Promotie mw. H.A. Bijleveld: A quasi-simultaneous interaction method for the determination of the aerodynamic forces on wind turbine blades

Promotie: mw. H.A. Bijleveld, 14.30 uur, Academiegebouw, Broerstraat 5, Groningen

Proefschrift: A quasi-simultaneous interaction method for the determination of the aerodynamic forces on wind turbine blades

Promotor(s): prof.dr. A.E.P. Veldman

Faculteit: Wiskunde en Natuurwetenschappen

Aerodynamische krachten op windturbinebladen beter bepalen

Om de aerodynamische krachten op windturbinebladen nauwkeurig te bepalen is er een methode nodig die accurater is dan de huidige Blad-Element-Impuls-methoden. De benodigde rekentijd mag echter ook niet of nauwelijks toenemen. Het stromingsveld opsplitsen in een niet-viskeuze en viskeuze regio biedt uitkomst, ontdekte Henny Bijleveld.

Windenergie is een van de belangrijkste hernieuwbare energiebronnen. Steeds meer windturbines worden op land en in zee geplaatst om aan de energiebehoefte te voldoen. De turbines moeten groter en efficiënter worden om de kostprijs van de energie te verlagen en om de windenergiedoelstellingen van regeringen te kunnen halen. Tegenwoordig concurreert de prijs van de energie van onshore turbines met die van conventionele energiecentrales.

Experimentele windturbines hebben al een rotordiameter van 150 m. De toename in bladlengte vraagt om een toename van nauwkeurigheid van het voorspelde gedrag – en dus ook van de efficiëntie en levensduur - van de rotor. Voor analyse met betrekking tot het gewicht en interne structuur is een hogere nauwkeurigheid van de voorspelde krachten vereist dan nu gebruikelijk is.

De alom gebruikte Blad-Element-Impuls (Blade Element Momentum) methoden zijn snelle ontwerpmethoden, maar gebruiken een erg eenvoudig stromingsmodel om de aerodynamische krachten te bepalen. Om een hogere nauwkeurigheid te bereiken moet met meer fysische effecten rekening gehouden worden. Echter, dit resulteert in een toename in rekentijd.

De onderzoekster loste dit probleem op met het modelleren van de niet-viskeuze regio met een potentiaalstromingsmodel en de viskeuze regio met een grenslaagmodel. Om rekening te houden met de interactie (in werkelijkheid bestaat deze opsplitsing niet) moest een interactiemethode worden toegepast. Bijleveld paste de quasi-simultane interactie methode toe. Deze methode combineert de voordelen van directe en simultane methoden.

In de quasi-simultane interactiemethode wordt de grenslaagstroming tegelijkertijd opgelost met een benadering van de potentiaalstroming. De benadering bevat enkel de lokale effecten van de potentiaalstroming en is gemodelleerd als een relatie tussen de snelheid en de verdringingsdikte. Deze relatie heet de interactiewet. Deze is zo geformuleerd dat de geconvergeerde resultaten niet beïnvloed worden door de precieze formulering en is zo eenvoudig mogelijk gekozen: een lineaire relatie waarbij de coëfficiënt alleen afhangt van de lokale gridgrootte.

De waarde van de coëfficiënt zorgt ervoor dat in 2D-stromingen de eigenwaarden van het systeem van vergelijkingen altijd positief zijn (de Goldstein singulariteit wordt vermeden) en dat ze in 3D-stromingen schalen met de dwarsstroming.

De uiteindelijke methode is robuust en convergeert voor zowel aanliggende als losgelaten stromingen. Resultaten van 2D-simulaties komen bijzonder goed overeen met experimentele resultaten.

Henny Bijleveld (Rhenen, 1982) studeerde werktuigbouwkunde aan de Universiteit Twente. Het onderzoek werd uitgevoerd bij de afdeling Technische Mechanica en Numerieke Wiskunde van de RUG en gefinancierd door het Energieonderzoek Centrum Nederland (ECN). De nieuwe werkgever van Bijleveld is Nuclear Research and Consultancy Group.