Validierung von atmosphärischen CFD Simulationen im Vergleich zu Windmast-Messungen

Die Validierung unserer Berechnungsmodelle ist ein wichtiger Aspekt unserer Arbeit und unserer Integrität als Ingenieure. Genauso wie für unsere Berechnungen von Windströmungen um Gebäude und Mischprozesse in der Pharmazie, validieren wir auch unsere Simulationsmodelle für Windturbinen. Hier kommt Bolund ins Spiel...

Bolund ist eine kleine Insel nahe Roskilde in Dänemark, die Schauplatz eines Experimentes in atmosphärischer Windmessung war. Eine Reihe and Windmasten wurde an verschiedenen Stellen der Insel errichtet und mit verschiednen Windmessgeräten ausgestattet. Die Insel selbst wurde mittels LIDAR genau vermessen um ein detailliertes Modell zu erhalten. Modell und Windmesswerte wurden publiziert um so einen Referenzfall für atmosphärische Windmessungen zu schaffen.

Die Geometrie der Insel ist insbesondere aufgrund der steil abfallenden, windwärts gelegenen Klippe interessant, die Strömungsbedingungen schafft, die ähnlich denen sind, denen Windturbinen ausgesetzt sind, die auf Erhöhungen wie zB. Bergrücken errichtet werden (die aber auch weitere Besonderheiten aufweisen können, auf die wir in zukünftigen Veröffentlichungen eingehen werden). Daher ist die Insel besonders gut als Referenzfall geeignet um unsere atmosphärischen LES Simulationsmodelle inklusive der simulierten Böen zu validieren. Das folgende Video zeigt das Ergebnis:


 

Video herunterladen: Full HD - 1080p | HD Ready - 720p


Ein Vergleich der zeitlich gemittelten Simulationsergebnisse mit den experimentellen Messungen der Messmasten zeigt eine ausgezeichnete Übereinstimmung! Anders als die Windmasten, liefert die Simulation aber nicht nur Werte an bestimmten Punkten sondern über ein großes Areal. So können die besten Stellen für die Windenergieanlagen ausgewählt werden. Darüber hinaus kann die Simulation Was-wäre-wenn-Szenarien berechnen so dass der Einfluss von Wirbelschleppen geplanter Windenergieanlagen oder auch größerer Gebäude oder Bewaldung auf die Gesamtleistung eines Windparks berücksichtigt werden kann.

Die folgenden Graphen vergleichen simulierte und experimentell ermittelte Turbulenzstatistiken an den Positionen der Messmasten. Die Statistik zeigt im Wesentlichen, dass die Simulation nicht nur die durchschnittliche Windgeschwindigkeit genau vorhersagt, sondern auch eine sehr gute Approximation der Fluktuationen der Windgeschwindigkeit liefert (Böen). Nachdem die Windgeschwindigkeit von Böen die durchschnittliche Geschwindigkeit leicht verdoppeln kann, ist diese Vorhersage ein wichtiger Faktor in der Beurteilung von Windlasten (von Windturbinen über Lärmschutzwände bis hin zu Hochhäusern). Die Vorhersage dieser Geschwindigkeitsänderungen ist besonders schwierig, da sich die Böen mit der Höhe verändern: die relativ kleinen Geschwindigkeitsänderungen in Bodennähe steigen an bis zur durchschnittlichen Höhe der Bebauung und gehen dann langsam in die viel gleichmäßigere Strömung in größerer Höhe über.

Nach wie vor spielen Messmasten eine wichtige Rolle um die Windbedinungen an einem möglichen Standort zu ermitteln, zusätzliche Simulation liefert darüber hinaus räumlichen Information um die besten Plätze für die individuellen Windenergieanlagen zu finden, inklusive der Wechselwirkung von Wirbelschleppen, und liefert so entscheidende Information, die es erlaubt die Leistung eines Windparks schon in der Planung zu maximieren.