperaturfluktuationen derart ausgewertet werden, dass die zur Visualisierung der Strömungsablösung erforderliche Sensitivitätssteigerung erzielt wird.Zudem werden vor dem Hintergrund der besonderen Herausforderungen einer Freifeldmessung die Messkette modelliert, die dominierenden Messunsicherheitsbeiträge identifiziert und fundamentale Messbarkeitsgrenzen des thermografischen Messansatzes geklärt. Erschwert wird die Visualisierung der Strömungsablösung neben dem Signal-Rausch-Verhältnis durch die dreidimensionale Rotorblattgeometrie und dessen mehrachsige Bewegung. Daher soll auch eine geometrische Zuordnung der zweidimensionalen Thermografieaufnahmen zur dreidimensionalen, rotierenden Rotorblattoberfläche erfolgen. Auf Basis einer modellbasierten, geometrischen Kalibrierung sollen beispielsweise die örtlich variierenden Abbildungsmaßstäbe kompensiert werden. Das Messverfahren wird in Windkanalexperimenten unter definierten Bedingungen verifiziert und anschließend im Freifeld an realen in Betrieb befindlichen, nicht-skalierten Windenergierotorblättern validiert und angewendet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen