Um die Energieausbeute zu erhöhen wurden in den vergangenen Jahren Windenergieanlagen mit zunehmend größerem Rotordurchmesser entwickelt. Eine weitere signifikante Vergrößerung der Rotoren erfordert die Entwicklung neuer Konzepte und Technologien, um einen überproportionalen Anstieg von Gewicht und Herstellungskosten zu vermeiden und die Energie-Erzeugungskosten zu senken. Das gemeinsame Ziel des Forschungsschwerpunktes besteht in der Entwicklung und Bewertung innovativer Konzepte zur Lastenkontrolle. Im beantragten Teilvorhaben soll eine hochgenaue CFD-basierte Berechnungskette weiterentwickelt und zur Berechnung der instationären Lasten einer Windenergieanlage mit bzw. ohne aktivierter Lastenkontrolle angewendet werden. Dabei soll eine realitätsnahe atmosphärische Zuströmung mit zeitlich aufgelöster Turbulenz betrachtet werden. Die Komplexität der betrachteten Konfiguration sowie der Zuströmung wird dabei sukzessive erhöht, um spezifische Einflüsse gezielt untersuchen zu können, Vergleiche mit Windkanalversuchen der Univ. Oldenburg und der TU Darmstadt zu ermöglichen und schließlich Daten zur Verbesserung vereinfachter Berechnungsverfahren der TU Berlin und der TU Darmstadt zu liefern. Da sich die Windkanalversuche nur im Modellmaßstab durchführen lassen wird das entwickelte numerische Verfahren zur Bewertung der Wirksamkeit des Lastenkontrollkonzepts für eine generische Anlage im Original-Maßstab unter atmosphärischen Bedingungen genutzt.
Es soll ein Rechenverfahren bereitgestellt werden, mit dem die Verteilung von Kuehlturmemissionen in der Umgebung eines Kraftwerkes bestimmt werden kann. Dafuer wird ein dreidimensionales Rechenprogramm entwickelt. Es wird ein Turbulenzmodell verwendet, das zwar erheblichen numerischen Aufwand erfordert, dafuer aber auch weitgehend universellen Charakter hat und dementsprechend mit bekannten Stroemungen geeicht werden kann.
Die Schallausbreitung im Freien wird neben der Richtcharakteristik der Quelle, Absorption in der Luft und der Impedanz des Bodens sehr stark beeinflusst. Es werden Untersuchungen durchgefuehrt, die Wechselwirkung von Wind- und Temperaturverteilungen mit dem Schallsignal durch Korrelation zu beschreiben. Bei Laufwegen des Schalls von bis zu 50 m ergeben sich Korrelationen, die auf Haupteinfluesse von Turbulenzstrukturen in der Groessenordnung von 50 - 150 m schliessen lassen. Der Haupteinfluss der meteorologischen Parameter liegt in der Naehe des Lautsprechers. Bei groesseren Laufwegen (bis zu einigen hundert Metern) ist nur geringe oder ueberhaupt keine Korrelation zu finden. In diesen Entfernungen waere die Kenntnis der gesammten Wind- und Temperaturverteilung ueber Ort und Zeit notwendig. Da dies auf experimentelle Schwierigkeiten stoesst, wird das jeweilige Zeitsignal durch fraktale Dimension charakterisiert. Aus der Kenntnis der fraktalen Dimension gewinnt man Aussagen, wieviele Parameter notwendig sind, um das System zu beschreiben. Ausserdem kann man unterscheiden, welcher Anteil des Signals deterministisch und welcher stochastisch ist. Es ergeben sich aehnliche fraktale Dimensionen fuer das Windsignal sowie fuer die Schallschwankungen, was darauf hindeutet, dass die Schallschwankungen in gewisser Hinsicht die augenblickliche Windverteilung wiederspiegelt.
Standprobelaeufe von Strahltriebwerken werden immer mehr in Laermschutzhallen verlagert, um die Geraeuschemission zu verringern. Neben der akustischen Auslegung der Laermschutzhalle sind die aerodynamischen Aspekte nicht zu vernachlaessigen, die einen problemlosen Betrieb der Triebwerke in der Halle gewaehrleisten. Fuer die aerodynamische Konzeption werden vorab Modellversuche im Massstab 1:50 durchgefuehrt. Der Aufbau besteht aus einer massstabsgerechten Modellhalle aus Plexiglas, den Triebwerkssimulatoren, dem Flugzeugmodell und einer Windmaschine fuer Versuche mit Querwindeinfluss. Die Triebwerkssimulatoren bilden das Kernstueck der Versuche. Ueber eine vorhandene Luftversorgungseinrichtung wird Luft ueber den Simulatoreintritt angesaugt, verdichtet und ueber getrennte Rohrleitungen dem Simulator als Primaer- und Sekundaerluft wieder zugefuehrt. Regelorgane in den Rohrleitungen sind fuer die Einstellung bestimmter Betriebspunkte zustaendig. In der Modellhalle wird die Stroemung mit Faeden und mit Nebel sichtbar gemacht, um Rueckstroemgebiete oder Wirbelgebiete zu detektieren. Durch geeignete bauliche Veraenderungen gilt es, diese Gebiete zu vermeiden bzw so stark einzuschraenken, dass aus aerodynamischer Sicht ein gefahrloser Betrieb der Triebwerke erfolgen kann.
Die Energietransfers der drei dynamischen Regime - kleinskalige Turbulenz, interne Schwerewellen und geostrophisch balancierte Strömung - sind fundamental für den Energiezyklus in der Atmosphäre und dem Ozean. Nichtsdestotrotz sind sie aber nicht gut verstanden und quantifiziert, und ihre Repräsentation in modernen Erdsystemmodellen ist unbefriedigend. Weil durch die Interaktion der dynamischen Regime die kleinsten Skalen ultimativ mit den größten Skalen durch eine Vielzahl von komplexen Prozessen verbunden sind, ist das Verständnis dieser Interaktionen wichtig um Ozean- und Atmosphärenmodelle zu konstruieren und um das Klima vorherzusagen. Die gegenwärtige Unkenntnis dieser Prozesse wird durch energetisch inkonsistente Modelle mit relativ großen Fehlern, aber auch durch Inkonsistenzen numerischer und mathematischer Natur, reflektiert. Wir glauben, dass es nun an der Zeit ist momentane Anstrengungen zu kombinieren, diese Defizite zu überwinden, neue Aktivitäten zu fördern die dynamischen Interaktionen zu verstehen und die Konsistenz von Ozean- und Atmosphärenmodellen zu verbessern. Die Arbeit des SFB/TRR soll die Modellfehler reduzieren, die Modellgüte verbessern, und ultimativ die Klimamodelle und Klimavorhersagen verbessern. Die wesentlichen Ziele dieses SFB/TRR sind - i. das notwendige Verständnis der Energietransfers zwischen den verschiedenen dynamischen Regimen in Atmosphäre und Ozean zu entwickeln, - ii. mit diesem Verständnis neue und konsistente Parametrisierungen zu entwickeln und in Modellen zu implementieren und zu testen, und - iii. numerischen Methoden mit konsistenter Energetik zu entwickeln. Es ist unsere Vision dadurch eine energetisch konsistente Beschreibung der Energiekonversionen im Klimasystem zu etablieren sowie physikalisch, mathematisch und numerisch konsistente Ozean- und Atmosphärenmodelle zu entwickeln.
Mit dem vorhandenen Windkanal koennen temperaturgeschichtete turbulente Grenzschichten erzeugt werden (Grenzschichtdicke ca. 0,7 bis 1 m), die Aehnlichkeit mit bodennahen atmosphaerischen Grenzschichten aufweisen (Simulationsbereich der Gradienten-Richardsonzahl: -0,2 kleiner gleich Ri kleiner gleich +0,2). Die gewuenschten Eigenschaften der Grenzschichten sind durch unterschiedliche Bodenrauhigkeit, Heizen und Kuehlen des Bodens und Aufheizen des ankommenden Luftstroms im erwaehnten Simulationsbereich reproduzierbar einstellbar. Die neu entwickelte Hitzdrahtmesstechnik (X-Draht-Sonde mit zwei Temperaturfuehlern) liefert fuer starke Geschwindigkeits- und Temperaturgradienten einen optimalen halbempirischen Zusammenhang zwischen CTA-Signal und augenblicklicher Geschwindigkeit und Temperatur (im Bereich 1 m/s kleiner gleich U kleiner gleich 10 m/s und 10 Grad Celsius kleiner gleich T kleiner gleich 80 Grad Celsius). Die experimentellen und theoretisch-numerischen Untersuchungen befassen sich mit den Stoerungen der turbulenten Grenzschichten durch abrupte Aenderungen der Randbedingungen und durch um- bzw. ueberstroemte Hindernisse, sowie mit der Ausbreitung inerter Stoffbeimengungen in der gestoerten bzw. ungestoerten Stroemung. Ziele der Untersuchungen sind, die Effekte der Temperaturschichtung und der unterschiedlichen Stoerungen moeglichst getrennt zu erfassen und Datensaetze zu beschaffen, die es ermoeglichen, mathematische Modelle zu testen und zu entwickeln.
Eine Verlässlichkeit von Vorhersagen des Klimawandels ist nur dann gegeben, wenn die dabei verwendeten numerischen Modelle das gegenwärtige Klima aus den richtigen Gründen korrekt simulieren. Offene Fragen betreffen z.B. dynamische Aspekte wie die Vorhersage einer Verstärkung der Brewer-Dobson-Zirkulation, den dynamischen Einfluss der Stratosphäre auf die Troposphäre und ein Überschießen in der Erholung der Ozonschicht. Eine besonders große Unsicherheit stellen in diesem Zusammenhang interne Schwerewellen (SW) dar, die durch gegenwärtige Chemie-Klimamodelle nicht aufgelöst werden. Ihr Einfluss muss durch Parametrisierungen erfasst werden, die heutzutage stark vereinfacht sind. Die Forschergruppe (FG) wird explizite Modelle für die Anregung, Ausbreitung und Dissipation von SW formulieren, die mathematisch und physikalisch konsistent sind. Diese werden anhand von prozessauflösenden Simulationen und Messungen validiert. Spezielle Beachtung werden die Mehrskalenwechselwirkungen von SW mit Turbulenz und der balancierten Strömung finden, sowie die Wechselwirkung von kleinskaligen, nichtaufgelösten SW mit großskaligen, aufgelösten SW. Die entwickelten Modelle werden in eine einheitliche SW-Parametrisierung münden, von den Quellen bis zur Dissipation. Sowohl die SW-Parametrisierung als auch globale SW-erlaubende und lokale SW-auflösende Simulationen sollen verwendet werden, um die Unsicherheiten der SW-Effekte auf die atmosphärische Zirkulation, auf großskalige dynamische Prozesse und auf den Klimawandel einzuschränken. Die Untersuchungen der Wellenprozesse selbst als auch ihrer globalen Auswirkungen werden auf der engen interdisziplinären Wechselwirkung zwischen Mathematik, Theorie, hochauflösender numerischer Modellierung und Messungen basieren. Diese Kombination begründet sich darin, dass nur Messungen den direkten Bezug zur Realität haben, nur Theorie uns verstehen lehrt, und nur hochauflösende Modellierung eine detaillierte Diagnose erlaubt. Ein dergleichen umfassendes Programm übersteigt bei weitem die Möglichkeiten einzelner Institute oder ihrer bilateralen Zusammenarbeit. Es erfordert hingegen eine FG, in der experimentelle, numerische, theoretische und mathematische Erfahrungen zusammengeführt werden. Die langfristigen Ergebnisse der FG sollen sein:- Eine erweiterte und vertiefte Kenntnis der räumlichen, zeitlichen und spektralen Verteilung von SW in der Atmosphäre.- Ein wesentlich verbessertes Verständnis der Prozesse, welche die korrespondierende SW-Dynamik erzeugen und kontrollieren.- Darauf aufbauend eine Verbesserung der Belastbarkeit und Vollständigkeit der Parametrisierung von SW als Subgitterskalenphänomen, Quellprozesse, SW-Ausbreitung, die Wechselwirkung von SW mit der aufgelösten Strömung und SW-Dissipation betreffend.- Als Ergebnis ein verlässlicheres Verhalten von SW-Parametrisierungen unter anomalen Bedingungen, z.B. dem Klimawandel.
Die Dehnung einer Kunststoffleitung bei Innendruckaenderungen kann durch eine Kriechfunktion beschrieben werden. Sie bildet die Grundlage unterschiedlicher Verfahren, um bei einer Berechnung instationaerer Stroemungsvorgaenge in Druckleitungen den Einfluss viskoelastischer Werkstoffeigenschaften beruecksichtigen zu koennen. Diese Berechnungsmodelle sollen fertig entwickelt werden und die dabei getroffenen Vereinfachungen anhand von Versuchen auf ihre Gueltigkeit ueberprueft werden.
Bei der motorischen Verbrennung entstehen Schadstoffe insbesondere durch unvollstaendige Verbrennung der Ausgangskohlenwasserstoffe und durch Nebenreaktionen. Die Schadstofferzeugung steht in unmittelbarem Zusammenhang mit dem Ablauf des Verbrennungsprozesses im Zylinderraum. Gegenstand des Vorhabens 'HC-Emission' ist die mathematische Erfassung der instationaeren turbulenten Stroemung im Motorraum. Zunaechst wird das Stroemungsfeld ohne ueberlagerte chemische Reaktion behandelt. In der zweiten Bearbeitungsphase wird ein vereinfachtes Reaktionsmodell eingearbeitet. Bis jetzt wurden das Stroemungsfeld fuer verschiedene Parameter (z.B. Drehzahl, Ventileinstroembedingungen) berechnet und dabei die Turbulenzstaerke und Turbulenzintensitaetsverteilung waehrend des Arbeitstaktes untersucht. Hieraus lassen sich bereits Schluesse auf Parameterbereiche der Motorauslegung ziehen, die fuer einen vollstaendigen Reaktionsablauf gueltig sind. Endgueltige Aussagen zum Reaktionsablauf und zu der Frage der HC-Emission sind erst nach dem Einbau des Reaktionsmodells moeglich.
Untersuchung klimabestimmender Prozesse und der turbulenten Ausbreitung von Luftverunreinigungen im mesoskaligen Bereich mit Hilfe von langfristigen Beobachtungen und kuerzeren Messkampagnen. Die Messergebnisse dienen der Parametrisierung und Verifikation von Modellrechnungen. Dabei werden u.a. mit Fernmessverfahren meteorologische Vorgaenge untersucht, die fuer das mesoskalige Klima von Bedeutung sind; Landoberflaechenprozesse werden mit Energie- und Feuchtebilanzstationen erfasst. Es werden ferner Transport und turbulente Ausbreitung von Luftverunreinigungen verfolgt, Turbulenzstrukturen erfasst und analysiert und der Einfluss der Gelaendeoberflaeche beobachtet. Dazu dienen Messungen mit bodengebundenen Turbulenz-Messsystemen, der Einsatz von Tretoons, eines Doppler-Sodars, sowie die Wetterdaten einer Reihe von Bodenstationen.
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