Numerische Simulation von Seegangs- und Windbelastung auf Offshore-Windkraftanlagen

Offshore-Windkraftanlagen sind bei einer Nutzungsdauer von bis zu 25 Jahren Maximalbelastungen aus Extremwellen und Starkwindböen sowie der Langzeitbelastung durch kombinierte Einwirkung von Seegang und Wind ausgesetzt. Das Auftreffen einer Extremwelle mit vertikaler Wellenfront auf eine Offshore-Windkraftanlage bewirkt durch einen Druckschlag auf die Turmstruktur eine kurzzeitige Extrembelastung, die weit über der Wellenbelastung durch normalen Seegang liegt. Die Entwicklung von Extremwellen läßt sich durch die Modellierung als Potentialströmung mit freier Oberfläche und Diskretisierung mit dem vorgestellten höherwertigen Randelementeverfahren (BEM) im Zeitbereich realitätsnah abbilden. Für den zweidimensionalen Fall des Druckschlags einer ebenen Wellenfront auf einen Kreisquerschnitt wird gezeigt, daß das verwendete Finite-Volumen – Volume-of-Fluid Verfahren (FVVOF), mit dem die Navier-Stokes Gleichungen und eine zusätzliche Advektionsgleichung diskretisiert werden, den transienten Verlauf der Kreisrandbenetzung durch die Wellenfront und die zugehörige Druckverteilung auf dem Kreisrand im Vergleich zu experimentellen Ergebnissen und einem analytischen Ansatz, der auf der Annahme einer Potentialströmung beruht, äquivalent wiedergibt. Mit einem dreidimensionalen Modell wird die Umströmung einer zylindrischen Turmstruktur durch eine Extremwelle mit dem FVVOF- Verfahren wiedergegeben, wobei die starke Verformung der freien Oberfläche der Welle während der Zylinderumströmung vom FVVOF-Verfahren implizit miterfaßt wird. Bei der Betrachtung des Gesamttragwerks Offshore-Windkraftanlage zeigt sich der Effekt der gyroskopischen Dämpfung der Rotorkomponenten infolge Drehung und Wirkung von Corioliskräften. Am Teilmodell Rotorblatt wird die Auswirkung der zugehörigen Kopplung von Freiheitsgraden in Hinblick auf die Berücksichtigung bei der Modellierung des Gesamttragwerks quantitativ analysiert und bewertet. Für die Abbildung des Gesamtsystems Offshore-Windkraftanlage wird das Modell einer dreidimensionalen Balkenstruktur mit der Finite Elemente Methode (FEM) diskretisiert. Dabei werden bei der Modellierung im Zeitbereich große Starrkörperrotationen der rotierenden Teilkomponenten durch die Modellierung der Gesamtstruktur in einem inertialen kartesischen Koordinatensystem berücksichtigt. Die Strukturreaktion infolge kombinierter Einwirkung durch stochastischen Seegang und turbulenten Wind bei Modellierung der Rotorblattanströmung durch ein Dynamic Stall Modell und charakteristische Anregungsmechanismen der Gesamtstruktur einer Offshore-Windkraftanlage lassen sich durch das verwendete Finite Elemente Modell wiedergeben.