Die Analyse von klein- und mittelskaligen Ausbreitungsproblemen sowie klimatischen Fragestellungen erfordert genaue Kenntnis der Strömungs-, Turbulenz- und Mischungsverhältnisse in einem Skalenbereich von wenigen Metern bis zu einigen Kilometern. Im Falle von topografisch stark gegliedertem Gelände oder komplizierten Quellbedingungen ist dies für den gesamten Skalenbereich mit numerischen Modellen nur bedingt zu erreichen. Hier bieten sich Windkanaluntersuchungen an.
Die Modellierung von Strömungs- und Transportvorgängen in einem Grenzschichtwindkanal ist ein erprobtes und bewährtes Verfahren, um komplexe strömungsdynamische Ausbreitungsvorgänge zu simulieren und zu analysieren. Durch eine Vielzahl von Vergleichen zwischen Modell- und Naturmessungen ist diese Arbeitsmethode abgesichert und anerkannt.
In einem Grenzschichtwindkanal wird die atmosphärische Grenzschicht (dies ist der Atmosphärenbereich unterhalb von etwa 500 m bis 1000 m Höhe über Grund) für neutrale Schichtung naturgetreu nachgebildet. Der vertikale Windgradient (d.h. die Zunahme der Windgeschwindigkeit mit der Höhe) und das Turbulenzfeld stimmen mit den entsprechenden Größen in der Natur maßstabsgerecht überein.
Für die naturgetreue Simulation ist es wichtig, dass sämtliche relevanten strömungsphysikalischen Prozesse maßstabsgetreu (bzw. in einem für die Übertragbarkeit hinreichend engen Skalenbereich) modelliert werden.
Eine Analyse der wichtigsten Parameter wie
- des Windprofilexponenten,
- der räumlichen Verteilung der Turbulenzintensität,
- des Energiedissipations- (Kolmogorov-) spektrums,
- sowie der Reynolds-
- bzw. Froude-Ähnlichkeitskriterien
vor jeder Untersuchung geben die Gewähr für eine naturgetreue Simulation der Strömungs- und Ausbreitungsbedingungen und damit der Übertragbarkeit der Ergebnisse auf Naturbedingungen.
Die verwendeten Messmethoden sind:
- Sanderosionsversuche für die flächenhafte Darstellung des Bodenwindfeldes
- Hitzdrahtmessungen zur Quantifizierung der Geschwindigkeiten
- Rauchversuche und Laserschnittvisualisierung zur Sichtbarmachung
- des Strömungsfeldes
- Tracergasmessungen zur Analyse der Immissionskonzentrationen
- Druckuntersuchungen zur Bestimmung der Bauwerksbelastung.
Windkanaluntersuchungen werden angewendet bei:
- allen Ausbreitungsproblemen in topografisch stark gegliedertem und/oder
- bebautem Gelände und bei komplexen Quellbedingungen,
- Fragen zur räumlichen Struktur des Strömungs- und Windfeldes,
- Untersuchungen zur innerstädtischen Durchlüftung,
- der Analyse des Wind- und thermischen Komforts,
- Windschadensanalysen,
- der Optimierung der Lage von Klima- und Lüftungsöffnungen sowie
- der Bestimmung der aerodynamischen Bauwerksbelastung.