Die im Rahmen des Ausbaus der Windenergie geforderte Leistungssteigerung heutiger Windenergieanlagen (WEA) führt zu einer Vergrößerung des Rotordurchmessers zukünftiger WEA, da die Leistung einer WEA quadratisch mit ihrem Rotordurchmesser steigt. Die langen, schlanken und flexiblen Rotorblätter derartiger Megastrukturen werden schwingungsanfälliger als heutige Rotorblätter sein. Zu Schwingungen angeregt werden diese z. B. durch eine zyklische Pitchregelung, die Rotor-Turm-Interaktion, die sich bei für Megastrukturen interessanten Lee-Rotorkonfigurationen noch verstärkt, sich zyklisch ändernde Anströmungsbedingungen aufgrund unterschiedlicher Windgeschwindigkeiten während einer Rotorumdrehung in der atmosphärischen Bodengrenzschicht oder durch turbulenzbedingtes Rauschen. Am Rotorblatt selbst kommt es durch schwingungsinduzierte Geschwindigkeiten oder Turbulenzschwankungen zu starken, transienten Änderungen des Anströmwinkels, wodurch die Strömung am Profil in den Bereich der dynamischen Strömungsablösung kommen kann. Zusätzlich wird die Profilumströmung und deren Ablöseverhalten an zukünftigen Megastrukturen durch über die Höhe variierende Turbulenzintensitäten beeinflusst, wie sie bei Anlagen der bisherigen Größenordnung nicht berücksichtigt werden mussten. Im Bereich der dynamischen Strömungsablösung treten überhöhte instationäre Lasten auf, die instationäre, aeroelastische Wechselwirkungen zwischen Strömung und Rotorblatt anregen. Durch diese zusätzliche Anregung werden mechanische Ermüdungslasten eingebracht, die im Fall der Resonanz bis hin zur Zerstörung des Rotorblatts führen können. Die Berücksichtigung dieser Lasten und der damit verbundenen aeroelasti- schen Stabilität des Rotorblatts ist daher ein entscheidender Faktor in der Auslegung zukünftiger WEA-Megastrukturen.

Die Arbeitshypothese dieses Teilprojekts lautet, dass die dynamische Strömungsablösung bereits während der Auslegung von Rotorblättern zukünftiger WEA-Megastrukturen berücksichtigt werden muss, um aeroelastische Wechselwirkungen zu minimieren. Bisherige Modelle sind dabei nicht anwendbar, da diese auf empirischen Daten beruhen, die für die jeweilige Profilgeometrie experimentell bestimmt werden müssen.

Die Hauptinnovation dieses Teilprojekts ist die Entwicklung eines erweiterten reduced-order Modells der dynamischen Strömungsablösung, das die Auslegungsmethodik von Rotorblättern zukünftiger WEA-Megastrukturen verbessert. Diese Neuentwicklung ermöglicht die Vorhersage dynamischer Lasten an Rotorblättern von Offshore-Megastrukturen aufgrund dynamischer Strömungsablösungen bereits während des Auslegungsprozesses. Dazu ist dieses Modell in der Lage, basierend auf typischen Profilauslegungsparametern, den Einfluss unterschiedlicher Profilgeometrien auf das Verhalten der dynamischen Strömungsablösung zu modellieren, wodurch eine angepasste aerodynamische Auslegung der Rotorblattprofile bzw. die Auslegung robuster und kosteneffizienter Rotorblattstrukturen ermöglicht wird. Im Rahmen dieses Teilprojekts gilt es, den Zusammenhang zwischen Auslegungsparametern von WEA- Profilen und dynamischer Strömungsablösung samt ihrer aeroelastischen Wechselwirkung mit WEA-Rotorblättern zu erforschen. Zunächst wird dazu ein instationäres Computational-Fluid-Dynamics (CFD-)Modell der Rotorprofilumströmung erstellt und anhand von vorhandenen experimentellen Daten aus der Hubschrauber-Aerodynamik validiert (Referenzmodell). Dieses CFD-Modell bildet den experimentellen Versuch eins zu eins ab und bietet die Möglichkeit, die dynamische Strömungsablösung und deren allgemeines Verhalten zu untersuchen und Rückschlüsse auf die notwendige Genauigkeit der Modellierung zu ziehen. Diese Erkenntnisse werden anschließend auf ein CFD-Modell für WEA-Profile übertragen und mit Hilfe von Messdaten einer Modellwindenergieanlage überprüft. Mit diesem zweiten Modell wird es möglich sein, den Einfluss verschiedener Profilauslegungsparameter auf die Profillasten bei dynamischer Strömungsablösung an WEA-Profilen systematisch zu untersuchen. Daraus werden dann Erkenntnisse gezogen, die in ein reduced-order Modell der dynamischen Strömungsablösung zur Verwendung in Blade-Element-Momentum (BEM-)Simulationen einfließen. Dieses Modell ist dann in einem iterativen Auslegungsprozess anwendbar. Im geplanten Sonderforschungsbereich ordnet sich das Teilprojekt in den Cluster Entwurf Rotor ein, in dem es einen wichtigen Beitrag zum Entwurfsprozess von Rotorblättern zukünftiger WEA-Megastrukturen liefert. Bereits frühzeitig werden Lasten in reduzierter Form für die Gesamtanlagenauslegung bereitgestellt. Eine optimierte Profilgeometrie soll im Laufe der ersten Förderperiode entwickelt werden und eine direkte Integration des Modells der dynamischen Strömungsablösung in den Digitalen Zwilling ist für eine mögliche zweite Förderperiode anvisiert. Außerdem findet im Rahmen dieses Teilprojekts eine Bewertung der aeroelastischen Stabilität des Rotorblatts statt, um erforderliche Anpassungen des Gesamtanlagenentwurfs im Digitalen Zwilling vornehmen zu können.