Steinbrück, Sonja (2026) Improved understanding of wind turbine dynamics by enhancing the coupling of atmospheric simulations to an aeroelastic model. PhD, Universität Oldenburg.

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Abstract

Numerical simulations are essential to optimize wind energy yield, as they allow detailed analysis of turbine design, wind farm layout, and interactions with the atmospheric boundary layer. A major challenge is that relevant processes range from large-scale wind fields down to small-scale turbine dynamics, requiring models that can accurately couple these scales. This thesis advances the PALM-FAST model chain, which combines large-eddy simulations (PALM) with an aeroelastic model (FAST), enabling efficient and accurate multiscale wind turbine simulations. Two coupling methods were developed to reduce numerical errors and broaden applicability to complex scenarios. Validation shows good agreement with measurements and significant time savings over conventional methods. The PALM-FAST approach was also used to study coastal transitions, revealing that changes in surface roughness and temperature create persistent wind field heterogeneities, which affect turbine performance and loads.

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Verbessertes Verständnis der Windturbinendynamik durch die erweiterte Kopplung von atmosphärischen Simulationen zu einem aeroelastischen Modell

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Numerische Simulationen sind entscheidend, um den Energieertrag von Windparks zu optimieren, da sie eine detaillierte Analyse von Turbinendesign, Parklayout und Interaktionen mit der atmosphärischen Grenzschicht ermöglichen. Eine große Herausforderung ist, dass relevante Prozesse von großskaligen Windfeldern bis hin zu kleinräumigen Turbinen-Dynamiken reichen, was eine Kopplung unterschiedlicher Skalen erfordert. In dieser Arbeit wurde die PALM-FAST-Modellkette weiterentwickelt, die Large-Eddy-Simulationen (PALM) mit einem aeroelastischen Modell (FAST) kombiniert und so effiziente, präzise Mehrskalen-Simulationen von Windenergieanlagen ermöglicht. Zwei Kopplungsmethoden wurden entwickelt, um numerische Fehler zu reduzieren und die Anwendbarkeit auf komplexe Szenarien zu erweitern. Validierungen zeigen eine gute Übereinstimmung mit Messdaten und deutliche Zeitersparnisse. Die Modellkette wurde auch zur Untersuchung von Küstenübergängen eingesetzt, wobei sich gezeigt hat, dass Veränderungen in Rauigkeit und Temperatur zu Windfeld-Heterogenitäten und veränderten Turbinenlasten führen.

Item Type:	Thesis (PhD)
Uncontrolled Keywords:	Wind energy, turbine dynamics, Computational Fluid Dynamics, Large-eddy simulations, coastal simulations
Divisions:	Faculty of Mathematics and Science > Institute of Physics (IfP)
Date Deposited:	09 Mar 2026 09:48
Last Modified:	09 Mar 2026 09:48
URI:	https://oops.uni-oldenburg.de/id/eprint/7392
URN:	urn:nbn:de:gbv:715-oops-74730
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