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– NACA 0021 – Dynamic airfoil measurements at low Reynolds number through high angles of attack

Holst, David

FG Experimentelle Strömungsmechanik

The demand in renewable energy is boosted by the shift of our society towards sustainability and the goal to decarbonize the power sector. Wind industry becomes more important these days and begins to enter urban environment. Smaller vertical axis wind turbines (VAWTs) are advantageous in this flow field of unsteady wind conditions and high turbulence. Literature often only covers incidence ranges up to stall angle. However, VAWTs experience angles far beyond stall, especially during start-up. The thesis describes the aerodynamic performance of a NACA 0021 airfoil section at Reynolds numbers relevant to small wind turbines. Typical wind tunnel blockage effects are reduced using an open test section. Surface pressure measurements and numerical simulations are performed to statically and dynamically gather lift, drag, and pitching moment data of the NACA 0021. The work consists of four publications. Firstly, static experiments are carried out to investigate the lift, drag, and moment performance of the NACA 0021 airfoil at three Reynolds numbers (Re = 100 k, 140 k, 200 k) through 180 degree of incidence. The hysteresis investigations reveal a second hysteresis loop in the deep post stall region, which is strongly characterized by large standard deviations of the pressure signals. These variations are several orders of magnitude larger than those in the classical stall region. The second study concentrates on dynamic sinusoidal pitching movements and compares them to the static lift curves of the first publication. The dynamic experiments vary in reduced frequency k and focus on three ranges of incidence: near stall, post stall, and deep stall. Various bi-stable flow states are discovered and discussed. Bi-stable data sets are separated by a manual binning procedure, allowing for an individual discussion of the various occurring flow phenomena. Further insights are provided by a detailed analysis of the airfoil’s surface pressure distribution. The measurements reveal large lift fluctuations in both the post and deep stall regime. The amplitudes exceed the order of maximum lift in the static lift curves and are not captured by averaged measurements. The third investigation assesses the systematic influences the setup has on the experiments. Numerical studies are used to gain additional insights of the flow field, whilst also simulating the experimental setup as well as a fully undisturbed flow situation. The comparison leads to correction factors that are used to eliminate the systematic influences in the experimental data. Simulations focus on recreating the static lift polars as well as chosen dynamic sinusoidal lift cycles, that were previously tested during the experiments. Numeric data is evaluated in order to discuss the numerical limits in dynamic cycle calculation. The fourth paper is another combined investigation of experimental and numerical data. The focus lies on drag and moment coefficients that have not been included in the previous publications, and a detailed literature comparison is used to validate the experimental results. The simulation setups of the open field and wind tunnel are used to reproduce the experiments, achieving good agreement for static polars, barring some limitations concerning the moment coefficients. The correction factors introduced in the third work are extended to cover also the drag data, and a discussion on the differences in static stall angle and the extent of the hysteresis cycle is presented. Finally, the thesis is completed by introducing an automated binning method. The application of such a method was proposed in the second publication to evade the manual selection of bins, but was not included. The k-means++ clustering method is applied using the available experimental data. A detailed analysis of two selected test cases is able to provide further insights into the bi-stable behavior revealed in the second paper, as well as into the regime of the second hysteresis loop found in the first paper.
Die Transformation unserer Gesellschaft hin zu mehr Nachhaltigkeit und kohlenstoffneutraler Energieversorgung verstärkt die Nachfrage nach erneuerbaren Energien. Die Windkraftindustrie gewinnt aktuell weiter an Bedeutung und ist auch immer öfter im urbanen Umfeld anzutreffen. In den dort vorherrschenden Umgebungsbedingungen mit erhöhter Turbulenz und stark schwankenden Winden haben vertikalachsige Windkraftanlagen Vorteile. Die aerodynamischen Daten der hierfür relevanten Profile werden jedoch von der Literatur vorrangig nur in den Winkelbereichen bis kurz nach dem Strömungsabriss betrachtet. Die Flügel von vertikalachsigen Windkraftanlagen durchlaufen jedoch Anströmwinkel weit jenseits und dies insbesondere während des Anlaufvorgangs. Die vorliegende Arbeit beschreibt die aerodynamischen Eigenschaften eines NACA 0021 Profils bei Reynoldszahlen, die typisch für Kleinwindkraftanlagen sind. Oberflächendruckmessungen und numerische Simulationen ermöglichen neue Einsichten in das statische und dynamische Verhalten des NACA 0021 Profils. Die bei Windkanalversuchen typischerweise auftretenden Verblockungseffekte werden reduziert, da die Experimente in einer offenen Teststrecke durchgeführt werden. Das Kernstück dieser Arbeit wird durch vier Publikationen gebildet. Die erste untersucht Auftriebs-, Widerstands- und Momentenverläufe bei drei verschiedenen Reynoldszahlen (Re = 100 k, 140 k, 200 k) über einen 180 Grad Anstellwinkelbereich. Zusätzliche Hystereseuntersuchungen zeigen einen zweiten Hysteresebereich weit jenseits des klassischen Strömungsabrisses. Dieser wird durch stark erhöhte Standardabweichungen charakterisiert, welche mehrere Größenordnungen über denen des klassischen Hysteresebereiches liegen. Die zweite Studie konzentriert sich auf das dynamische Verhalten und untersucht dynamische sinusförmige änderungen des Anstellwinkels und deren Auswirkungen auf den Auftrieb. Die gemessenen dynamischen Polaren werden mit den statischen Messungen der ersten Messkampagne verglichen. Die Versuche fokussieren sich auf drei Winkelbereiche: bis an den Strömungsabriss; im und jenseits des Strömungsabrisses. In jedem dieser Bereiche werden Versuche mit unterschiedlichen reduzierten Frequenzen k durchgeführt. Die Experimente zeigten mehrere bistabile Strömungsphanomäne, die im Rahmen der Arbeit weiter analysiert werden. Hierbei werden die Auftriebspolaren manuell gruppiert, um die Zustände einzeln zu diskutieren. Detaillierte Oberflächendruckverläufe bieten hierbei weitere Einsicht. Die dynamischen Experimente zeigen zusätzlich starke Auftriebsschwankungen jenseits des klassischen Strömungsabriss. Die Amplituden der Schwankungen haben eine Größenordnung, die dem Maximalauftrieb entspricht, und diese werden durch gemittelte Messungen nicht erfasst. Der dritte Artikel konzentriert sich unter anderem auf den Einfluss des Versuchsaufbaus. Numerische Simulationen ermöglichen hierbei den Vergleich zwischen einer ungestörten 2D-Strömung und der simulierten offenen Teststrecke. Die Untersuchungen ermöglichen die Bereinigung der Messdaten durch das Einführen von Korrekturfaktoren. Die statischen und ausgewählte dynamische Experimente wurden zusätzlich numerisch simuliert. Die erhaltenen Daten bilden die Grundlage für eine Bewertung inwieweit die gewählte Simulation die dynamischen Effekte nachbilden kann. Die vierte Publikation kombiniert erneut experimentelle und numerische Untersuchungen. Hierbei liegt der Fokus jedoch auf den Widerstands- und Momentenbeiwerten, die im vorhergehenden Artikel nicht betrachtet wurden. Ein weiterer Vergleich mit Literaturdaten bestätigt die experimentellen Messwerte. Die Wiederverwendung der simulierten Teststrecke und der ungestörten 2D-Strömung erzielt gute übereinstimmungen bei den Widerstandswerten, beinhaltete jedoch Abweichungen bei den Momenten. Die in der dritten Veröffentlichung eingeführten Korrekturfaktoren werden für die Widerstandsbeiwerte angepasst und entsprechend erweitert. Die Unterschiede zwischen Simulation und Experiment, insbesondere die Abweichungen bei der Hysterese und dem Strömungsabriss, werden detailliert analysiert. Im Anschluss an die Publikationen wird eine automatisierte Gruppierung von Messdaten eingeführt. Die Verwendung einer solchen Methode wurde schon in der zweiten Veröffentlichung angeregt, um die manuelle Zuordnung zu ersetzen. Es wird hierzu die Clusterbildung mit Hilfe des k-means++ Algorithmus getestet. Aus den bestehenden Messdaten der Veröffentlichungen werden zwei Testfälle ausgewählt: Zum einen das dynamische Experiment aus der zweiten Veröffentlichung, dass die Grundlage für die Untersuchungen der bistabilen Polaren bildete und zum anderen ein Fall, der den zweiten Hysteresebereich abdeckt, der im ersten Artikel analysiert wurde.