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A High-Resolution WRF Case Study of a Thunderstorm-Induced Cold Pool and Impacts on Wind Turbine Power Output, Wake Structure and Mechanical Loading

Kilroy, Gerard und Thayer, Jeffrey Dale und Menken, Julia und Hach, Oliver und Krimm, Felix (2026) A High-Resolution WRF Case Study of a Thunderstorm-Induced Cold Pool and Impacts on Wind Turbine Power Output, Wake Structure and Mechanical Loading. Journal of Physics: Conference Series (3224), Seiten 1-11. Institute of Physics (IOP) Publishing. doi: 10.1088/1742-6596/3224/2/022062. ISSN 1742-6588.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
5MB

Kurzfassung

Convective cold-pool gust fronts represent extreme inflow conditions for wind-energy systems, yet their impacts on turbine wakes and loading remain poorly quantified. This study presents a high-resolution numerical case study of a strong cold-pool gust front simulated with the WRF model coupled to a generalized actuator disk representation of a wind turbine. The event is characterized by three distinct atmospheric-boundary-layer regimes: a marginally convective pre-gust boundary layer, a highly turbulent gust-front passage, and a strongly stabilized post-gust period.

During the gust front, hub-height wind speeds more than double relative to pre-gust conditions, reaching values close to 24 m/s. This wind ramp is accompanied by rapid wind direction changes and a near-surface temperature drop of approximately 6 K. The enhanced turbulence during the gust-front passage substantially reduces the turbine wake velocity deficit and accelerates wake recovery, while the stabilized post-gust environment leads to a stronger and more persistent wake. Changes in rotor-layer shear and veer during the event would have important implications for wake structure. The analysis of out-of-plane blade root bending moments indicates that mechanical loading responds primarily to changes in turbine operating regime rather than directly to variations in wind shear associated with the gust-front passage. These results highlight the importance of convective cold-pool dynamics for wind-turbine performance and wake behavior.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/224743/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:A High-Resolution WRF Case Study of a Thunderstorm-Induced Cold Pool and Impacts on Wind Turbine Power Output, Wake Structure and Mechanical Loading
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Kilroy, GerardDLR, IPANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Thayer, Jeffrey DaleDLR, IPAhttps://orcid.org/0000-0001-8039-9725216332831
Menken, JuliaDLR, IPANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Hach, OliverAE-SIMhttps://orcid.org/0000-0001-5317-4176NICHT SPEZIFIZIERT
Krimm, FelixAE-SIMNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:2026
Erschienen in:Journal of Physics: Conference Series
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Nein
DOI:10.1088/1742-6596/3224/2/022062
Seitenbereich:Seiten 1-11
Verlag:Institute of Physics (IOP) Publishing
ISSN:1742-6588
Status:veröffentlicht
Stichwörter:thunderstrorm, cold pools, wind energy
HGF - Forschungsbereich:Energie
HGF - Programm:Energiesystemdesign
HGF - Programmthema:Digitalisierung und Systemtechnologie
DLR - Schwerpunkt:Energie
DLR - Forschungsgebiet:E SY - Energiesystemtechnologie und -analyse
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):E - Energiesystemtechnologie
Standort: Göttingen , Oberpfaffenhofen
Institute & Einrichtungen:Institut für Physik der Atmosphäre > Angewandte Meteorologie
Institut für Aeroelastik > Aeroelastische Simulation
Hinterlegt von: Kilroy, Gerard
Hinterlegt am:01 Jun 2026 08:33
Letzte Änderung:01 Jun 2026 08:33

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