LowNoise: Lineare Stabilitäts- und Resolventen-Analyse zur Prädiktion und Reduktion des Hinterkantenlärms von Windkraftanlagen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Kilian Oberleithner; Professor Dr.-Ing. Ennes Sarradj
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik ; Akustik ; Strömungs- und Kolbenmaschinen
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 458062719

Die Reduktion des Strömungslärms von Windkraftanlagen ist für aktuelle und zukünftige, noch leistungsstärkere Windkraftanlagen von zentraler Bedeutung. Die bedeutendste Lärmquelle ist hierbei der Hinterkantenlärm. Er entsteht durch Druckfluktuationen in der Grenzschicht an der Hinterkante des Rotorblattes. Frequenzcharakteristik und Schallpegel hängen hierbei maßgeblich von den kohärenten Wirbelstrukturen in der Grenzschicht ab. Aktuelle Maßnahmen zur Reduzierung des Hinterkantenlärms zeigen widersprüchliche Ergebnisse, da deren Einfluss auf die kohärenten Strukturen weder ausreichend verstanden noch verlässlich modelliert werden kann.Aktuelle Untersuchungen an freien Scherströmungen und Grenzschichtströmungen zeigen deutlich, dass durch lineare Stabilitäts- und Resolventen-Analyse die Entstehung und Kontrolle kohärenter Strukturen systematisch beschrieben werden können. Im LowNoise Projekt werden diese vielversprechenden Methoden auf das Strömungsfeld eines Windturbinenprofils angewendet. Zentrales Ziel ist ein physikalisches niederdimensionales Modell, welches die wesentlichen Wirkmechanismen des Hinterkantenlärms beschreibt.Die Modellierung erfolgt hier in mehreren Teilschritten. Die kohärenten Strukturen werden als lineare Moden des mittleren Strömungsfelds approximiert, welche durch die Stabilitäts- bzw. Resolventen-Analyse ermittelt werden. Die Druckfluktuationen auf der Flügeloberfläche werden anschließend durch eine Datenassimilation aus den linearen Moden bestimmt. Der Hinterkantenlärm ergibt sich dann aus dem Integral des Druckfeldes auf der Flügeloberfläche.Die zentrale Innovation dieses Ansatzes ist die Modellierung der Schallquellen mittels linearer Stabilitäts- und Resolventen-Analyse. Dies ermöglicht zum einen die Quantifizierung des Hinterkantenlärms bei deutlich weniger empirischen Eingangsgrößen als bei aktuellen Modellansätzen. Zum Anderen werden die kausalen Mechanismen der Entstehung der kohärenten Strukturen und damit des Hinterkantenlärms erfasst, wodurch bisherige Kontrollmaßnahmen optimiert und neue Kontrollmaßnahmen abgeleitet werden können.LowNoise startet mit Large-Eddy-Simulationen der Strömung um einen 2D Tragflügel. Hieraus werden die Geschwindigkeits- und Druckschwankungen der kohärenten Strukturen extrahiert und ein empirisches niederdimensionales Modell abgeleitet. Basierend auf den mittleren Strömungsfeldern wird dann das stabilitätstheoretische Modell entwickelt. Die Validierung der Simulationen und des Modells erfolgt experimentell mit Hilfe von Druck- und Akustikmessungen in einem Windkanal. Das Projekt endet mit einer modellbasierten Analyse der Kontrolleinflüsse des Hinterkantenlärms.Die in LowNoise entwickelten Modelle werden die wesentlichen physikalischen Zusammenhänge zur Entstehung und effektiven Reduktion des Hinterkantenlärms bei Windkraftanlagen aufzeigen. Des Weiteren lassen sich die hier entwickelten Modellansätze und Konzepte auf eine Vielzahl weiterer wandgebundener Strömungen anwenden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Brasilien, Frankreich
• Kooperationspartner: Professor Dr. André Cavalieri; Professor Lutz Lesshafft, Ph.D.