Yannick Martini

• Vertikalachsen-Windkraftanlagen gelten als vielversprechende Alternative zu den etablierten Windkraftanlagen mit horizontaler Achse, insbesondere im urbanen Raum und unter stark turbulenten Strömungsbedingungen. Trotz ihrer konstruktiven Vorteile in solchen Einsatzgebieten weisen sie im Vergleich zu Horizontalachsen-Windkraftanlagen eine geringere aerodynamische Effizienz auf. Die gezielte Leistungssteigerung durch strömungsgünstige Rotoranpassungen stellt daher einen zentralen Forschungsschwerpunkt dar. Ihre systematische Umsetzung erfordert jedoch geeignete numerische Entwurfswerkzeuge, mit denen sich die zugrunde liegenden komplexen Strömungsvorgänge effizient analysieren und bewerten lassen. Mit dem Designtool OpenWIEN wird im Rahmen dieser Arbeit eine dreidimensionale Panelmethode entwickelt, die instationäre Strömungsvorgänge an Vertikalachsen-Windkraftanlagen einschließlich einer expliziten Nachlaufstruktur aerodynamisch konsistent abbildet. Um die Aussagekraft der implementierten Methode einzuordnen, erfolgt ein Vergleich mit Ergebnissen zweidimensionaler CFD-Simulationen, anhand derer die Übereinstimmung zwischen beiden Ansätzen im optimalen Betriebsbereich der Anlage bewertet wird. Grundlage des Vergleichs bildet dabei eine dreiblättrige Konfiguration mit NACA-0021-Profil. Darauf aufbauend wird die Panelmethode im Rahmen einer Variantenstudie auf 27 verschiedene Winglet-Konfigurationen angewendet, um ihr Potenzial als effizientes Werkzeug im konzeptuellen aerodynamischen Entwurfsprozess zu evaluieren. Ziel ist es hierbei, leistungssteigernde Konfigurationen zuverlässig zu identifizieren und den Einsatz rechenintensiver, insbesondere dreidimensionaler CFD-Simulationen auf vielversprechende Designvarianten zu beschränken. Hierfür wird neben der aerodynamischen Effizienz auch die strukturelle Belastung in Form des auf die Rotorblätter induzierten Biegemoments in die Bewertung einbezogen. Die Ergebnisse des Vergleichs zwischen OpenWIEN und CFD zeigen im optimalen Betriebsbereich der Windkraftanlage eine weitgehende Übereinstimmung und bestätigen die Konsistenz beider Ansätze. Die anschließende Variantenanalyse belegt zudem, dass sich OpenWIEN für den konzeptuellen Entwurfsprozess eignet und bereits in frühen Entwicklungsphasen belastbare Aussagen zur aerodynamischen Performance verschiedener Winglet-Geometrien zulässt.
• Vertical-axis wind turbines (VAWTs) are regarded as a promising alternative to conventional horizontal-axis wind turbines, particularly in urban environments and under highly turbulent flow conditions. Although VAWTs offer structural advantages in such settings, they generally exhibit lower aerodynamic efficiency compared to their horizontal-axis counterparts. Improving their performance through aerodynamically optimized rotor designs has therefore become a central focus of current research. However, the effective implementation of such design optimizations requires suitable numerical tools capable of capturing and evaluating the complex unsteady flow phenomena involved. In this work, a three-dimensional panel method is developed within the design tool OpenWIEN to model unsteady aerodynamic effects around VAWTs, including an explicit representation of the wake structure. To assess the predictive capability of the implemented method, a comparison with two-dimensional CFD simulations is carried out at the turbine’s best efficiency point. The reference configuration used for this comparison is a three-bladed rotor employing a NACA-0021 airfoil. Building on this foundation, OpenWIEN is applied in a systematic parametric study of 27 winglet configurations to evaluate its potential as an efficient tool for conceptual aerodynamic design. The aim is to reliably identify performance-enhancing configurations and to limit the use of computationally intensive three-dimensional CFD simulations to the most promising designs. In this context, the evaluation considers not only aerodynamic efficiency of the winglets but also structural loading, expressed in terms of blade root bending moments. The results of the comparison between Open-WIEN and the CFD simulations show close agreement at the turbine’s best efficiency point and confirm the consistency of both approaches. The subsequent parametric study demonstrates that OpenWIEN is well suited for conceptual design tasks and enables reliable assessments of the aerodynamic performance of various winglet geometries at early design stages.