Kurs:Räumliche Modellbildung/Fluiddynamik Gruppe Nr4

Titel

Das vorliegende Projekt bearbeitet die Modellierung eines sich drehenden Windrades in Comsol Multiphysics.

Gruppenteilnehmer*innen

• Jan Lucas Fischer
• Pascal Jäger
• Rebecca Hostert

Thema und Fragestellung

Ziel des Projekts ist es ein sich drehendes dreidimensionales Windrad zu modellieren und den Einfluss auf des Rades auf die Windgeschwindigkeiten und -strömungen zu bestimmen. Grundlage der Fragestellung ist die Beobachtung von Forscher*innen, dass der bodennahe und Höhenwind um Windräder herum abflaut, wie es unter anderem in diesem Artikel beschrieben wird: Höhenwind wird schwächer

Aus diesem Grund wird ein Windrad modelliert, das sich mit einer vorgegebenen Winkelgeschwindigkeit bewegt, während eine laminiere Strömung um das Windrad herum fließt. Aufgrund der bereits getätigten Beobachtungen in der Quelle werden folgende Hypothesen aufgestellt:

• Die Windgeschwindigkeit in Bodennähe nimmt durch die Rotation der Rotorblätter im Vergleich zu einem stehenden Windrad ab.
• Der Höhenwind nimmt durch die Rotation der Rotorblätter im Vergleich zu einem stehenden Windrad ab.
• Unmittelbar um die Rotorblätter herum nimmt die Windgeschwindigkeit zu.
• Hinter dem Windrad treten Verwirbelungen der Fluidströmung auf.

Modellierungsannahmen

Um die Modellierung zu vereinfachen und den Rechenaufwand zu verringern werden folgende Modellierungannahmne getroffen:

• Das Windrad steht frei und keine weiteren Objekte befinden sich in nächster Nähe. Dies ist in der Realität insbesondere bei Offshore Windrädern der Fall.
• Die Hintergrundgeschwindigkeit der laminieren Strömung der Luft liegt konstant bei $10{\frac {\mathrm {m} }{\mathrm {s} }}$. Dies entspricht Windstärke 2, einer realistischen Windstärke für einen Windpark in der Nordsee. Dabei wird außer Acht gelassen, dass die Windgeschwindigkeiten in der Realität in unterschiedlichen Höhen variiert.
• Das Rad bewegt sich mit einer vorgegebenen, Konstanten Winkelgeschwindigkeit von $0,5{\frac {\mathrm {rad} }{\mathrm {s} }}$. Hier wird vernachlässigt, dass reale Windräder durch die Windbewegung rotieren.
• Vor allem die Rotorblätter sind bei echten Windrädern komplex geformt und gebogen, was die Modellierung deutlich erschweren würde. Die Rotorblätter des Windrades sind deswegen im Modell aus Tetraedern und der Mast aus einem einfachen Zylinder aufgebaut.