Beiträge zur thermografischen Strömungsvisualisierung und Lokalisierung der laminar-turbulenten Transition an Rotorblättern von Windenergieanlagen

Abstract

Die Grenzschichtströmung an Rotorblättern von sich in Betrieb befindlichen Windenergieanlagen (WEA) beeinflusst den aerodynamischen Auftrieb und den leistungshemmenden Luftwiderstand des Rotorblattes und hat daher einen direkten Einfluss auf die Leistungsfähigkeit der gesamten WEA. Ein geeignetes Verfahren, um insbesondere laminare und turbulente Grenzschichtströmungsbereiche aus größerer Entfernung und ohne Präparation der Oberfläche oder Beeinflussung der Strömung zu visualisieren, ist die thermografische Strömungsvisualisierung. Das Verfahren erlaubt einen Rückschluss auf die Verteilung der Strömungsbereiche und eine Lokalisierung der laminar-turbulenten Transition. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Erweiterung des Messsystems, um für Anwendungen mit geringem Kontrast zwischen den Strömungsbereichen von deutlich unter 1K eine Steigerung des CNR und eine Reduzierung der Messabweichung bei der Lokalisierung der laminar-turbulenten Transition zu erreichen. Die Anwendung von Verfahren der Merkmalsextraktion auf eine Bildserie mit geringem Kontrast resultieren im Windkanal in eine Steigerung des CNR um eine Größenordnung auf 2. Die Validierung des Verfahrens an einer Freifeldmessung einer WEA in Betrieb mit geringem CNR resultiert sogar in eine Verdoppelung von auf 5. Die zufällige und systematische Abweichungen bei der Lokalisierung der laminar-turbulenten Transition konnte durch die erweiterte Bildverarbeitung minimiert werden und erreichen einen Wert von 0,3% bzw. 0,1% der Sehnenlänge. Im Ergebnis ermöglichen die Bildverarbeitungsmethoden in der Freifeldanwendung sogar eine Lokalisierung der Transition, die zuvor, aufgrund des geringen CNR, nicht möglich war. Die Ergebnisse erweitern den Einsatzbereich der thermografische Strömungsvisualisierung für die Anwendung an WEA in Betrieb, da Strömungsvisualisierungen mit hohem CNR und geringer Abweichung bei der Lokalisierung der laminar-turbulenten Transition auch dann erzeugt werden können, wenn aus den Wetterbedingungen in den Rohdaten ein geringes CNR entsteht. In Kombination mit ressourcensparenden klassischen Bildverarbeitungsmethoden bieten die vorgestellten Ergebnisse eine gewinnbringende Erweiterung für die Anwendung der thermografischen Strömungsvisualisierung an WEA in Betrieb.