Turbulence / approaches to LES

Originator:

Professor Dr. Christian Bernhofer, Tharandt
Technische Universität Dresden
Institut für Hydrologie und Meteorologie
Professur für Meteorologie

Dr. Valerie Goldberg, Tharandt
Technische Universität Dresden
Institut für Hydrologie und Meteorologie
Professur für Meteorologie

Dr.-Ing. Veit Hildebrand, Dresden
Technische Universität Dresden
Institut für Luft-und Raumfahrttechnik
Lehrstuhl Thermofluiddynamik / Angewandte Aerodynamik

Professor Dr. Hans Gerd Maas, Dresden,
Technische Universität Dresden
Institut für Photogrammetrie und Fernerkundung

Dr.-Ing. Jörg Stiller, Dresden
Technische Universität Dresden
Institut für Strömungsmechanik
Professur für Strömungsmechanik

Project:
Turbulente Austauschprozesse zwischen Waldflächen und der Atmosphäre

http://tu-dresden.de/die_tu_dresden/fakultaeten/fakultaet_forst_geo_und_hydrowissenschaften/

fachrichtung_wasserwesen/ifhm/turbefa

Summary:
Ziel des Projekts ist es, die Effekte von Waldkanten und anderer Inhomogenitäten bei der Modellierung und Messung des Austauschs von Schwerpunktprogramm Wäldern mit der atmosphärischen Grenzschicht besser zu berücksichtigen.
Der Schlüssel hierfür liegt in der detaillierten Analyse der an Waldkanten ablaufenden Transportprozesse und, darauf aufbauend, der Entwicklung verfeinerter Messmethoden und realistischer Vegetationsmodelle für die numerische Simulation. Zu Beginn der ersten Phase wurden die dafür notwendige Zusammenarbeit von Feldmessungen, Windkanalexperimenten, Grenzschichtmethoden und Large-Eddy-Simulationen (LES) aufgebaut.
Windkanalexperimente und umfangreiche Freilandmessungen (zum Jahreswechsel 2008/9 noch laufend), sowie Simulationen mittels Grenzschichtmodell und LES wurden bereits durchgeführt und haben u.a. die Bedeutung der hochauflösende Bestandescharakterisierung durch Laserscanmethoden gezeigt. In der zweiten Phase soll die Entwicklung des 2D-Grenzschichtmodells und verbesserter Feinstrukturmodelle fortgesetzt werden, die LES für heterogene Waldgebiete mit angepassten, höheren Auflösungen an Vegetationsgrenzen ermöglichen. Wesentliche Voraussetzungen dafür werden durch die Analyse der Freilandmessungen und Referenzexperimente im Windkanal geschaffen. Die Anwendung solcherart verfeinerter LES auf größere Gebiete, wie insbesondere den Untersuchungsstandort „Wildacker“, bildet andererseits in Verbindung mit Feldmessungen und abgestimmten Windkanalstudien den Ausgangspunkt für die Weiterentwicklung des Grenzschichtmodells.
Durch die gute Zusammenarbeit der Projektpartner am Standort Dresden (siehe Internet: „TurbEFA“) können sowohl die experimentellen als auch die modelltechnischen Entwicklungen in enger Abstimmung erfolgen. Das verbesserte Verständnis für Skalenübergänge ermöglicht die Entwicklung problemangepasster Modelle in adäquater räumlicher Auflösung und sauberer Parametrisierung, um entscheidende Aspekte der Rückkopplungen zwischen Vegetation und Atmosphäre besser zu verstehen.

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Originator:
Dr. Andreas Dörnbrack, Weßling (funded in MetStröm-period I)
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR)
Institut für Physik der Atmosphäre

Professor Dr.-Ing. Jochen Fröhlich, Dresden
Technische Universität Dresden
Institut für Strömungsmechanik (ISM)

Professor Dr. Jens Lang, Darmstadt
Technische Universität Darmstadt
Fachbereich – Mathematik

Project:
Large Eddy Simulation mit adaptiven bewegten Gittern zur Lösung meteorologischer Fragestellungen

http://www.pa.op.dlr.de/metstroem

Summary:
Ziel des Projektes ist die grundlegende mathematische und numerische Methodenentwicklung für Large Eddy Simulationen mit bewegten adaptiven Gittern. Dadurch sollen effiziente und numerisch genaue Simulationen komplexer Konfigurationen in der Meteorologie und in den Ingenieurwissenschaften erreicht werden. Es wird ein geschlossenes Simulationsmodell angestrebt, in dem die mathematische Formulierung der physikalischen Prozesse und der dynamischen Gitteradaption konsistent mit Diskretisierung und Modellierung der Large Eddy Simulation ist, Kernpunkte der methodischen Entwicklung sind: (i) Feinstrukturmodellierung auf Gittern mit räumlich stark variierender Schrittweite und daher stark variierender Skalentrennung in einem komplexen Multiskalenphänomen. (ii) Mathematische Modellierung und numerische Realisierung der dynamischen Gittergleichungen unabhängig von der gewählten Gitterauflösung, (iii) Entwicklung von Adaptionskriterien speziell für Large Eddy Simulation und Multiskalenmodellierung. Dabei werden sowohl mathematisch als auch physikalisch motivierte Kriterien betrachtet. Der Antrag vereinigt drei Arbeitsgruppen sehr unterschiedlicher Disziplinen – Meteorologie, Strömungsmechanik und Numerische Mathematik. Dies erlaubt eine effektive Entwicklungsarbeit durch einen intensiven Austausch von Expertisen und Erfahrungen aus den jeweiligen Forschungsbereichen. Die Resultate sollen im Gegenzug zu Fortschritten in allen genannten Bereichen führen. Eine enge methodische Kooperation ist angestrebt und wird stimuliert durch die Festlegung auf zwei gemeinsame Konfigurationen: die Strömung über periodische Hügel und eine Kumuluswolke. Beide Testfälle sind gut dokumentiert und gestatten eine unmittelbare Quantifizierung der durch die Neuentwicklungen erreichten Verbesserungen. Insbesondere für die sehr anspruchsvolle Simulation der Kumuluswolke wird eine deutliche Steigerung der Effizienz durch die Large Eddy Simulation mit adaptiven bewegten Gittern erwartet, zusammen mit einer wesentlich gesteigerten Modellierungssicherheit durch verbesserte Modelle und Fehlerbetrachtung, Langfristig soll dies auf komplexere Situationen ausgedehnt werden. Das Projekt ordnet sich in die Rubriken “Adaptive Numerik diskret- kontinuierlicher Hybridmodelle” und “Skalenabhängige Schließungsmodelle und mathematische Modellstruktur”, sowie die Thematik “Große Skalen der Turbulenz” des Gesamtantrages SPP 1276 ein.

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Originator:

Professor Dr. Rupert Klein, Berlin
Freie Universität Berlin
Fachbereich Mathematik und Informatik

Professor Dr. Claus-Dieter Munz, Stuttgart
Universität Stuttgart
Institut für Aerodynamik und Gasdynamik (IAG)

Project:
Diskret-kontinuierliche Hybridmodelle auf der Basis der integralen Erhaltungsprinzipien

Summary:

Die integralen Erhaltungssätze für Masse, Impuls und Energie einer Strömung gelten universell für beliebige Kontrollvolumina. Sind die Flüsse der Erhaltungsgrößen gegeben, so beschreiben die Erhaltungssätze die zeitliche Änderung der integralen Mittelwerte dieser Größen für jedes Kontrollvolumen exakt. Dies ist unser konzeptioneller Ausgangspunkt: Gelingt es, die raumzeitliche Struktur der Flussdichten zu modellieren, so liefert Integration über die Zellränder eines Rechengitters unabhängig von dessen Auflösung ein physikalisch und mathematisch konsistentes diskretes Modell. Das klassische Schließungsmodell ist damit auf die Rekonstruktion der raumzeitlichen Fluktuationen der Flüsse reduziert.
Als numerische Methode zur Lösung der strömungsmechanischen Gleichungen wurde in der laufenden Förderperiode ein neuartiges Verfahren beliebiger Genauigkeitsordnung bereitgestellt, welches Finite-Volumen- Verfahren (FV) und “Discontinuous-Galerkin\ Verfahren (DG) vereinheitlicht.
Wir konnten anhand eines Tests mit exakter Lösung zeigen, dass sich dieses Verfahren grundsätzlich eignet, den oben beschriebenen Ansatz stabil umzusetzen. Noch in der laufenden Antragsperiode werden wir Flusskorrekturen für den Fall einer turbulenten Strömung testen. Dabei wird das FV/DG-Verfahren hoher Ordnung eingesetzt, um eine möglichst glatte Darstellung des auf dem Gitter aufgelösten Anteils der turbulenten Strömung zu erzielen, während unsere, in dieser Förderperiode beträchtlich weiterentwickelten, Zeitreihenanalysetechniken datenbasierte stochastische Ersatzmodelle für die nicht aufgelösten, raum-zeitlichen Fluktuation liefern werden. Ultimatives Ziel des Projektes ist es, die Erzeugung der stochastischen Ersatzmodelle völlig von einer Datenanalyse zu befreien, also eine selbstkonsistente Schließung für die turbulenten Fluktuationen bereitzustellen. Wir nähern uns diesem Ziel in der kommenden Förderperiode, indem wir von globaler auf eine lokale, stencil-basierte Konstruktion der stochastischen Fluktuationsmodelle übergehen.

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Originator:
Professor Dr. Bernd Leitl, Hamburg
Universität Hamburg
Department Geowissenschaften
Meteorologisches Institut (MI)

Professor Dr. Michael Schatzmann, Hamburg
Department Geowissenschaften
Meteorologisches Institut (MI)
Universität Hamburg

Project:
Erzeugung zeitlich und räumlich hochaufgelöster Validierungsdaten für LES-Simulationen turbulenter Strömungs- und Transportphänomene (funded in MetStroem-period I/II)

Summary:
Im hier zur Fortsetzung beantragten MetStröm – Teilprojekt werden Validierungsdatensätze erzeugt, mit deren Hilfe sich die Güte von Large – Eddy – Simulationsmodellen (LES – Modelle) qualitativ und quantitativ überprüfen lässt. Der Referenzdatenfundus wird dabei auf die besonderen Erfordernisse von LES – Modellen für mikrometeorologische Anwendungen abgestimmt. Die unter anderem im Rahmen von MetStröm entwickelten bzw. modifizierten LES – Modelle und Modellansätze verfügen über das zur Vorhersage von zeitlich veränderlichen Prozessen erforderliche Potenzial, da sie die großen Turbulenzelemente explizit im Modell abbilden. Inzwischen sind die Rechner so leistungsfähig geworden, dass LES – Modelle mit sehr hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung entwickelt und mit vertretbarem rechentechnischem Aufwand zur Lösung komplexer praktischer Aufgabenstellungen verwendet werden können. Zu den zukünftigen Anwendungsgebieten von LES im mikrometeorologischen Bereich gehört die Untersuchung von Strömungs- und Transportprozessen in der durch Hindernisse gestörten urbanen Grenzschicht. Es liegen erste Rechnungen vor, in denen z. B. die Ausbreitung von kurzzeitigen Freisetzungen toxischer Stoffe innerhalb komplex bebauter Stadt- oder Industrielandschaften mit LES – Modellen simuliert oder Untersuchungen zum Windkomfort im Fußgängerbereich durchgeführt worden sind. Die Ergebnisse sehen plausibel aus, es fehlt jedoch an geeigneten Daten für einen quantitativen Vergleich. Diese Datenlücke soll mit dem hier zur Fortsetzung beantragten Projekt geschlossen werden. Neben dieser eigenständigen Forschungsaufgabe erbringt das Projekt Serviceleistungen für andere MetStröm-Projekte (Raasch/Letzel, Universität Hannover; Klein/Horenko/Schütte, FU Berlin).

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Antragsteller:
Professor Dr. Siegfried Raasch, Hannover
Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover
Institut für Meteorologie und Klimatologie

Project:
Turbulenzstruktur in der urbanen Rauigkeitsschicht: LES Referenzstudien und Vergleiche mit Windkanal-, Skalenmodell- und Feldmessungen (funded in MetStroem-period I/II)

Zusammenfassung:
Ob die sich über mehrere Skalen erstreckende Turbulenz in und über Stadtgebieten hinsichtlich der Entstehungsmechanismen und Wechselwirkungen der kohärenten Strukturen mit der Turbulenz über Pflanzenbeständen oder über ebenen Flächen vergleichbar ist oder einen eigenen Turbulenztyp bildet, ist eine noch völlig offene, für urbane (Turbulenz-)Parametrisierungen meteorologischer Modelle jedoch eine essentielle Frage. Die Turbulenzstruktur der urbanen Rauigkeitsschicht in verschiedenen kanonischen Städten unter Berücksichtigung thermischer Effekte soll in einer numerischen Grobstruktursimulations-Referenzstudie untersucht werden, weil die Grobstruktursimulation a) die einzige numerische Methode ist, die die Turbulenz zwischen und über Hindernissen über mehrere Skalen hinweg ohne maßgeblichen Einfluss von Parametrisierungen explizit auflöst, und b) über eine größere Anwendungsvielfalt verfügt und umfassendere Daten liefern kann als der Windkanal. Zur Qualitätssicherung werden Vergleiche mit Windkanal-, Skalenmodell- und Feldmessungen durchgeführt.

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Originator:
Professor Dr. Ulrich Achatz, Frankfurt
Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt am Main
Fachbereich 11: Geowissenschaften / Geographie
Institut für Atmosphäre und Umwelt

Dr. Stefan Hickel, Garching
Technische Universität München
Fakultät Maschinenwesen
Lehrstuhl für Aerodynamik

Project: 
Die turbulente Wechselwirkung zwischen skalenseparierten Schwerewellen

Summary:
Schwerewellen (SW) spielen in der Atmosphärendynamik eine wichtige Rolle. Sogar die höchstauflösenden Wettermodelle können jedoch nicht das gesamte Spektrum dieser Wellen erfassen. Die Komplexität des entsprechenden Parametrisierungsproblems wird dadurch verstärkt, dass, anders als bei klassischer Turbulenz, Regionen der Wellenabstrahlung und der Wechselwirkung mit der großskaligen Strömung häufig weit auseinander liegen. Darüber hinaus werden SW durch Brechungsprozesse beeinflusst, bei denen die Welle-Turbulenz- Wechselwirkung von Bedeutung ist. Im vorgeschlagenen Projekt wollen wir uns der Problematik in einem zweistufigen Ansatz nähern: (1) Turbulenzdaten aus direkten numerischen Simulationen (DNS) des Brechungsprozesses werden für die Entwicklung einer entsprechenden impliziten Turbulenzparametrisierung verwendet. Mittels Fokussierung auf die effektivsten Anfangsstörungen einer SW werden diese DNS typische Paradigmen der SW-Dissipation beschreiben. (2) Es wird ein Strahlalgorithmus für die Wechselwirkung der kleinskaligen SW mit großskaligen SW entwickelt, einem wichtigen Aspekt der Dynamik des SW-Spektrums. In diesem Teil des Projekts sollen Large-Eddy-Simulationen zur Verifikation durchgeführt werden, die das oben genannte Subskalenmodell zur Turbulenzparametrisierung verwenden sollen.

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