Wind tunnel modelling of atmospheric boundary layer flow over hills

Abstract

This work provides a new framework for wind tunnel modelling of atmospheric boundary layer (ABL) flow over hills. Main objective of this work is to improve wind prognosis tools, e.g. for application in civil protection or optimizing the siting of wind turbines.

What problems arise when comparing wind prognosis tools? How can these challenges be overcome? What is the role of wind tunnels with respect to theories and reality? On the one hand, these questions are dealt with by means of meta-theoretical frameworks, concretely by structuralism and conceptual spaces. On the other hand, a concrete example is analyzed, namely the real Bolund hill, an island with steep slopes in Denmark. The Bolund hill is modelled in the large WOTAN wind tunnel of the Environmental Wind Tunnel Laboratory of the university in Hamburg, wind speed-up effect is analyzed, the overall flow field, turbulence characteristics and skewness of the wind time series. This is completed with the examination and conduction of a sensitivity study for the sensitivity of the physical modelling on the geometrical representation of the hill shape.

From this, new insights are developed concerning the theoretical and practical challenges of modelling flow over hilly terrain in a wind tunnel. Concrete suggestions and examples for quality assurance and consistency of model results are given, such as for the statistical reliability of measurements, assessment of inflow conditions and the sensitivity of the model results on the geometrical representation of the hill shape.

Diese Arbeit setzt einen neuen Rahmen für die Windkanal-Modellierung von atmosphärischer Grenzschicht Strömung über Hügel. Hauptziel dieser Arbeit ist es, an der Verbesserung von Wind-Prognose-Tools mitzuwirken, z. B. für den Einsatz im Katastrophenschutz oder in der Optimierung der Standortwahl von Windkraftanlagen.

Welche Probleme ergeben sich beim Vergleich Windprognose Tools? Wie können diese Herausforderungen bewältigt werden? Was ist die Rolle vom Windkanal (also der physischen Modellierung) in Bezug auf Theorien und Realität? Auf der einen Seite werden diese Fragen mit Hilfe der metatheoretischen Rahmentheorien wie Strukturalismus und Gärdenfors‘ begrifflichen Räumen (conceptual spaces) behandelt. Auf der anderen Seite werden zwei konkrete Windkanalstudien durchgeführt und analysiert: Darunter die Pilotstudie zur Sensitivitätsprüfung von physischer Modellierung von Topographie an idealisierten Hügelstrukturen. Zweitens der reale Bolund Hügel, eine Insel mit steilen Hängen in der Nähe von Risø (Dänemark).

Aus dem wissenschaftstheoretischen Teil in Verbindung mit den konkreten Experimenten werden konkrete Vorschläge und Beispiele für die Qualitätssicherung und Konsistenz von Modell-Ergebnisse ausgearbeitet, wie z. B. zur statistische Zuverlässigkeit der Messungen, zur Beurteilung von Anströmbedingungen und zur Empfindlichkeit der Modellergebnisse auf die geometrische Darstellung des Hügels Form.