Anna Wellmann

wellmann(at)irmb.tu-bs.de

In Deutschland erbringt Windkraft den größten Anteil am erneuerbar erzeugten Strom [1]. Auch in Zukunft soll die Stromerzeugung mittels Windkraft weiter ausgebaut werden. Für die Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit der Stromerzeugung mit Windkraftanlagen (WKA) ist ihre Lebensdauer ein entscheidender Faktor. Diverse (Wind-)Belastungen, welche abhängig von den unterschiedlichen Umströmungssituationen der WKA sind, können ihre Lebensdauer stark beeinträchtigen. Aktuell übliche Simulationen von Strömungsfeldern um Windkraftanlagen konzentrieren sich vorrangig auf die Analyse großräumiger Strömungsstrukturen. Die Windkraftanlagen wurden in diesem Kontext meist mit vereinfachenden Methoden wie der Actuator Line Method (ALM) untersucht [2]. Für eine detaillierte Abschätzung der auf die Komponenten einer einzelnen WKA wirkenden Belastungen sind diese Simulationen deshalb nur bedingt geeignet.

In diesem Forschungsprojekt werden hochauflösende Simulationen der Strömung auf die Bauteile einer Windkraftanlage mit Hilfe der Lattice-Boltzmann-Methode (LBM) durchgeführt. Die LBM basiert auf einer Diskretisierung des Strömungsgebietes mithilfe eines Gitters. Die Simulation von rotierenden Objekten, wie dem Rotor einer WKA, erfordert eine Anpassung des Gitters während der Simulation. Ein vielversprechender Ansatz ist die Simulation des Rotors mittels eines Gitters, welches sich synchron zum Rotor dreht [3]. Das umgebende Gebiet wird hingegen durch ein statisches Gitter repräsentiert. Eine besondere Herausforderung ist dabei die robuste und genaue numerische Kopplung des bewegten Gitters mit dem statischen Gitter.

Die explizite Natur und Datenlokalität der LBM begünstigen eine hocheffiziente massive Parallelisierung unter der Nutzung von Graphics-Processing-Units (GPUs). In diesem Forschungsvorhaben wird die GPU-Version des Software-Pakets VirtualFluids verwendet. Die hochaufgelöste Berechnung großer Strömungsgebiete erfordert einen Speicher und Rechenaufwand, der über die Kapazität einer einzelnen GPU hinausgeht. Daher werden in diesem Forschungsvorhaben Hochleistungsrechner mit mehreren GPU verwendet. Ein weiterer Schwerpunkt liegt somit auf der Optimierung der Skalierungseigenschaften von VirtualFluids für diese Rechnerarchitekturen.

Mithilfe der genannten Entwicklungen, sollen einzelne WKA hochaufgelöst simuliert und die Belastungen, die durch die umgebende Luftströmung auf eine Windkraftanlagen einwirken, analysiert werden. Ein vertieftes Wissen über die auf die Anlagen wirkenden Belastungen kann zu einem besseren Verständnis ihrer Alterungsprozesse beitragen und eine anschließende Optimierung der Lebensdauer von Windenergieanlagen ermöglichen.