Design og analyse av offshore vindturbin rotorblader

I dette PhD prosjektet benyttes evolusjons-optimeringsalgoritmer til å designe vingeprofiler og winglets for vindturbin rotorblader. Dette er en numerisk mer kostbar fremgangsmåt enn tradisjonelle metoder, som gradient optimering, men har potensiale til å finne forbedrede løsninger i det multimodale og ujevne løsningslandskapet som ofte utfordrer aerodynamisk design. I dette prosjektet ansees også simuleringsverktøyene for å være black-boxes, hvor informasjon om gradienter er vanskelig å beregne. I et slikt scenario er evolusjonsalgoritmer ofte bedre egnet siden de ikke krever derivater. Arbeidet er delt inn i tre studier. I første del av prosjektet testes egenskapene til de numeriske verktøyene ved å simulere et seilfly i glideflukt. Simuleringene er utført ved å beregne de inkompressible Reynolds-Averaged-Navier-Stokes (RANS) ligningene, og for å predikere de viskøse strømningene i grensesjiktet er en korrelasjonsbasert transisjonsmodell benyttet. I det neste studiet er en metode konstruert for å optimere vingeprofiler til vindturbin rotorblader, hvor også tapet som oppstår når forkanten av rotorbladene blir turbulent, er inkludert. De aerodynamiske egenskapene til vingeprofilene er beregnet ved å benytte panelkoden XFOIL, og for å forbedre nøyaktigheten er denne koden justert for vindturbin vingeprofiler. Fasongen til vingeprofilene er optimert ved å benytte Covariance Matrix Adaptation Evolution Strategy algoritmen, og for å kunne inkludere begrensinger i optimeringen er en adaptiv straffbasert funksjon konstruert. I det siste studiet er en metode konstruert for å optimere winglets på vindturbiner. Metoden er testet på en modellskala vindturbin. Her er strømningene simulert ved å løse RANS ligningene, og den optimale wingleten er designet ved å konstruere en Kriging surrogat modell. For å forbedre Kriging modellen er et kriterium basert på forventet forbedring maksimert med en hybrid genetisk gradient optimerings-algoritme. De numeriske simuleringene av rotorbladet og wingleten er validert ved å utføre eksperimenter i vindtunnel på NTNU. I den første delen av prosjektet viser beregningene at egenskapene til seilflyet er sterkt underpredikert når de viskøse kreftene i grensesjiktet ikke er riktig simulert. Dette illustrerer viktigheten av å inkludere den korrekte fysikken når man utfører numeriske beregninger. I prosjektene hvor vingeprofiler og winglets for vindturbiner er optimert er det vist at globale evolusjonsalgoritmer produserer løsninger med tilsvarende eller bedre egenskaper sammenlignet med dagens "state of the art".

De fleste offshore vindturbiner som benyttes i dag er adapsjoner av turbiner designet for bruk på land. Ved å benytte turbinløsninger fra den etablerte, landbaserte vindturbin teknologien har offshore satsningen kommet langt på kort tid. Men, selv om mye er likt mellom de to teknologiene, er miljøet turbinene skal operere i til havs svært forskjellig fra forholdene på land. For å sikre funksjonelle og kostnadseffektive løsninger for fremtidig havbasert kraftproduksjon er det derfor viktig å øke forståelse n av vindturbiners aerodynamikk i miljøet til havs. I dette PhD prosjektet skal de aerodynamiske egenskapene til offshore vindturbiner studeres. Hovedfokus for prosjektet vil være å øke forståelsen av strømningsfysikken på rotorbladene ved å utføre numer iske beregninger og vindtunnel eksperiment. Viktige problemstillinger som skal studeres er turbinbladenes aeroelastisitet ved høye rotasjonshastigheter og energiproduksjon i en offshore sammenheng. Prosjektet vil fordype seg i spesifikke oppgaver som vil gi en inngående forståelse av strømningfysikken som oppstår på rotorbladene samt søke løsninger som kan forbedre energiproduksjonen. De numeriske beregningene skal utføres ved å benytte simuleringsverktøy som muliggjør en detaljert innsikt i strømningsfys ikken på rotorbladene. Det vil derfor bli nødvendig å benytte numeriske verktøy fra enkle panelkoder til avanserte Navier-Stokes løsere for å utføre beregningene. Et viktigt moment i doktorgradsarbeidet vil være å utvikle en designmetodologi som belyser h vordan de forskjellige numeriske verktøyene best kombineres for å analysere og konstruere offshore vindturbin rotorblader. For å validere de numeriske beregningene og for å gi bedre forståelse av strømningfysikken, vil det bli utført vindtunnel eksperimen ter. Måleutstyr med høy oppløsning vil bli benyttet for å definere de aerodynamiske kreftene og momentene og for å visualisere strømningen som oppstår.