Turbulente Strömungen sichtbar machen mit Particle-Image-Velocimetry (PIV)


Wie strömt der Wind um das Rotorblatt einer Windenergieanlage? Wie sieht diese Umströmung aus, wenn eine Windböe das Blatt trifft? Um diese und weitere Fragen zu beantworten, führen ForWind-Wissenschaftlerinnen und -Wissenschaftler Experimente im großen Oldenburger Windkanal durch. Ein Laser macht winzige, der Luft zugesetzte Partikel sichtbar und High-Speed-Kameras erfassen die Bewegungen der Partikelströme. Bei dieser Methode, der sogenannten Particle-Image-Velocimetry (PIV), werden die vorbeiströmenden Partikel eines ganzen Strömungsfeldes fotografiert und aus der Änderung ihrer Positionen von einem Foto zum nächsten werden Strömungsrichtung und -geschwindigkeit berechnet. Die Kameras machen dabei bis zu 12.000 Bilder pro Sekunde, wodurch die Ergebnisse eine sehr hohe zeitliche und räumliche Auflösung gewinnen. Ein weiterer Vorteil der PIV-Methode ist, dass das optische Messverfahren selber die Strömung nicht beeinflusst. Nun ist es gelungen, diese Messmethode im großen Windkanal mit turbulenten Strömungen an einer rotierenden Modellwindturbine anzuwenden. Die Ergebnisse zeigen, wie der Wind das sich bewegende Rotorblatt umströmt (siehe Abbildung und Video). Von besonderem Interesse ist, wann und wie die Strömung vom rotierenden Blatt abreißt und welche Windsituationen zu den größten Schlägen und damit zu den größten dynamischen Lasten auf die Komponenten der Windenergieanlage führen. Mit diesem Wissen lassen sich Maßnahmen zur Reduktion dieser Lasten verbessern, was die Lebensdauer der Rotorblätter und der anderen Komponenten der Windenergieanlage verlängert.
Im Forschungsprojekt TurbuMetric wird die PIV-Methode mit weiteren Messtechniken kombiniert, um die turbulente Strömung und die Verformung der Rotorblätter gleichzeitig erfassen zu können.