Windkraft - Aerodynamik

Druckverlauf, Turbulenzintensität und Strömungsabriss an einem Rotorblatt bestimmen in Abhängigkeit von Anstellwinkel und Geschwindigkeit die erzielbare Leistung. Mit Hilfe von Strömungssimulationen können sowohl einzelne Rotorblätter als auch die Einflüsse von Windkraftanlagen auf ihre Umgebung detailliert analysiert werden.

In zwei- oder dreidimensionalen Simulationen lassen sich die Querschnittsprofile von Rotorblättern durch Variation aller strömungsmechanischen Parameter optimieren. Das Drehmoment und die entsprechenden Leistungskurven können daraus für bestehende oder modifizierte Blattgeometrien in dreidimensionalen transienten Simulationen des bewegten Rotors ermittelt werden.

Analog werden Geschwindigkeits- und insbesondere Turbulenzintensitätsverteilungen in der Umgebung der sich drehenden Rotoren abgebildet.

Beispiel 1:

Das dargestellte Geschwindigkeitsfeld um eine Horizontalachsen-Kleinwindanlage zeigt den Nachlaufbereich des Rotors. Die Strömung in diesem Volumenabschnitt weist eine geringere Geschwindigkeit, einen Drall und eine erhöhte Turbulenzintensität auf. Für die Ermittlung der Standsicherheit von Windkraftanlagen an ihren Standorten sind diese Größen bedeutsam.

Abbildung: Geschwindigkeitsfeld einer Horizontalachsen-Kleinwindanlage im Querschnitt

Beispiel 2:

Die Momentaufnahmen einer linksseitig angeströmten rotierenden Vertikalachsen-Kleinwindanlage zeigen die Verteilungen von Geschwindigkeit, statischem Druck und Turbulenzintensität (von links nach rechts). In der Abbildung darunter ist das Drehmoment der Anlage in Abhängigkeit vom Azimutwinkel für eine Umdrehung dargestellt. Die einzelnen Graphen unterscheiden sich im Anstellwinkel der Rotorblätter.

Graphik: azimutaler Drehmomentverlauf in Abhängigkeit vom Anstellwinkel des Rotorblatts