Branlard, Emmanuel Simon Pierre

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.Momentum analysis through Blade Element Momentum (BEM) and Computational Fluid Dynamics (CFD) are the two major paths commonly followed for wind turbine aerodynamic and aeroelastic research. Instead, the current PhD thesis focuses on the application of vortex-based methods. Vortex-based methods are understood as both simple vortex models and advanced numerical vortex methods. Prandtl’s tip-loss factor and Coleman’s yaw model are examples of features that were obtained using simple vortex models and implemented in BEM-based codes. Low-order vortex lattice codes and high-order vortex particle methods have regained interest in wind energy applications over the last two decades. The current work derives and illustrates some of the potential benefits of vortex-based analyses. The two key wake geometries used in this study to derive simple vortex models are the cylindrical and helical wake models. Both models can be attributed to the work of Joukoswki. They are further studied in this thesis. The cylindrical wake model is detailed for the finite-tip speed ratio case. A superposition of such models is used to investigate the effect of wake rotation. A proper implementation of this effect in BEM codes is suggested. The application to yawed conditions leads to the derivation of a new yaw model applicable in BEM codes. Further applications of the cylindrical wake model considered include the study of unsteady inflow and sheared inflow. The helical wake model is used to derive a new-tip loss factor intended to be used in BEM implementations. The current thesis also presents the implementation of a vortex code to further investigate wind turbine aerodynamics. The code consists of both low-order and high-order formulations. The implementation features are described and illustrated through different validation cases. Analytical results, measurements and CFD simulations are used for comparison and validation. Low-order methods are used to validate the simple vortex models. The vortex particle method is applied to model a turbulent field and investigate the impact of a wind turbine on the inflow turbulence. The code is coupled to the in-house aero-servo-elastic code in order to obtain a "next generation" aeroelastic simulation tool

Online Research Database In Technology

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

http://orbit.dtu.dk/ws/files/115129006/DTU_Wind_Energy_PhD_52.pdf

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

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Online Research Database In Technology