Nr. 89 / 2018

09. Mai 2018 : Turbulenz-Forschung optimiert Rotorflügel-Entwicklung

Wissenschaftler der Unis Osnabrück und Oldenburg liefern mit neuen Windkanal-Messungen Methode zur Entwicklung besserer Windkraftanlagen.

Wenn Turbulenzen an Rotorflügeln von Windkraftanlagen oder Flugzeugtragflächen entstehen, belasten sie diese stark und vermindern die Leistung. Die Entstehung von Luftturbulenzen erstmals experimentell nachvollzogen hat jetzt ein Team um den Mathematiker Dr. Pedro G. Lind von der Universität Osnabrück und um den Physiker Prof. Dr. Joachim Peinke von der Universität Oldenburg. Sie haben damit eine 30 Jahre alte Theorie überprüft. Die im Fachjournal Physical Review X veröffentlichten Ergebnisse helfen, Flügelformen zu optimieren und damit Flügel langlebiger und leistungsfähiger zu konstruieren.

Turbulenzen mathematisch zu beschreiben ist eines der großen ungelösten Probleme der Physik. Wie sie entstehen, ist bis heute nicht abschließend geklärt. Eine Turbulenz ist eine durch Unordnung geprägte Strömung. Demgegenüber stehen glatte, laminare Strömungen. Der französische Turbulenz- und Chaos-Forscher Yves Pomeau stellte bereits 1986 die Theorie auf, dass Verwirbelungen nach dem Modell der direkten Perkolation entstehen. Danach gehen komplexe zusammenhängende Strukturen aus lokalen Ereignissen hervor. Beispiele sind die Ausbreitung einer Epidemie oder eines Waldbrandes. Auch der Übergang von laminarer zu turbulenter Strömung findet nicht immer abrupt, sondern in einer Art Übergangszone statt: Vereinzelt auftretende Verwirbelungen werden immer häufiger, bis sie einen kritischen Punkt überschreiten und sich zu einer vollständigen Turbulenz entwickeln.

Die Windenergieexperten haben die Theorie nun erstmals experimentell an aerodynamischen Problemen überprüft. Mit modernen optischen Messmethoden konnten sie im Windkanal die Strömung entlang eines Flügels zeitlich und räumlich hochaufgelöst aufzeichnen. „Das ist erst in den letzten Jahren technisch möglich“, so Mathematiker Lind. „Wir liefern eine neue, genaue Messmethode, um die Position an einem Flügel zu bestimmen, an der die sogenannte laminare Ablöseblase ansetzt.“ Dabei trennt sich glatte Strömung vom Flügel, in der entstehenden Blase bilden sich Turbulenzen.

Die Turbulenzforscher Lind und Peinke erarbeiteten die wesentlichen Ideen und Methoden zur Aufbereitung und Analyse der Daten, Windenergieexperten der Universität Oldenburg führten die Experimente und Messungen durch. Die Datenauswertung zeigte, dass sich die Ergebnisse eindeutig dem Modell der direkten Perkolation zuordnen ließen. „Mit dieser Arbeit haben wir den ersten experimentellen Hinweis erbracht, dass Perkolationsmodelle eine praktische Relevanz für die Aerodynamik von Flügeln haben“, sagt Dominik Traphan, Doktorand im Team und Erstautor der Studie. „Die Ergebnisse unserer Grundlagenforschung haben eine hohe Relevanz für die Entwicklung von Rotorflügel-Profilen“, betont Prof. Peinke. „Auf Grundlage der neuen Erkenntnisse können beispielsweise bisherige ingenieurwissenschaftliche Modelle angepasst und Windkraftanlagen weiter optimiert werden“, so Lind.

Publikation:
„Aerodynamics and Percolation: Unfolding Laminar Separation Bubble on Airfoils“ by Dominik Traphan, Tom T. B. Wester, Gerd Gülker, Joachim Peinke and Pedro G. Lind (2018) in Physical Review X, Volume 8, Number 2, Page 021015.

Zur Publikation: doi.org/10.1103/PhysRevX.8.021015

Weitere Informationen für die Redaktionen:
Dr. Pedro G. Lind, Universität Osnabrück
Fachbereich Physik Barbarastraße 7, 49076 Osnabrück
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E-Mail: pelind@uni-osnabrueck.de

Prof. Dr. Joachim Peinke, Carl-von-Ossietzky Universität Oldenburg
Institut für Physik, AG TWiSt
26129 Oldenburg
Tel.: +49 441/798-5050
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