Stability and transition on wind turbine blades

QC 231002

Abstract

Laminär-turbulent omslag på vindturbinblad är ett mycket komplext fenomen på grund av de många faktorer som påverkar processen. I denna avhandling studerar vi några av dem, nämligen hur friströmsturbulens (FST), rotation och tredimensionalitet påverkar strömningen. Analysen är baserad på det så kallade large eddy simulation (LES) med och utan en modell för subgrid-skala (implicit eller väggupplöst LES). FST:s roll i den modala och icke-modala stabiliteten av flödet på sugsidan av en vindturbinsektion vid ett Reynolds nummer Re_c=100.000 studeras. Detta involverade flera simuleringar med varierande turbulensintensitet (TI) och primära och sekundära linjära stabilitetsanalyser. De separerade skjuvskikten styr flödesstabiliteten via de karakteristiska Kelvin-Helmholtz (KH) virvlarna. Låga FST-nivåer ökar tillväxthastigheten för den sekundära instabiliteten i Tollmien-Schlichting (TS) och KH-fallet, vilket leder till en uppströmsförskjutning av omslaget till turbulens och en minskning av LSB. Tillräckligt hög TI stabiliserar flödet i dessa lägen, vilket leder till en oväntad ökning av LSB. Ytterligare höjningar av turbulensnivån undertrycker emellertid avlösningen. Den spännvidds medelvärdesbildade delen orsakar den stabiliserande effekten. Ökningen av turbulensintensiteten leder också till en monoton minskning av energin hos koherenta strukturer, bakom det separerade skjuvskiktet. I fallet med Re_c=1.000.000 är stråktillväxten mycket mer intensiv, och även låga nivåer av TI är tillräckligt för att undertrycka LSB som finns i frånvaro av FST. För TI≤ 2,4% orsakas övergången av inre moder som liknar TS-vågor i gränsen mot noll FST. Detta intervall av TI visar god överensstämmelse mellan N-faktorn från Macks korrelation med simuleringsdata och ett exponentiellt beroende av omslaget med TI. För 2,4%<TI≤7,0% sker sk  bypass omslag, kännetecknad av dominansen symmetriska stråk. En lågfrekvent cut-off för friströmsturbulensen möjliggör beräkning av en effektiv turbulensintensitet för vindturbinblad. När det gäller rotationens roll utvecklas en modell för att beräkna det kvasi-tredimensionella basflödet för stabilitetsanalyser över ett blad. Flödet är mycket tredimensionellt och påverkas avsevärt av rotation. Mycket sneda vågor är de mest instabila i denna region, vilket leder till ett omslag upp till 19% tidigare än den allmänt använda tvådimensionella semi-empiriska e^N omslagsmodellen av Drela och Giles, som används i RANS-simuleringarna. Ett ramverk för omskagsprediktion baserat på gränsskiktet och paraboliserade stabilitetsekvationer som står för dessa effekter utvecklades. Det indikerar att rotation skiftar övergång uppströms om Reynolds-talet tillåts öka med referenshastigheten. Efterföljande LES indikerade att rotation stabiliserar flödet för ett fast Reynolds-tal i flödesområdet och främre delen av LSB för låga rotationshastigheter, vilket fördröjer övergång och återlaminarisering. Även om rotation fördröjer dessa fenomen, kan rotation verka som en negativ tryckgradient efter att separation inträffar, vilket leder till en ökning av tillväxthastigheterna för KH-moden och återcircirkulerande flöde. Vidare kan omslag till turbulens utlösas för högre rotationshastigheter och mot det inre bladområdet, vilket leder till en uppströmsförskjutning av omslagspunkten. Crossflow-övergång leder till en ökning av tryckskillnaden mellan de två sidorna av vingytan, vilket genererar en högre lyftkraft. I andra områden kan en självexciterad typ av instabilitet uppstå i en LSB som bildas nära framkanten, vilket främjar en tidigt omslag som kan orsaka en plötslig förskjutning av separationslinjen till framkanten efter en viss kritisk radie, som också observerats i experiment. Slutligen identifierades en lågfrekvent oscillation i normalkraftskoefficienten, med en amplitud på 10,5% runt medelvärdet, i ett vindkraftverks vingprofil. Perioden för dessa svängningar var lång, motsvarande flera varv av ett vindturbin med nominell rotationshastighet. Förekomsten av ett sådant fenomen i verkliga vindkraftverk bör bedömas och beaktas i den strukturella designen av rotorn.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-337136