Turbulenz, Windenergie und Stochastik

Windenergie und Turbulenzforschung

Turbulenzen sind ein alltägliches Phänomen und treten in vielen natürlichen Systemen auf. Als Beispiel seinen die Rauchfahne einer Zigarette oder eines Schornsteines, die verwirbelten Strömungen fließender Gewässer oder atmosphärische Winde insgesamt genannt. In allen Fällen führt die Komplexität turbulenter Strömungsfelder dazu, dass eine exakte Vorhersage oder Berechnung der resultierenden Strömungen nicht mehr gelingt. Aus diesem Grunde erlangen statistische Modellvorstellungen, die vor allem durch die Ideen von Kolmogorov (1941) und Richardson (1922) geprägt sind, einen hohen Stellenwert in der Analyse turbulenter Strömungsfelder. 

In diesem Arbeitsgebiet werden die kleinskaligen Turbulenzen atmosphärischer Windgeschwindigkeitsfelder mit Hilfe statistischer Modelle untersucht. Dazu werden die gewonnenen Ergebnisse mit denjenigen aus Laborexperimenten verglichen. Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass die Ergebnisse aus Laborexperimenten - im wesentlichen Windkanal- oder Freistrahlmessungen - bekannt und vielfach untersucht sind. Anhand dieser Ergebnisse lassen sich Unterschiede und Gemeinsamkeiten zwischen der Laborturbulenz und der atmosphärischen Turbulenz ausmachen. Insbesondere können Rückschlüsse daraus gezogen werden, welche Eigenschaften universell in beiden Systemen auftreten und welche als spezifisch für das atmosphärische Windfeld anzusehen sind. Dabei ist das atmosphärische Windfeld deutlich komplexer als die 'kontrollierte' Laborturbulenz, in der Stabiltätseffekte und orographische Inhomogenitäten ausgeschlossen werden können. Insbesondere ist der atmosphärische Wind hochgradig instationär, während sich im Labor leicht stationäre Strömungen erzeugen lassen. 

Besonderes Augenmerk wird auf die Problematik von Windböen gelegt. Dabei wird unter anderem der Frage nach einer physikalischen Struktur von Windböen nachgegangen. Es hat sich im Verlaufe der bisherigen Untersuchungen gezeigt, dass Böen durch die anomale Statistik der kleinskaligen, atmosphärischen Turbulenz erklärt werden können. 

Die Windenergieforschung findet im Rahmen von ForWind statt. 

Gegenwärtig werden folgende Themen bearbeitet:

Rotormodellierung 
Atmosphärische Turbulenz 
Rayleigh-Bénard-System 
Strömungssimulation 
Aktives Gitter