Numerical Modeling of the Underwater Berlin Research Turbine in a Towing Tank
Creators: name: Krumbein, Sascha
Publisher: name: Zenodo
Year: 2023
Subjects: Wind Turbine
Numerical Modeling
QBlade

description: This thesis presents measures to reproduce the Underwater Berlin Research Turbine (UBeRT) inside QBlade. A simplified structural model of the turbine is derived to allow for analytical and codeto-code validation and verification. QBlade’s Project Chrono library is employed to solve the multi-body representation of the turbine. The results fit the prediction of the analytical and the high-fidelity model used for the code-to-code comparison reasonably well. The aeroelastic response throughout the operational regime of the turbine is assessed and searched for potentially dangerous operating points. The side-side and fore-aft nacelle accelerations do not indicate unstably amplified mode shapes of the turbine. Acceleration ramps of the rotational speed and the inflow velocity to crucial operating points are simulated. The correlated loads on critical components are monitored and, where necessary, adapted factors of safety are derived. From the numerical assessment, the turbine’s structural integrity can be guaranteed. Additionally, the wake of the turbine model is simulated employing a lifting line method to generate a sample data set at two operating points. Appropriate post-processing algorithms are developed and tested. Despite not being verified against high-fidelity simulations and/or experiments, the extracted data resembles general features of wakes of modern-day horizontal axis wind turbines. Averaged velocity profiles and numerical noise metrics are considered at various downstream positions to gain insights into the development of the wake of the UBeRT. In the future, the UBeRT test rig will be used to measure tip vortex instabilities employing stereoscopic underwater particle image velocimetry. Once validated experimentally, the numerical model will serve as a digital twin. Promising velocimetry planes can be derived, controllers can be tuned, and parameter studies on blade tip devices can be conducted. 
description: In dieser Arbeit werden Maßnahmen vorgestellt zur Modellierung der Underwater Berlin Research Turbine (UBeRT) in QBlade. Ein vereinfachtes Strukturmodell der Turbine wird analytisch und mittels "code-to-code"-Vergleichs validiert. Das Mehrköpermodell wird mit QBlade’s Project Chrono Bibliothek gelöst und untersucht. QBlade ist innerhalb der durch die unterschiedlichen Modellierungsansätze bedingten Grenzen ausreichend gut in der Lage, die Vorhersagen der Referenzmodelle zu reproduzieren. Aeroelastische Interaktionen werden im gesamten Betriebsbereich der Turbine bewertet und nach potenziell gefährlichen Betriebspunkten gesucht. Die "side-side" und "fore-aft" Gondelbeschleunigungen deuten auf keine instabil verstärkten Modalformen im Betrieb der Turbine hin. Beschleunigungsrampen für die Rotationsgeschwindigkeit und die ungestörte Anströmgeschwindigkeit zu kritischen Betriebspunkten werden in simuliert. Die damit verbundenen Belastungen kritischer Komponenten werden überwacht und, wenn nötig, angepasste Sicherheitsfaktoren abgeleitet. Die numerische Untersuchung weist die strukturelle Integrität der Turbine im gesamten Parameterbereich nach. Zusätzlich wird der Nachlauf der Turbine mit einer "lifting line"-Methode an zwei Betriebspunkten simuliert, um einen Musterdatensatz zu erzeugen. Geeignete Nachbearbeitungsalgorithmen werden entwickelt und getestet. Obwohl die extrahierten Daten nicht anhand von hochauflösenden Simulationen und/oder Experimenten verifiziert wurden, ähneln sie in allgemeinen Merkmalen den Nachläufen moderner horizontalachsigen Windkraftanlagen. Gemittelte Geschwindigkeitsprofile und eine Metrik zur Quantifizierung des numerischen Rauschens werden an verschiedenen stromabwärts gelegenen Positionen betrachtet, um Einblicke in die Entwicklung des Nachlaufs der UBeRT zu gewinnen. In Zukunft werden am UBeRT-Prüfstand Spitzenwirbelinstabilitäten mit stereoskopischer Particle-Image-Velocimetry unter Wasser vermessen. Nach der experimentellen Validierung wird das numerische Modell als "digital twin" dienen. Vielversprechende Ebenen zur Geschwindigkeitsmessung können abgeleitet, Regler können getestet und es können Parameterstudien zu vielversprechenden Flügelspitzengeometrien durchgeführt werden.