Im Rahmen des Verbundforschungsvorhabens "WINSENT" wird eine numerische Modellkette zur Strömungssimulation entwickelt. Die Kette verbindet großskalige Wettermodelle mit kleinskaligen Strömungsmodellen, welche detaillierte Umströmungen - beispielsweise der Rotorblätter - abbilden. Um die einzelnen Modelle der gesamten Kette validieren zu können, bedarf es meteorologischer Daten, welche räumlich und zeitlich den Randbedingungen der Modellkette entsprechen.
Zur Erhebung dieser Messdaten führen die Projektpartner - koordiniert vom ZSW - sogenannte Intensive Operation Periods (IOP) am Forschungstestfeld durch. IOPs sind Zeiträume, in denen alle am Testfeld verfügbaren Messinstrumente in einer abgestimmten Messkampagne zum Einsatz kommen. Die IOPs werden vor und nach der Errichtung der Forschungswindenergieanlagen durchgeführt, um den Einfluss der Windenergieanlagen auf die Strömung untersuchen zu können. Zu den Projektpartnern zählen das KIT, die Eberhard-Karls-Universität Tübingen, die Hochschule Esslingen und die Universität Stuttgart.
Neben den umfangreich instrumentierten Messmasten werden auch autonome Messflugzeuge der Universität Tübingen eingesetzt. Eddy-Kovarianz Messstationen erfassen den Energieaustausch zwischen Boden und Atmosphäre. Drei laseroptische Lidar-Messsysteme des ZSW messen räumlich und zeitlich synchronisiert Windgeschwindigkeit und -richtung.
Das ZSW verfügt über ein Hochleistungsrechnercluster (HPV: High Performance Computing Cluster) das vor allem für nummerische Wettersimulationen und –prognosen mit dem Weather Research and Forecasting Model (WRF) eingesetzt wird. Globale oder regionale Wettermodelldaten dienen hierbei als Antriebsdaten bzw. Randbedingungen für die Simulation und Prognose des Wettergeschehens in einer räumlich sehr viel höher aufgelösten Domäne. Je nach Anwendung liegt die räumliche Auflösung im Bereich von ca. 700 Metern bis hin zu ca. 50 m. Bei sehr hoher räumlicher Auflösung kommen Large-Eddy-Simulationen (LES) zum Einsatz, Verfahren zur numerischen Berechnung von turbulenten Strömungen. Die resultierenden, räumlich und zeitlich hochaufgelösten meteorologischen Simulations- und Prognosedaten kommen für unterschiedliche Anwendungen und Forschungsfelder zum Einsatz.
Im Rahmen des WINSENT Vorhaben für die Entwicklung und Etablierung eines Windtestfeldes im komplexen Gelände sind die WRF-Daten der erste Prozessschritt einer nummerischen Modellkette, mit welcher die Strömung über dem Testfeldgelände berechnet wird. Weitere nachfolgende Prozessschritte der Modellkette werden von der Hochschule Esslingen und der Universität Stuttgart mit CFD-Modellen bewerkstelligt, um Simulationen der Umströmung von Windenergieanlagen mit einer räumlichen Auflösung von bis zu wenigen Zentimeter zu realisieren. Auf diese Weise kann die Strömung auf allen Skalen bis zur Turbulenz an der Blattspitze der Windkraftanlagen berechnet werden.
Im WRF Modell werden neben der großräumigen Wetterlage auch standortspezifische Randbedingungen speziell im komplexen Gelände berücksichtigt. Dazu zählen ein hochaufgelöstes digitales Geländemodell, das die Lage des Windtestfelds an einer Hangkante beschreibt und ebenso die verschiedenen Oberflächenstrukturen von Wald, Wiesen und Äckern und deren jahreszeitliche Schwankungen der Oberflächenrauhigkeit aufgrund des Bewuchses und des Belaubungszustandes der Bäume.
Ein weiteres Einsatzgebiet des WRF-Modells kommt in dem vom BWMi geförderten Projekt ParkCast zum Tragen. Hier liegt das Einsatzgebiet im Offshore-Bereich der Nordsee. Ziel des Vorhabens ParkCast ist, Messungen der Windgeschwindigkeit mit einem Long-Range-Lidargerät auf der Gondel einer Windkraftanlage in WRF zu assimilieren und somit die zeitlich hochaufgelösten Einspeiseprognosen im Zeitbereich von bis zu einer Stunde wesentlich zu verbessern.