Experimental Investigation of a Passively Deforming Airfoil Under Dynamic Flow Conditions

191 Pages·2016·9.2 MB·English

Experimental Investigation of a Passively Deforming
Airfoil Under Dynamic Flow Conditions
VomFachbereichMaschinenbau
anderTechnischenUniversitätDarmstadt
zur
ErlangungdesGradeseinesDoktor-Ingenieurs(Dr.-Ing.)
genehmigte
Dissertation
vorgelegtvon
UlrikeCordes,M.Sc.
ausFrankfurtamMain
Berichterstatter: Prof.Dr.-Ing.C.Tropea
Mitberichterstatter: Prof.Dr.-Ing.C.O.Paschereit
TagderEinreichung: 28.06.2016
TagdermündlichenPrüfung: 30.08.2016
Darmstadt2016
D17

Abstract
Arigidandapassivelydeformingairfoil,designedtoalleviatefatiguecausingload
fluctuations that appear during normal operation of wind turbines, are investigated
under unsteady conditions in two-dimensional wind tunnel experiments. In a first
series of experiments, a vertical gust encounter is generated by means of an active
grid. This approximates the wind turbine blade’s passage through the atmospheric
boundarylayerandcorrespondstothetheoreticalformulationoftheSearsproblem.
Inasecondexperimenttheairfoilisoscillatedinasteadyfreestream,whichapprox-
imatesthebendingandtwistingmotionofawindturbinebladeandcorrespondsto
thetheoreticalformulationoftheTheodorsenproblem.
The frequency dependent dynamic lift response of the rigid airfoil under attached
flow conditions is compared to the Theodorsen and Sears function. If the airfoil is
oscillated around its zero lift angle, experimental results and theoretical prediction
agree.Contrarytotheoreticassumptions,asubstantialdependenceonthemeanan-
gle of attack is observed: If the airfoil is oscillated around higher mean angles of
attack,thedependenceonthereducedfrequencyisisinverted.
Thedeformingairfoilshowsgoodperformanceintermsofgustloadalleviationover
awiderangeofoperatingconditions:Atsmallmeananglesofattack,upto60%of
thefluctuatingloadsarealleviated.Underhighmeananglesofattack,leadingedge
vorticesareefficientlysuppressed,yieldingupto30%lessloadfluctuations.
III
IV
Zusammenfassung
IndieserArbeitwirddieaerodynamischeLastantworteinesstarrenFlügelsundeines
Flügels mit selbstanpassender Wölbung experimentell unter instationären Bedin-
gungen untersucht. Das Konzept der selbstanpassenden Wölbung wurde entwick-
elt, um Lastschwankungen an Windenergieanlagen zu dämpfen. Die Anströmbe-
dingungenamrotierendenWindenergieanlagenblattwerdeninzweiWindkanalEx-
perimenten am zweidimensionalen Flügel abgebildet: Mittels eines aktiven Gitters
wird eine sinusförmige Vertikalböe erzeugt, was das Durchstreichen des boden-
nahen Geschwindigkeitsprofilsnachempfindet und gleichzeitig demSears-Problem
entspricht.IneinemzweitenExperimentoszilliertderFlügelinstationärerAnströ-
mung,wasBiege-TorsionsschwingungenamWindenergieanlagenblattnachempfindet
unddemTheodorsen-Problementspricht.
Die frequenzabhängige dynamische Lastantwort des starren Flügels in angelegter
StrömungwirdmitderSears-undderTheodorsen-Funktionverglichen.EineOszil-
lation um den Nullauftriebswinkel zeigt gute Übereinstimmungen zwischen exper-
imentellen Daten und theoretischen Werten. Entgegen theoretischer Annahmen hat
dermittlereAnstellwinkeleinengroßenEinflussaufdasÜbertragungsverhalten:Bei
einer Oszillation um höhere mittlere Anstellwinkel werden deutliche Unterschiede
inderFrequenzabhängigkeitderdynamischenLastantwortbeobachtet.
DasFlügelprofilmitselbstanpassenderWölbungdämpftfluktuierendeLasteneffek-
tiv über einen weiten Betriebsbereich: Bei kleinen mittleren Anstellwinkeln wer-
denbiszu60%derLastschwankungengedämpft,unterhöherenmittlerenAnstell-
winkelnwirddieBildungvonVorderkantenwirbelnunterdrückt,waszueinerDämp-
fungvonbiszu30%derLastschwankungenführt.
V
VI
Danksagung
Die vorliegende Arbeit wurde als Teil des Forschungsschwerpunktes ’Lastenkon-
trolle von Windturbinen unter realistischen turbulenten Anströmbedingungen’ von
derDeutschenForschungsgemeinschaft(DFG)unterstützt.
Zu allererst bin ich Herrn Prof. Dr.-Ing. C. Tropea zu Dank verpflichtet: Er hat die
Rahmenbedingungen dieser Arbeit geschaffen, mir genügend Freiraum zum ver-
folgen eigener Ideen gelassen und an den entscheidenden Punkten die richtigen
Fragen gestellt. Herrn Prof. Dr.-Ing. O. Paschereit danke ich für die Übernahme
des Korreferats. Ich danke außerdem: den Vätern des ’adaptive camber airfoils’,
Herrn Dr. Hufnagel und Herrn Dr. Lambie für dieses interessante Thema; Herrn
Dr.HufnagelfürdasVermittelnseinesintuitivenZugangszurAerodynamik;Herrn
Prof. Dr. J. Peinke und Herrn Dr. M. Hölling vom Institut für Physik der Univer-
sität Oldenburg für die Möglichkeit, ihren Acitve-Grid Windkanal zu nutzen. Ein
Großteil der gezeigten Daten stammt aus diesen Messkampagnen, zu deren Gelin-
genvorallemGerritKampersbeigetragenhat.Ichdankeweiterhin:HerrnDr.Hen-
ning Spiegelberg, der mir mit viel Geduld seinen Code erklärt hat; Herrn Dr. Alex
Widmann für die Einführung in PIV unter erschwerten Bedingungen; Herrn Dr.
Marschall, der mich fit für TSL machte und immer ein offenes Ohr für theoretis-
che Fragen hat; Herrn Matthias Quade für das Befreien aus diversen LabVIEW
Schleifen; Herrn Braun für das Schweißen nicht weniger X-Drähte; der mechanis-
chen und elektrischen Werkstatt für ihren Beitrag zum Bau der Flügelmodelle und
für die schnelle unkomplizierte Hilfe bei kleineren und größeren Problemen; den
vielen Studenten, die mit ihrer Zeit, ihren Ideen und ihrer Motivation maßgeblich
zumGelingendieserArbeitbeigetragenhaben:MaurizioAttili,LiviaMarnetto,Jo-
hannes Feldmann, Peter Döring, Johannes Brötz, Max Klyk, Lennart Jäger, Tobias
Kehl,TobiasMeissner,TimHauserundTobiasHoffmann.
AußerdemmöchteichmichherzlichbeiallenKollegen,ehemaligenundaktuellen,
fürdieguteZeitinGriesheimbedanken.
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VIII
Contents
Abstract III
Zusammenfassung V
1. Introduction 1
1.1. Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2. ObjectivesandOutlineoftheThesis . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2. State-of-the-Art 5
2.1. GustLoadAlleviation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2. AdaptiveCamberConcept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3. TheoreticalBackground:UnsteadyAerodynamics 17
3.1. ParametersofUnsteadyAerodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.2. AttachedFlowRegime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.2.1. UnsteadyThinAirfoilTheory . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.2.2. 1stOrderSolutionsfortheRigidAirfoil . . . . . . . . . . . 26
3.2.3. 1stOrderSolutionsfortheAdaptiveCamberAirfoil . . . . 31
3.2.4. 2ndOrderSolutionsfortheRigidAirfoil . . . . . . . . . . 34
3.2.5. LiteratureReviewofExperimentalInvestigations . . . . . . 37
3.3. DetachedFlowRegime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.3.1. DynamicStallCycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.3.2. LiteratureReviewofExperimentalInvestigations . . . . . . 45
3.3.3. ImplicationsfortheAdaptiveCamberAirfoil . . . . . . . . 50
4. SinusoidalVerticalGustExperiment 53
4.1. ExperimentalSetup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.1.1. ActiveGridWindTunnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
IX
4.1.2. AdaptiveCamberAirfoil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.2. ObjectivesandInvestigatedParameterSpace. . . . . . . . . . . . . 58
4.3. DataAcquisitionandReduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.3.1. PhaseAveragingandSynchronization . . . . . . . . . . . . 62
4.3.2. ExperimentalTransferFunctions . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.3.3. LoadReductionFactor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.4. ExperimentalResults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.4.1. DynamicMotionResponse . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.4.2. DynamicLoadResponse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.4.3. LoadReduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5. SinusoidallyOscillatingAirfoilExperiment 97
5.1. ExperimentalSetup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.1.1. EiffelWindTunnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.1.2. AirfoilKinematics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.1.3. AdaptiveCamberAirfoilModel . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.2. AttachedFlowRegime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.2.1. ObjectivesandInvestigatedParameterSpace . . . . . . . . 103
5.2.2. DataAcquisitionandReduction . . . . . . . . . . . . . . . 109
5.2.3. ExperimentalResults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.3. DetachedFlowRegime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.3.1. ObjectivesandInvestigatedParameterSpace . . . . . . . . 117
5.3.2. DataAcquisitionandReduction . . . . . . . . . . . . . . . 119
5.3.3. ExperimentalResults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
6. Summary,ConclusionsandOutlook 135
6.1. Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
6.2. ConclusionsandOutlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
Bibliography 143
Nomenclature 155
A. MeasurementUncertainties 161
A.1. SinusoidalVerticalGustExperiments . . . . . . . . . . . . . . . . 162
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