Erste Auswertungen der Messkampagnen von Bundes- und Landesbehörden bestätigen bisherige Modellrechnungen und verbessern das Verständnis von Hochwasserabläufen. Im Mai und Juni des Jahres 2013 traten in den deutschen Flussgebieten außerordentliche Hochwasser auf. Die Elbe wies in einigen Abschnitten neue Höchstwasserstände auf. Insbesondere aus der Saale strömten große Wassermassen in den Fluss ein, sodass das Hochwasser unterhalb der Saalemündung deutlich höher auflief als beim Sommerhochwasser 2002; bei Magdeburg-Buckau lag der Scheitel 75 cm über dem bisherigen Höchststand. Um die Elbe zu entlasten, aktivierte man den Elbe-Umflutkanal bei Magdeburg, sperrte Nebenflüsse ab und setzte die Havelniederung kontrolliert unter Wasser. Auch durch einige Deichbrüche wurden teilweise erhebliche Volumina aus der Elbe abgeführt. Das führte zu einem Absunk der Wasserspiegel im Bereich mehrerer Dezimeter. Trotzdem wurde in Magdeburg nach Angaben der Bundesanstalt für Gewässerkunde mit ca. 5.100 m3?s ein Hochwasser mit einem Wiederkehrintervall von 200 bis 500 Jahren erreicht. Mehrere Institutionen der Elbe-Anrainerländer und des Bundes führten Messungen während des Hochwassers durch. Die BAW benötigt insbesondere Messwerte von Oberflächen- und Grundwasser, um mit ihnen Modelle zu überprüfen. Hauptziel einer Messkampagne vom 7. bis 13. Juni 2013 war deshalb, zwischen Riesa bei Elbe (El)-km 106 und dem Wehr Geesthacht (El-km 586 ) nah am Hochwasserscheitel den Wasserspiegel etwa in der Flussachse zu messen. Begleitend wurden Durchflussmessungen durchgeführt, die dazu dienten, sowohl den Abfluss als auch Durchflussanteile und Fließgeschwindigkeiten zu ermitteln. Am 14. Juni 2013 wurden im Bereich der Deichrückverlegung Lenzen (bei El-km 480) zusätzlich Fließgeschwindigkeiten in den Deichschlitzen gemessen. Diese wurden durch punktuelle Grund- und Oberflächenwasser-Messungen ergänzt. Die Auswertung der Messungen wird noch geraume Zeit in Anspruch nehmen. Schon jetzt ist aber klar, dass die Ergebnisse von großem Nutzen sein werden, um die Prozesse in der Natur besser verstehen und beschreiben zu können. Auch tragen sie dazu bei, die Strömungsmodelle der (acronym = 'Bundesanstalt für Wasserbau') BAW zu validieren. Zwei erste Auswertungen machen dies deutlich.
Das Klima ist ein angetriebenes, dissipatives Nichtgleichgewichtssystem, wobei unsere Fähigkeiten die beteiligten Prozesse zu verstehen und simulieren begrenzt sind. Meteorologie und Klimaforschung verfügen noch nicht über eine Theorie zur Beschreibung von Instabilitäten, Gleichgewichtsrelaxation, Vorhersagbarkeit, Variabilität, und der Antwort auf Störungen. Trotz großer Fortschritte stoßen Klima- und Wettervorhersagemodelle nach wie vor auf Barrieren aufgrund der komplexen Randbedingungen und der Multiskaleneffekte. Diese Effekte erfordern die Parametrisierung der nicht aufgelösten Prozesse mit der Folge großer systematischer Fehler. Wir nutzen drei erfolgreiche Ansätze aus der statistischen Mechanik und der Theorie dynamischer Systeme: Covariante Lyapunov Vektoren (CLV), instabile periodische Orbits (UPO) und die Response-Theorie (RT). Dies wird uns erlauben, relevante Probleme der geophysikalischen Strömungsdynamik (GFD) im turbulenten Bereich anzugehen. Wir werden diese Ideen auf komplexere numerische Modelle als frühere Studien ausdehnen.1) Instabilitäten: Wir werden Instabilitäten in turbulenten geophysikalischen Strömungen durch CLVs beschreiben. Im Gegensatz zu klassischen Lyapunov-Vektoren bieten CLVs eine kovariante Aufspaltung der Strömung und physikalisch interpretierbare Muster und erlauben damit eine neue Interpretation von Instabilitäten. Dies wird es uns ermöglichen, eine Verbindung zwischen der Energetik und der dynamischen Eigenschaften herzustellen und damit die mesoskopischen mit den makroskopischen Eigenschaften der Strömung zu verknüpfen.2) Vorhersagbarkeit: Wir werden CLVs und UPOs nutzen, um die Vorhersagbarkeit zu analysieren und Zustände hoher und niedriger Vorhersagbarkeit besser zu verstehen. Wir werden untersuchen auf welche Weise Schwankungen der Lyapunov Exponenten (LE) mit bestimmten Eigenschaften der entsprechenden CLVs zusammenhängen. Wir werden den sogenannten Return-of-Skill in Vorhersagen von Strömungen in einen Zusammenhang mit vorübergehenden Abweichungen in der Summe der positive LEs der Strömung bringen und damit die in der Wettervorhersage beobachteten Schwankungen der Vorhersagbarkeit erklären. Wir werden die Hypothese prüfen inwieweit UPOs die niederfrequente atmosphärische Variabilität erklären können.3) Antworttheorie: Auf der Basis der RT werden wir berechnen wie eine Strömung auf Störungen reagiert, indem nur die Gleichgewichtseigenschaften verwendet werden. Wir werden aus kleinen Ensembles von gestörten Simulationen den Responseoperator empirisch für Klimamodelle ableiten. Dies wird uns eine neue Methode zur Projektion auf verschiedene räumliche und zeitliche Skalen liefern. Wir werden die Antwort von baroklinen Strömungen auf Störungen (z.B. Erwärmung und CO2-Konzentration) analysieren. Wir werden die CLVs nutzen, um die Responseoperatoren in die stabilen, instabilen und neutralen Richtungen zu zerlegen und die Hypothese prüfen inwieweit UPOs mit Resonanzen verbunden sind.
The CHAMP mission provided a great amount of geomagnetic data all over the globe from 2000 to 2010. Its dense data coverage has allowed us to build GRIMM - GFZ Reference Internal Magnetic Model - which has the highest ever resolution for the core field in both space and time. We have already modeled the fluid flow in the Earth's outer core by applying the diffusionless magnetic induction equation to the latest version of GRIMM, to find that the flow evolves on subdecadal timescales, with a remarkable correlation to the observed fluctuation of Earth rotation. These flow models corroborated the presence of six-year torsional oscillations in the outer core fluid. Torsional oscillation (TO) is a type of hydromagnetic wave, theoretically considered to form the most important element of decadal or subdecadal core dynamics. It consists of relative azimuthal rotations of rigid fluid annuli coaxial with the mantle's rotation and dynamically coupled with the mantle and inner core. In preceding works, the TOs have been studied by numerical simulations, either with full numerical dynamos, or solving eigenvalue problems ideally representing the TO system. While these studies drew insights about dynamical aspects of the modeled TOs, they did not directly take into account the observations of geomagnetic field and Earth rotation. Particularly, there have been no observation-based studies for the TO using satellite magnetic data or models. In the proposed project, we aim at revealing the subdecadal dynamics and energetics of the Earth's core-mantle system on the basis of satellite magnetic observations. To that end, we will carry out four work packages (1) to (4), for all of which we use GRIMM. (1) We perform timeseries analyses of core field and flow models, to carefully extract the signals from TOs at different latitudes. (2) We refine the conventional flow modeling scheme by parameterizing the magnetic diffusion at the core surface. Here, the diffusion term is reinstated in the magnetic induction equation, which is dynamically constrained by relating it to the Lorentz term in the Navier-stokes equation. (3) We develop a method to compute the electromagnetic core-mantle coupling torque on the core fluid annuli, whereby the energy dissipation due to the Joule heating is evaluated for each annulus. This analysis would provide insights on whether the Earth's TOs are free or forced oscillations. (4) Bringing together physical implications and computational tools obtained by (1) to (3), we finally construct a dynamical model for the Earth's TOs and core-mantle coupling such that they are consistent with GRIMM and Earth rotation observation. This modeling is unique in that the force balances concerning the TOs are investigated in time domain, as well as that the modeling also aims at improving the observation-based core flow model by considering the core dynamics.
Das Forschungsprojekt hat das Ziel, das Schwimmverhalten von kleineren Fischarten in Fischaufstiegsanlagen besser zur verstehen. In ethohydraulischen Versuchen wird die Bewegung von Fischen in unterschiedlich turbulenten Strömungen in einer Fischaufstiegsanlage untersucht. Aufgabenstellung und Ziel Fischaufstiegsanlagen (FAA) in Schlitzpassbauweise sind so bemessen, dass im Einstieg und in den Schlitzen hohe Strömungsgeschwindigkeiten auftreten. Diese dienen der schnellen Wanderung leistungsstarker Fischarten, können aber die bisher angenommene, experimentell ermittelte Leistungsfähigkeit kleiner und schwimmschwacher Arten überschreiten (z. B. Katopodis und Gervais 2016). Zudem treten in den Schlitzen Strömungsschwankungen verschiedener Größenordnungen auf, die in Versuchen zur Ermittlung der Leistungsfähigkeit nicht vorhanden waren. Beobachtungen kleiner Fische in solchen FAA legen nahe, dass diese leistungsfähiger sind als erwartet. Eine weitere Erklärung dafür kann sein, dass Fische die auftretenden Strömungsschwankungen für die Passage nutzen. Da nach der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie auch kleine Arten durchgängigkeitsrelevant sind und Schlitzpässe zu den bevorzugten Bauweisen gehören, ist es wichtig zu verstehen, wie solche Fische die Passage bewältigen. Im ersten Teil des vorliegenden FuE-Vorhabens wurde in ethohydraulischen Versuchen die Bewegung von Fischen unter unterschiedlich turbulenten Strömungsbedingungen in einem Schlitz beobachtet und die Passageraten der Fische ermittelt. Während der Versuche wurden Videos der Fischbewegung aufgezeichnet. Im zweiten Projektteil werden diese Daten hinsichtlich auftretender Bewegungsmuster als Reaktionen der Fische auf die unterschiedlich turbulenten Strömungen analysiert. Durch eine geeignete Parametrisierung der turbulenten Strömung kann die Passierbarkeit unterschiedlicher hydraulischer Szenarien bewertet werden. Mithilfe der Ergebnisse sollen hydraulische Parameter aus numerischen Strömungssimulationen oder Messdaten fischökologisch bewertet werden. Bedeutung für die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) FAA müssen für alle Fischarten geeignet sein. FAA in Schlitzpassbauweise sind ein häufig verwendeter Bautyp, der vorrangig für stärkere Fischarten entwickelt wurde. Der Nachweis, dass dieser Bautyp für schwächere Arten geeignet ist, ermöglicht es der WSV, ökonomische und effiziente Anlagen zu bauen. Das Verständnis, wie Fische die Hydraulik der FAA beim Aufstieg nutzen, wird zudem eingesetzt, um die Ergebnisse hydraulischer Modelle nicht standardisierter Bauteile aus fischökologischer Sicht zu bewerten. In vorherigen Forschungsvorhaben wurde bereits der Einfluss von Fließgeschwindigkeiten (Schütz et al. 2024) und einer rauen Sohle (Wiering et al. 2024) auf die Fischpassage in Engstellen untersucht. Untersuchungsmethoden Der Untersuchungsbereich befindet sich in einer 2,5 m breiten und 50 m langen Rinne in der Versuchshalle der BAW in Karlsruhe. Die Strömungsverhältnisse im Schlitz und im Unterwasser wurden mit einem Acoustic Doppler Velocimeter (ADV) an über 300 Punkten in zwei horizontalen Ebenen (bodennah und in der Mitte der Wassersäule) vermessen. Aus den Zeitreihen der Strömungsgeschwindigkeiten wurden die mittleren und turbulenten Kenngrößen bestimmt. Die im Jahr 2022 und 2023 durchgeführten Versuche wurden mit ca. 350 aus umliegenden Fließgewässern entnommenen Fischen der Arten Gründling (Gobio gobio) und Rotauge (Rutilus rutilus)für einen turbulenten und wenig turbulenten Strömungszustand durchgeführt. Während der Versuche wurden die Fischbewegungen mit Videokameras aus verschiedenen Blickwinkeln mit einer Frequenz von 19 Bildern pro Sekunde aufgezeichnet. Aus den Videos wurden in mehreren Schritten dreidimensionale Pfade der Fischbewegungen ermittelt. Dazu wurden für insgesamt 30 Versuche Videosequenzen identifiziert, in denen Fische sich in einem definierten Bereich unterhalb des Schlitzes aufhalten. (Text gekürzt)
Berechnung und Messung von Schiffswellen in seitlich begrenztem Fahrwasser Wie weit reichen die schiffserzeugten Wellen und Strömungen des Primärwellensystems eines Schiffes? Neben der Beantwortung dieser Frage soll zusätzlich der validierte Bereich vom Nahfeld des Schiffs in Richtung Ufer vergrößert werden. Dazu werden bestehende Messverfahren zur Vermessung der Wasseroberfläche eingesetzt. Aufgabenstellung und Ziel An den Seehafenzufahrten liegen seitlich der Fahrrinne häufig sehr weitläufige und flache Gewässerbereiche oder angrenzende Strukturen wie Hafenbecken und Seitenarme. In diesen Bereichen beruht die Prognose von Ausbreitung und Wirkbereich schiffserzeugter Primärwellen derzeit auf vereinfachten Annahmen und theoretischen Überlegungen oder muss sehr aufwändig im gegenständlichen Modell mit einem hohen Personal- und Sachmitteleinsatz untersucht werden. Die Relevanz dieser Gewässerbereiche nimmt aufgrund ökologischer Aspekte oder verstärkter Betroffenheiten zu, sodass die Prognosesicherheit der schiffserzeugten Belastungen hier verbessert werden muss. Das bereits zur Berechnung von Schiffsdynamik und schiffserzeugten Belastungen eingesetzte CFD-Verfahren (numerische Strömungssimulation) wird für die projektpraktische Anwendung im Böschungs- und Uferbereich eingerichtet und anhand von Messdaten aus dem Labor und aus der Natur validiert. Anhand von systematischen CFD-Untersuchungen wird ermittelt: (i) unter welchen Bedingungen weit von der Fahrrinne entfernt liegende Böschungs- und Uferbereiche durch schiffsinduzierte Wellen und Strömungen belastet werden, (ii) unter welchen Bedingungen eine Belastung von Böschungen und Ufern entsteht, die sich nicht durch eine lineare Übertragung der Belastungen am Böschungsfuß der Fahrrinne herleiten lässt und (iii) wie sich die Primärwelle in angeschlossenen Gewässerbereichen, bspw. Hafenbecken und Seitenarmen, ausbreitet und quantitativ auswirkt. Bedeutung für die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) Um Fragestellungen in der Fachaufgabe Wechselwirkung Seeschiff/Seeschifffahrtsstraße effizient bearbeiten zu können, wurde die Methode der numerischen Strömungssimulation eingeführt. Die Verfügbarkeit eines numerischen Strömungsmodells zur Vorhersage fahrdynamischer Größen und Strömungsbedingungen im Flachwasser ist bei vielen Aufgaben der WSV erforderlich. Zusätzlich zu dem Fokus auf die Schiffsdynamik ist eine Aussage zu der schiffserzeugten Belastung notwendig. In diesem FuE-Projekt soll die Prognosefähigkeit des CFD-Verfahrens insbesondere in Ufer- und Seitenbereichen deutlich erhöht werden. Neben der Verfügbarkeit einer prognosefähigeren Methode werden außerdem anhand der Untersuchungen allgemeingültige Zusammenhänge ermittelt. Damit ist zukünftig für einfache Sachverhalte eine Ableitung der Ausbreitung und Wirkung von Schiffsprimärwellen in Seeschifffahrtsstraßen ohne aufwändige CFD-Simulation möglich. Untersuchungsmethoden Um die oben aufgeführten Ziele zu erreichen, wird das kommerziell verfügbare, bereits seit vielen Jahren in der BAW eingesetzte und für die unterschiedlichen Fragestellungen validierte CFD-Softwarepaket STARCCM+® genutzt (Bechthold und Kastens 2020, Kochanowski und Kastens 2022, Delefortrie et al. 2023). Im Bereich Naturmessungen soll durch Einsatz neuer Vermessungsmethoden, die in der BAW bereits vorhanden sind, eine Verbesserung von Wellen- und Strömungsdaten angestrebt werden, um flächenhafte Daten zum Schiffswellensystem zu erheben. Mit diesen neuen flächenhaften Daten und bereits vorhandenen punktuellen Daten aus dem physikalischen Modellversuch soll das CFD-Verfahren jenseits des Nahbereichs um das Schiff weiter validiert werden. Das validierte Verfahren wird dann für systematische Untersuchungen flacher, weitläufiger Bereiche und angeschlossener Gewässerteile genutzt.
3D-numerische Simulation von Starrkörperbewegungen Es ist heute möglich strömungsmechanische Berechnungen mit vertretbarem Zeitaufwand durchzuführen. Gleiches soll für die Simulation bewegter Objekte gelten. Im Rahmen des FuE-Projekts sollen Verfahrensweisen entwickelt werden, mit denen anfallende Fragestellungen zur Simulation bewegter Objekte mit OpenFOAM bearbeitet werden können. Aufgabenstellung und Ziel Die dreidimensionale numerische Simulation ist ein wertvolles Werkzeug, das detaillierte Einblicke in Strömungsvorgänge im Bauwerksnahfeld ermöglicht. Im Rahmen der Projektarbeit treten immer wieder Fragestellungen auf, bei denen bewegte Objekte eine wesentliche Rolle spielen und Einfluss auf das Simulationsergebnis haben. Die Simulation der Schleusung eines Schiffes ist ein Beispiel, das stellvertretend für die Schwierigkeiten bei der Modellierung bewegter Objekte steht. Der große Bewegungsumfang des schwimmenden Schiffes bei gleichzeitig sehr geringem Abstand zu statischen Umrandungen und die Querschnittsfreigabe an Verschlüssen erweisen sich als Herausforderungen für den Modellierungsprozess. Ein weiteres Beispiel ist die Modellierung von größeren, sich durch das Simulationsgebiet bewegenden Partikeln, wobei die Interaktion zwischen Partikeln und Strömungsfeld sowie die auf die Partikel wirkenden Kräfte korrekt abzubilden sind. Bedeutung für die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) Beim Entwurf von Schleusen werden kurze Schleusungszeiten bei gleichzeitig geringen hydraulischen Krafteinwirkungen auf das zu schleusende Schiff durch eine optimierte Füllstrategie erreicht. Bislang wurden Schützfahrpläne sowie die Schiffskräfte meist mit gegenständlichen Modellen ermittelt. Die Entwicklung numerischer Methoden soll mittelfristig ermöglichen, derartige Problemstellungen auch mit numerischen Modellen zu bearbeiten. Der Aufwand für den Aufbau der Modelle ist gegenüber gegenständlichen Modellen gering, während die Simulation vergleichsweise viel Zeit in Anspruch nimmt. Ein Vorteil numerischer Modelle besteht in der leichten Auswertbarkeit der Strömungsdaten an beliebigen Stellen des Modells. Numerische und gegenständliche Modelle können dann entweder zeitgleich, z. B. für hybride Modellierungsansätze, oder unabhängig voneinander genutzt werden. Die Auftragsbearbeitenden werden in die Lage versetzt, für jede Fragestellung und zu jedem Zeitpunkt die geeignetste Untersuchungsmethode zu wählen, wodurch Effizienz und Qualität der Gesamtbearbeitung für die WSV gesteigert werden. Untersuchungsmethoden Die Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) verwendet das Verfahren OpenFOAM® für die dreidimensionale numerische Strömungssimulation. Zur Berücksichtigung von Starrkörperbewegungen existieren unterschiedliche Methoden, die sich einerseits in Bezug auf die Komplexität, andererseits hinsichtlich des realisierbaren Bewegungsumfangs unterscheiden und jeweils individuelle Vor- und Nachteile aufweisen. Für die Modellierung eines Schleusungsprozesses wurde in diesem Vorhaben zunächst die Deforming-Mesh-Methode herangezogen. Weiterhin werden auch konkurrierende Ansätze wie die Overset-Mesh- und die ImmersedBoundary-Methode betrachtet. Diese ermöglichen hinsichtlich der Objektbewegung eine größere Flexibilität, weisen jedoch Einschränkungen in der Genauigkeit und Robustheit auf. Zur Modellierung von partikelauflösendem Sedimenttransport wird eine Methode betrachtet, die an der Hochschule Emden/Leer entwickelt wird. Dabei werden größere Partikel, ähnlich wie bei der Immersed-Boundary-Methode, durch das Gitter bewegt. Das Volumen der durch einzelne Partikel belegten Zellen wird dabei entsprechend korrigiert.
Der Fischabstieg an Wehranlagen, insbesondere an Schlauchwehren, soll im Hinblick auf Schädigungsmechanismen für Fische anhand von numerischen Modellversuchen unter Berücksichtigung der Mehrphasenströmung beim Wehrüberfall untersucht werden. Aufgabenstellung und Ziel Bei der abwärtsgerichteten Passage von Wasserbauwerken sind Fische einer Vielzahl von Einflüssen ausgesetzt. Diese können neben der Verzögerung der Wanderung auch zur physischen Schädigung der passierenden Fische führen. Der momentane Wissensstand bezüglich des Fischabstiegs über das Wehr ist unzureichend. Die aktuell angewandten Empfehlungen für die Gestaltung von Wehren hinsichtlich des Fischabstiegs enthalten keine Referenzen zu den zugrundeliegenden Untersuchungen und wurden für Bypasssysteme entwickelt (DWA 2005). Die sinnvolle Anwendung für Wehrüberfälle ist anzuzweifeln. Im Unterschied zu Bypasssystemen kann sich der Überfallstrahl des Wehres nur in Richtung des Unterwassers ausbreiten, wodurch oftmals der Wechselsprung und damit das notwendige Unterwasserpolster verdrängt wird. Die Ergebnisse numerischer Untersuchungen an der BAW verstärken die Zweifel an der Übertragbarkeit der Empfehlungen auf den Wehrüberfall (Thorenz et al. 2018). Ziel des Forschungsprojektes ist die Erprobung eines numerischen Ansatzes zur Betrachtung des Fischabstiegs über Wehranlagen. Die numerische Methode soll durch ein gegenständliches Modell validiert werden. Mit der validierten numerischen Methode soll die hydraulische Situation des Fischabstiegs an Wehren künftig realitätsnah abgebildet und beurteilt werden, um die aktuellen Empfehlungen zu bewerten und gegebenenfalls Grundlagen für eine Überarbeitung zu schaffen. Bedeutung für die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) Bei Baumaßnahmen an Wehranlagen ist die Betrachtung möglicher Fischbehinderungen oder Fischschädigungen ein wichtiges Thema. Kenntnisse, unter welchen WSV-relevanten Randbedingungen mit Schädigungen bei der Passage einer Wehranlage zu rechnen ist, sind daher, insbesondere im Hinblick auf die anstehenden Genehmigungsverfahren, von großer Bedeutung. Die Entwicklung eines numerischen Ansatzes zur realitätsnahen Abbildung des Fischabstiegs wird zu einer belastbaren Beurteilung des Fischabstiegs durch fischbiologische Experten beitragen. Untersuchungsmethoden Grundlage ist eine Literaturrecherche zu den Themen „Schädigungsursachen bei der Wehrpassage“ und „Numerische Simulation von Fischen“. Dadurch wird vertieftes Wissen über die Vorgänge beim Fischabstieg und deren numerische Abbildung aufgebaut und somit für ein verbessertes Prozessverständnis gesorgt. Für die dreidimensionale Strömungssimulation wird bei der Bundesanstalt für Wasserbau unter anderem die Open-Source-Software OpenFOAM® eingesetzt. Diese ermöglicht durch direkten Zugriff auf den Quellcode die Weiterentwicklung und Anpassung der Strömungslöser. So ermöglicht der aktuell zur Verfügung stehende Zweiphasenlöser auf Basis der Volume-of-Fluid-Methode (VoF-Methode) interFoam eine einfache Erweiterung um eine Partikelphase zur Abbildung von passiv bewegten Fischen. Die auf diese Partikel wirkenden Druckschwankungen, Schergeschwindigkeiten, Beschleunigungen und deren Kollisionen mit harten Objekten sollen aufgenommen und ausgewertet werden. Da Reynolds-gemittelte Navier-Stokes-Turbulenzmodelle (RANS-Modelle) durch eine zeitliche Mittelung des Geschwindigkeitsfeldes Kollisionen verhindern würden, ist der Einsatz von Large-Eddy-Simulations-Modellen (LES-Modelle) notwendig. Mit der angepassten numerischen Methode wird zunächst der Fischabstieg über abstrahierte überströmte Wehranlagen simuliert, um die Zweifel an der Empfehlung bezüglich des notwendigen Unterwasserstandes belastbar zu begründen oder zu widerlegen. In weiteren Schritten werden die passagebedingten Auswirkungen an realen Wehranlagen auf absteigende Fische betrachtet. (Text gekürzt)
Aufgrund bestehender Regularien (fehlende Zertifizierung und feste Einspeisevergütungen) und technischer Limitierungen werden Windparks derzeit kollektiv mit dem Ziel geregelt, den Ertrag zu maximieren. Zukünftig ist eine stärkere Flexibilisierung der Regelung im Hinblick auf optimalen Betrieb und Netzstabilisierung notwendig, um den steigenden Anteil erneuerbarer Energieträger besser zu integrieren. Dies bedeutet neben einem hohen Ertrag eine Ausschöpfung der Lebensdauer der einzelnen Komponenten der Windenergieanlagen (WEA) sowie deren Regelung aufgrund der Anforderungen aus dem Netz. Dies kann beispielsweise durch die Steuerung der Nachläufe von WEA geschehen, bei der tiefer im Windpark stehende WEA eine höhere Stromproduktion erreichen. Die übergeordneten Ziele von FlexiWind bestehen aus der Erforschung des Potenzials und des Einflusses von flexiblen Regelungsstrategien an WEA bzw. Windparks. Im Teilvorhaben soll dazu die Strömungsmodellierung im Windpark für den Einsatz in aeroelastischen Simulationen weiterentwickelt werden. Dies soll zu einer erhöhten Genauigkeit und Recheneffizienz der Strömungssimulation führen, um möglichst viele Betriebsbedingungen im Windpark abzudecken. Mit recheneffizienten aeroelastischen Simulationen soll eine umfangreiche Datenbank erstellt werden, mit welcher Ersatzmodelle für die Strukturbelastung der Turbinen abgeleitet werden können. Flexible Regelungsstrategien für den Windpark werden im Teilvorhaben für aeroelastische Simulationen adaptiert und in einer Langzeitbetrachtung unter Berücksichtigung von Rahmenbedingungen (z.B. Strompreisinformationen) sowie Nutzung der Ersatzmodelle optimiert. Schlussendlich wird eine umfangreiche Analyse der Unsicherheiten (z.B. resultierend aus der Strömungsmodellierung, Abschätzung der Strukturlasten, Strompreis, Reglerverhalten) durchgeführt und Empfehlungen für die Implementierung von flexiblen Windparkregelungsstrategien abgeleitet.
In dem hier beantragten Forschungsprojekt sollen gemeinsam neue adaptive Strategien entwickelt werden, um den Betrieb der bestehenden Windenergieanlagen auf aktuelle und zukünftige Herausforderungen anzupassen. Die Schwerpunkte liegen zum einen auf der Integration des aktuellen Energiepreises, einer Lidar-basierten Windvorhersage und eines Lastmonitorings in der Betriebsführung. Zum anderen sollen durch datenbasierte Regelung eine Lebenszeitverlängerung, eine Erhöhung des Energieertrages, eine Reduktion der Schallemissionen und eine Stützung des elektrischen Netzes erreicht werden. Die entwickelten Betriebsstrategien werden dann auf einer 2 MW und auf zwei 6 MW Forschungsanlagen erprobt. Neben der Koordination wird das WETI sich vor allem auf die Entwicklung von datenbasierten Regelungsstrategien konzentrieren. Hierzu werden zunächst Algorithmen zur Windvorhersage, basierend auf vereinfachten Strömungsmodellen, entwickelt und Analysen zu den Auswirkungen von Gierfehlern auf den Energieertrag und die Lasten durchgeführt. Diese werden dann in Regelstrategien zum optimalen Betrieb und Netzstützung integriert. Dazu wird die Idee der Lidar-basierten Vorsteuerung weiterentwickelt, indem zur Laufzeit optimale Referenz- und Stellgrößenverläufe berechnet werden. Die verbesserte Windvorhersage und die optimale Vorsteuerung wird anschließend auf einer Testanlage erprobt.
In dem hier beantragten Forschungsprojekt sollen gemeinsam neue adaptive Strategien entwickelt werden, um den Betrieb der bestehenden Windenergieanlagen auf aktuelle und zukünftige Herausforderungen anzupassen. Die Schwerpunkte liegen zum einen auf der Integration des aktuellen Energiepreises, einer Lidar-basierten Windvorhersage und eines Lastmonitorings in der Betriebsführung. Zum anderen sollen durch datenbasierte Regelung eine Lebenszeitverlängerung, eine Erhöhung des Energieertrages, eine Reduktion der Schallemissionen und eine Stützung des elektrischen Netzes erreicht werden. Die entwickelten Betriebsstrategien werden dann auf einer 2 MW und auf zwei 6 MW Forschungsanlagen erprobt. Neben der Koordination wird das WETI sich vor allem auf die Entwicklung von datenbasierten Regelungsstrategien konzentrieren. Hierzu werden zunächst Algorithmen zur Windvorhersage, basierend auf vereinfachten Strömungsmodellen, entwickelt und Analysen zu den Auswirkungen von Gierfehlern auf den Energieertrag und die Lasten durchgeführt. Diese werden dann in Regelstrategien zum optimalen Betrieb und Netzstützung integriert. Dazu wird die Idee der Lidar-basierten Vorsteuerung weiterentwickelt, indem zur Laufzeit optimale Referenz- und Stellgrößenverläufe berechnet werden. Die verbesserte Windvorhersage und die optimale Vorsteuerung wird anschließend auf einer Testanlage erprobt.
| Origin | Count |
|---|---|
| Bund | 1061 |
| Land | 6 |
| Wirtschaft | 1 |
| Wissenschaft | 5 |
| Type | Count |
|---|---|
| Daten und Messstellen | 1 |
| Ereignis | 1 |
| Förderprogramm | 1052 |
| Text | 8 |
| unbekannt | 8 |
| License | Count |
|---|---|
| geschlossen | 10 |
| offen | 1059 |
| unbekannt | 1 |
| Language | Count |
|---|---|
| Deutsch | 1003 |
| Englisch | 168 |
| Resource type | Count |
|---|---|
| Archiv | 2 |
| Bild | 2 |
| Dokument | 5 |
| Keine | 622 |
| Unbekannt | 1 |
| Webdienst | 1 |
| Webseite | 440 |
| Topic | Count |
|---|---|
| Boden | 648 |
| Lebewesen und Lebensräume | 609 |
| Luft | 599 |
| Mensch und Umwelt | 1070 |
| Wasser | 611 |
| Weitere | 1046 |