Please use this persistent identifier to cite or link to this item: doi:10.24405/15178
Title: Investigation Into Boundary Layer Transition on a Wind Turbine Airfoil Using Wall-Resolved Large-Eddy Simulations and Modeled Inflow Turbulence
Authors: Lobo, Brandon Arthur
Green Open Access (secondary release): 
Language: eng
Keywords: Laminar–turbulent transition on wind turbine blades;Laminar Separation Bubble;Boundary layer instabilities;Large-eddy simulation (LES)
Subject (DDC): 532 Mechanik der Fluide; Mechanik der Flüssigkeiten
Issue Date: 2023
Publisher: Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr Hamburg
Document Type: Thesis
Publisher Place: Hamburg
Abstract: 
This thesis is concerned with predicting laminar-turbulent transition and the impact of inflow turbulence on a real wind turbine blade cross-section at a realistic Reynolds number. For this purpose, high-fidelity, wall-resolved large-eddy simulations (LES) with modeled (anisotropic) inflow turbulence are used. The thesis focuses on three main issues: (i) analyzing instabilities and their interactions within the boundary layer, which influences the transition process, (ii) developing methodologies to identify transition also applicable to high inflow turbulence conditions, and (iii) investigating boundary layer receptivity to external disturbances and the corresponding disturbance amplification factor N, which corresponds to the transition location.

Modal instabilities develop due to viscous effects and adverse pressure gradients. Inflow turbulence induces the formation of boundary layer streaks, which increase with the turbulence intensity. Transition moves upstream with increasing turbulence intensity, even though streaks modulate the base flow and shift the onset of modal instabilities downstream. However, increasing the turbulence intensity from 2.4 to 4.5 % at a Reynolds number of 1M leads to a downstream shift of the boundary layer transition due to a strong suppression of modal instabilities. On further increasing the turbulence intensity to 7 % transition moves upstream again, but now it is dominated by streak breakdown. Streaks coexisting with a separation bubble causes a shift in the instantaneous separation point, either upstream or downstream depending on the streak type.

Modal instabilities develop due to viscous effects and adverse pressure gradients. Inflow turbulence induces the formation of boundary layer streaks, which increase with the turbulence intensity. They modulate the base flow and shift the onset of modal instabilities downstream. Increasing the turbulence intensity from 2.4 to 4.5 % at a Reynolds number of 1M leads to a downstream shift of the boundary layer transition due to a strong suppression of modal instabilities. On further increasing the turbulence intensity to 7 % transition moves upstream again, but now it is dominated by streak breakdown. Streaks coexisting with a separation bubble causes a shift in the instantaneous separation point, either upstream or downstream depending on the streak type.

The conventional methods for detecting transition based on the slope of the friction coefficient or the peak in the shape factor are not applicable to the data at a Reynolds number of 1M, where boundary layer transition is governed by streak breakdown. These methods either suggest excessively large chordwise regions for transition or shift the transition point to the leading edge, while turbulent flow is observed only downstream of 40 % chord. Therefore, a novel transition detection approach based on the maximum streamwise velocity fluctuations within the boundary layer is developed and found to be effective across all cases, including those at low turbulence intensities.

CFD is often used for predicting the lift and drag forces on airfoils across various conditions. The prevalent transition prediction method is the eN method, where N is the amplification factor. Mack's correlation, commonly used for the calculation of N, assumes isotropic inflow turbulence and a flat plate boundary layer, which may not reflect real-world conditions. This study incorporates more realistic anisotropic inflow turbulence and demonstrates that Mack's correlation remains reliable and agrees with the LES-derived correlation up to a turbulence intensity of approximately 2.4 %. At higher turbulence intensities, streak breakdown dominates transition, necessitating a new formulation of the N factor which is provided based on the LES data.

In summary, the LES predictions resolve various instabilities and the analysis reveals their interaction and effect on transition. Finally, based on the dominating transition mechanism it is found that two correlation curves are necessary to predict the amplification factor at which the flow turns turbulent.

Diese Dissertation befasst sich mit der Vorhersage des Übergangs von laminarer zu turbulenter Strömung und dem Einfluss von Einström-Turbulenz für ein reales Profil eines Windturbinenblattes bei einer realistischen Reynolds-Zahl. Dazu werden hochgenaue, wandauflösende Large-Eddy Simulationen (LES) mit modellierter (anisotroper) Einström-Turbulenz eingesetzt. Die Arbeit konzentriert sich auf drei Hauptaspekte: (i) Analyse von Instabilitäten und deren Wechselwirkungen innerhalb der Grenzschicht, die den Übergangsprozess beeinflussen, (ii) Entwicklung von Methoden zur Identifizierung des Übergangs, die auch unter Bedingungen hoher Einström-Turbulenz anwendbar sind, und (iii) Untersuchung der Empfänglichkeit der Grenzschicht für externe Störungen und des entsprechenden Störungsverstärkungsfaktors N, der dem Übergangsort entspricht.

Modale Instabilitäten entstehen durch viskose Effekte und adverse Druckgradienten, während Einström-Turbulenz 'Streaks' in der Grenzschicht induziert. Mit steigender Turbulenz bewegt sich die Transition stromaufwärts, obwohl die Streaks die Grundströmung beeinflussen und den Beginn der modalen Instabilitäten stromabwärts verschieben. Eine Erhöhung der Turbulenzintensität von 2.4 auf 4.5 % (Reynolds-Zahl = 1M) führt aufgrund einer starken Unterdrückung der modalen Instabilitäten zu einer stromabwärtigen Verschiebung der Transition. Bei weiterer Erhöhung auf 7 % verlagert sich die Transition erneut stromaufwärts, wird nun vom Zerfall der Streaks dominiert. Das Vorhandensein der Streaks und der laminarer Ablöseblase beeinflusst den instationären Ablösepunkt.

Die herkömmlichen Methoden zur Transitionserkennung, basierend auf dem Reibungskoeffizienten oder dem Formfaktor, sind bei einer Reynolds-Zahl von 1M, wo die Transition durch Streak-Zerfall bestimmt wird, nicht anwendbar. Diese Methoden sagen eine zu große Ausdehnung des Transitionsbereiches in Strömungsrichtung voraus oder verschieben die Transition zur Vorderkante, während eine turbulente Strömung nach etwa 40 % der Sehnenlänge vorliegt. Ein neuartiger Ansatz zur Transitionserkennung, basierend auf maximalen Geschwindigkeitsschwankungen in der Grenzschicht, wurde entwickelt und erweist sich als effektiv in allen Fällen, einschließlich solcher mit geringer Turbulenzintensität.

CFD wird zur Vorhersage von Auftriebs- und Widerstandskräften an Profilen verwendet. Zur Vorhersage des Übergangs wird die eN-Methode mit dem Verstärkungsfaktor N eingesetzt. Die Mack-Korrelation, die oft zur Berechnung von N verwendet wird, basiert auf isotroper EinströmTurbulenz und einer ebenen Platten-Grenzschicht, was nicht den realen Bedingungen entspricht. In dieser realistischeren Studie wird gezeigt, dass die Mack-Korrelation bis zu einer Turbulenzintensität von etwa 2.4 % zuverlässig bleibt und mit der aus LES-Daten abgeleiteten Korrelation übereinstimmt. Bei höheren Turbulenzintensitäten dominiert jedoch der Zerfall der Streaks den Übergang, was eine neue Formulierung des N-Faktors erfordert, die mithilfe von LES-Daten entwickelt wird.

Zusammenfassend betrachtet werden in dieser Arbeit verschiedene Instabilitäten mittels LES vorausberechnet und die Analyse zeigt deren Wechselwirkungen und Auswirkungen auf die Transition. Abschließend wird basierend auf dem dominierenden Übergangsmecha-nismus festgestellt, dass zwei Korrelationskurven erforderlich sind, um den Verstärkungsfaktor vorherzusagen, bei dem die Strömung turbulent wird.
Organization Units (connected with the publication): Strömungsmechanik 
DOI: https://doi.org/10.24405/15178
Advisor: Breuer, Michael 
Referee: Schaffarczyk, Alois
Grantor: HSU Hamburg
Type of thesis: PhD Thesis
Exam date: 2023-09-08
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