Arbeitspaket M1: Implementierung und Validierung von Turbulenzparametrisierungen

Kontaktinformationen

Projektleiter: ​Dr. Björn Maronga , ​Prof. Dr. Siegfried Raasch

Mitarbeiter: ​M.Sc. Tobias Gronemeier

Institution: Leibniz Universität Hannover, Institut für Meteorologie und Klimatologie (www.palm.muk.uni-hannover.de), Leibniz Universität Hannover (​https://www.uni-hannover.de/)

Zielsetzung des Teilprojekts WP-M1

Das Hauptziel des Teilprojekts ist es PALM-4U einen RANS-Modus (Reynolds-averaged Navier Stokes) hinzuzufügen. Im RANS-Modus kann der mittlere Zustand der Atmosphäre berechnet werden während die turbulenten Anteile parametrisiert werden. Dadurch wird der Rechenaufwand einer Simulation drastisch reduziert im Vergleich zu einer Grobstruktursimulation (large-eddy simulation, LES), in welcher die energiereichsten turbulenten Wirbel direkt berechnet und kleinere Wirbel parametrisiert werden. Die verwendeten Turbulenzparametrisierungen für den RANS-Modus müssen skalenabhängig implementiert werden, da PALM-4U mit unterschiedlichen Gitterweiten im Bereich von 1m bis 100m betrieben werden soll. Für große Gitterweiten müssen die Einflüsse von Gebäuden und der Vegetation ebenfalls parametrisiert werden, da diese Strukturen unter Umständen nicht mehr explizit aufgelöst werden können. Da das Basismodell PALM ein LES-Modell ist, ist ein Subgridskalenmodell (SGS-Modell) für die nicht aufgelöste Turbulenz im LES-Modus bereits vorhanden. Dieses muss allerdings für einen größeren Bereich nicht aufgelöster Turbulenz angepasst werden.

Arbeitsprogramm

WP-M1.1: Auswahl der Turbulenzparametrisierungen für den RANS-Modus

Das erste Arbeitspaket besteht aus der Auswahl der zu implementierenden Turbulenzparametrisierungen für den RANS-Modus. Es existieren mehrere Turbulenzparametrisierungen, welche in verschiedenen RANS-Modellen verwendet werden, von denen eine passende Parametrisierung ausgewählt werden muss. Ebenfalls muss eine entsprechende Parametrisierung für Gebäude und Vegetation gewählt werden.

WP-M1.2: Implementierung und Testen der Parametrisierungen

Die im Arbeitspaket WP-M1.1 gewählten Parametrisierungen müssen in PALM-4U implementiert werden. Die Onlineanalysewerkzeuge, welche bereits im Basismodell PALM enthalten sind, werden um die relevanten Informationen für den RANS-Modus erweitert. Da mithilfe des RANS-Modus der mittlere Zustand der Atmosphäre simuliert wird, soll die Simulation automatisch beendet werden sobald ein stationärer Zustand erreicht wurde. Die Parametrisierungen werden getestet indem simple Testfälle gerechnet werden wie beispielsweise ein einzelnes würfelförmiges Gebäude oder ein Feld von Würfelgebäuden. Die in der Literatur bereits veröffentlichten Ergebnisse für diese simplen Fälle können für eine Validierung von PALM-4U herangezogen werden. Ergebnisse aus Windkanalstudien werden, soweit verfügbar, ebenfalls für Testzwecke herangezogen.

WP-M1.3: Entwicklung und Installation eines verbesserten SGS-Modells

Das SGS-Modell, welches zurzeit im Basismodell PALM implementiert ist, dient zur Parametrisierung der subgridskaligen Turbulenz innerhalb einer LES. Diese Parametrisierung liefert allerdings nur gute Ergebnisse falls mindestens 90% der turbulenten Flüsse von PALM-4U explizit berechnet werden. Das neu zu implementierende SGS-Modell soll fähig sein einen größeren Bereich der nicht aufgelösten Turbulenz richtig darzustellen. Gleichzeitig soll es die verfügbaren Computerressourcen effizient nutzen und skalierbar sein (d.h. effizient auf Parallelrechnern arbeiten).