Analysis of wind turbine aerodynamics and aeroelasticity using vortex-based methods

摘要

Momentum analyse, som er hjørnestenen i Blade Element Momentum (BEM) beregningsværktøjer, og Computational Fluid Dynamics (CFD) er de to hovedretninger som størstedelen af den vindmølle-aerodynamiske og -aeroelastiske forskning baseres på. Den nærværende PhD afhandling fokuserer i stedet på anvendelsen af hvirvelbaserede metoder. Med hvirvelbaserede metoder menes der både de simple analytiske hvirvelmodeller og de avancerede numeriske hvirvelmetoder. Prandtl’s tip-tabsfaktor og Coleman’s yaw model er eksempler på udvidelser af de BEM-baserede beregningsmodeller, der er opstillet ved hjælp af analytiske hvirvelmodeller. Lav-ordens hvirvelbaserede panelkoder (vortex-lattice methods) og højere-ordens hvirvelpartikelmetoder (vortex particle methods) har fået mere opmæksomhed fra forskningsmiljøerne indenfor de sidste to årtier. Den nærværende afhandling illustrerer nogle af de potentielle fordele ved hvirvelbaserede analyser. De to vigtigste kølvandsgeometrier der i denne undersøgelse er anvendt til at udlede de simplere analytiske hvirvelmodeller er cylindriske og spiralformede kølvandsmodeller. Begge modeller kan spores tilbage til Joukowski. Den cylindriske kølvandsmodel bliver opstillet for et endeligt tiphastighedsforhold. Superposition af sådanne elementarmodeller bruges til at undersøge effekter fra rotation af kølvandet efter rotoren, hvorved en konsistent implementation af denne effekt i BEM baserede koder er udviklet. Applikation af hvirvelmodellen på vindmøller under krøjende forhold har resulteret i udviklingen af en ny krøjeaerodynamikmodel til BEM baserede koder. Yderligere anvendelse af den cylindriske kølvandesmodel omhandler studiet af instationære forhold samt shearet anstrømning. Den spiralformede kølvandsmodel er anvendt til at udlede en ny-tip tabskorrektion til applikation i BEM-baserede koder. Denne afhandling omhandler også udvikling og implementation af en numerisk hvirvelkode til yderligere analyse af vindmølleaerodynamik. Koden har både lav-ordens og høj-ordens formuleringer af hvirvelelementer. Kodens funktionalitet er beskrevet og illustreret gennem forskellige valideringstilfælde, hvor analytiske resultater, måledata samt CFD simuleringer er blevet brugt til sammenligning og validering. Analytiske hvirvelmodeller er anvendt til validere de simplere hvirvel modeller i koden. Partikelversionen af hvirvelmetoden er anvendt til at modellere en turbulent indstrømning og undersøge effekten af en vindmølle på den indstrømmende turbulens. Koden er derudover koblet til DTU’s aero-servoelastiske kode for herved at opnå et "next generation" aeroservoelastisk simuleringsværktøj.