Neue experimentelle Methoden zur Untersuchung von Entstehung und Zerfall von Tip-Vortexen an den Rotorblättern von Windkraftanlagen in atmosphärischer Turbulenz

• Antragstellerin: Dr. Claudia Brunner
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 569960847

Windenergie ist eine zentrale Technologie, um die ambitionierten internationalen Klimaziele zu erreichen. Für die genaue Planung und den Betrieb von Windenergieprojekten ist es notwendig, die atmosphärische Strömung und ihre Interaktionen mit Windkraftanlagen und ganzen Windparks zu modellieren. Ein zentraler Aspekt dieser Strömungen ist die Entstehung und der Zerfall von Tip Vortexen an den Rotorblättern. Forschungsarbeiten haben gezeigt, wie wichtig die Skalen der Einströmturbulenz für die Leistung von Windkraftanlagen und Windparks sowie für die Entwicklung des Nachlaufs sind. Die Auswirkungen atmosphärischer Turbulenz auf (1) die aerodynamischen Kräfte, die in der Nähe der Rotorblattspitze wirken, und die daraus resultierende Entstehung von Tip Vortexen, (2) den anschließenden Zerfall der Tip Vortexe und (3) die Kopplungseffekte zwischen Entstehung und Zerfall von Tip Vortexen sind jedoch noch nicht ausreichend erforscht. Feldversuche sind notwendig, um die Limitierungen von computergestützten und laborbasierten Studien überwinden. Ziel dieses Antrags ist daher die Entwicklung neuartiger experimenteller Methoden zur Untersuchung der Auswirkungen atmosphärischer Turbulenze auf Entstehung und Zerfall von Tip Vortexen im Nachlauf einer in Betrieb befindlichen Windkraftanlage. Wir erreichen dies durch (1) Entwicklung einer neuartigen experimentellen Methode zur Untersuchung der Auswirkungen atmosphärischer Turbulenz auf die Aerodynamik in der Nähe der Blattspitze; (2) Entwicklung einer neuartigen experimentellen Methode zur Untersuchung der Auswirkungen atmosphärischer Turbulenz auf die Dynamik der Tip Vortexe; (3) Verwendung der daraus gewonnenen Daten zur Untersuchung der Zusammenhänge zwischen Anströmungsbedingungen, Blattaerodynamik und Wirbeldynamik und (4) Veröffentlichung einzigartiger Datensätze, um weitere Forschung zu ermöglichen. Die Arbeit umfasst die Anpassung und Skalierung bestehender experimenteller Techniken der beiden Bewerberinnen, nämlich des Aerosense Rotorblatt-Oberflächenmesssystems von OST und des 3D Lagrangian Particle Tracking Systems im Windkanal des MPI-DS. Die einzigartige Kombination aus Messungen des Blattoberflächendrucks und zeitlich aufgelösten 3D-Strömungsvisualisierungen, die in diesem Projekt realisiert wird, wird dazu verwendet, die Aerodynamik der Rotorblätter mit der Wirbeldynamik in Verbindung zu bringen. Die veröffentlichten zeitgleichen Datensätze der Blattdruckverteilung und Strömungsvisualisierung bei hohen Reynoldszahlen können für die zukünftige Validierung von Modellen und numerischen Simulationen verwendet werden. Unser verbessertes wissenschaftliches Verständnis der Auswirkungen von Turbulenzskalen auf die Bildung und den Zusammenbruch von Tip Vortexen wird das wichtige Feld der Strömungsdynamik von Windkraftanlagen voranbringen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Schweiz
• Kooperationspartnerin: Dr. Sarah Barber