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TU Berlin

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Hinterkantenlärm an Windturbinenschaufeln aufgrund von turbulenten kohärenten Strukturen

Lupe

Windkraft ist weit verbreitet zur Gewinnung erneuerbarer Energien. Allerdings ist der Lärm von Windkraftanlagen ein signifikantes Problem für den breiteren Einsatz im Onshore-Sektor, da die stark instationäre Lärmquelle aufgrund der dauerhaften Rotation als störender empfunden wird als bei anderen Lärmquellen mit vergleichbarem Schalldruckpegel (wie z. B. Autos oder Flugzeuge). Hinterkantenlärm gilt hierbei als größte Lärmquelle.

Hinterkantenlärm lässt sich allgemein in breitbandigen und tonalen Lärm einteilen, wobei der Lärm in direktem Zusammenhang mit den turbulenten Strukturen in der Strömung um die Schaufel steht. Für eine scharfe Hinterkante und kleine Anstellwinkel liegt die Grenzschicht im Bereich der Hinterkante an und die Strömung ist konvektiv instabil. Äußere Störungen aus der Anströmung werden in der Grenzschicht angefacht und führen zur Entstehung kohärenter Strukturen mit verschiedensten Wellenlängen. Dies führt zu breitbandigem Lärm im Fernfeld, da die scharfe Hinterkante die hydrodynamischen Druckschwankungen in Form von akustischen Schallwellen streut. Bei einer stumpfen Hinterkante oder einer abgelösten Strömung im hohen Anstellwinkelbereich entsteht eine globale, intrinsische Instabilität, die zu periodischer Wirbelablösung führt. Diese Strömungsschwankungen führen zu schmalbandigem tonalen Lärm.

Turbulente kohärente Strukturen und Hinterkantenlärm an einem zweidimensionalen Flügel bei niedrigem und hohem Anstellwinkel.
Lupe

Ziel dieses Forschungsprojektes ist es, ein detailliertes Verständnis zu den Entstehungsmechanismen von Hinterkantenlärm in Bezug auf kohärente Strukturen zu entwickeln, um den Lärm langfristig zu reduzieren. Proper Orthogonal Decomposition (POD) und lineare Stabilitätsanalyse (LSA) sind hierbei überaus nützliche Methoden zur Identifikation und Modellierung von kohärenten Strukturen. Mit der LSA kann ein niederdimensionales Modell entwickelt werden, um die Druckschwankungen auf der Flügeloberfläche zu rekonstruieren, die verantwortlich für den Hinterkantenlärm sind. Dieses Modell kann dann gegenüber den kohärenten Schwankungen, die aus der POD-Zerlegung folgen, validiert werden. Diese POD-Moden werden wiederum mit dem Schalldruckpegel korreliert, um diejenigen kohärenten Schwankungen zu identifizieren, welche am stärksten zum Hinterkantenlärm beitragen.

Auf der einen Seite ist das reduzierte Modell nützlich für Datenassimilation. Hiermit kann bereits in einem frühen Stadium des Auslegungsprozesses die Intensität der kohärenten Schwankungen und des Lärms abgeschätzt werden, wobei lediglich die mittlere Strömung und mindestens ein zeitaufgelöstes Drucksignal bekannt sein muss (z. B. mit Hilfe eines einfachen Drucksensors). Dies erspart anspruchsvolle numerische Simulationen wie LES oder DNS oder einen aufwendigen experimentellen Aufbau. Auf der anderen Seite liefert die quantitative Identifizierung und Modellierung der lärmerzeugenden kohärenten Moden neue Erkenntnisse über die physikalischen Mechanismen, die zu Hinterkantenlärm führen. Damit können bereits vorhandene Methoden der passiven und aktiven Strömungskontrolle zur Lärmreduzierung verbessert oder sogar neuartige Ansätze entwickelt werden.

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