Dynamik orographischer Bannerwolken

Der Begriff "Bannerwolke" bezeichnet ein eindrucksvolles Phänomen aus dem Bereich der Gebirgsmeteorologie. Bannerwolken können gelegentlich im Hochgebirge im Bereich steiler Bergspitzen oder langgezogener Bergrücken, wie z.B. dem Matterhorn in den Schweizer Alpen oder dem Zugspitzgrat in den Bayrischen Alpen beobachtet werden. Der Begriff bezeichnet eine Banner- oder Fahnen-ähnliche Wolkenstruktur, welche an der windabgewandten Seite des Berges befestigt zu sein scheint, während die windzugewandte Seite vollkommen wolkenfrei ist. Bannerwolken fanden bislang, trotz ihres relativ häufigen Auftretens in der wissenschaftlichen Literatur kaum Beachtung. Entsprechend wenig ist über ihren Entstehungsmechanismus und insbesondere die relative Bedeutung dynamischer gegenüber thermodynamischer Prozesse bekannt. In der wissenschaftlichen Literatur wurden bislang 3 unterschiedliche Mechanismen postuliert, um die Entstehung von Bannerwolken zu erklären. Demnach entstehen Bannerwolken durch (a) den Bernoulli-Effekt, insbesondere durch die lokale adiabatische Kühlung hervorgerufen durch eine Druckabnahme entlang quasi-horizontal verlaufender, auf der windzugewandten Seite startender Trajektorien, (b) durch isobare Mischung bodennaher kälterer Luft mit wärmerer Luft aus höheren Schichten, oder (c) durch erzwungene Hebung im aufsteigenden Ast eines Leerotors. Ziel dieser Arbeit ist es, ein besseres physikalisches Verständnis für das Phänomen der Bannerwolke zu entwickeln. Das Hauptaugenmerk liegt auf dem dominierenden Entstehungsmechanismus, der relativen Bedeutung dynamischer und thermodynamischer Prozesse, sowie der Frage nach geeigneten meteorologischen Bedingungen. Zu diesem Zweck wurde ein neues Grobstruktursimulations (LES)-Modell entwickelt, welches geeignet ist turbulente, feuchte Strömungen in komplexem Terrain zu untersuchen. Das Modell baut auf einem bereits existierenden mesoskaligen (RANS) Modell auf. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das neue Modell ausführlich gegen numerische Referenzlösungen und Windkanal-Daten verglichen. Die wesentlichen Ergebnisse werden diskutiert, um die Anwendbarkeit des Modells auf die vorliegende wissenschaftliche Fragestellung zu überprüfen und zu verdeutlichen. Die Strömung über eine idealisierte pyramidenförmige Bergspitze wurde für Froude-Zahlen Fr >> 1 sowohl auf Labor- als auch atmosphärischer Skala mit und ohne Berücksichtigung der Feuchtephysik untersucht. Die Simulationen zeigen, dass Bannerwolken ein primär dynamisches Phänomen darstellen. Sie entstehen im Lee steiler Bergspitzen durch dynamisch erzwungene Hebung. Die Simulationen bestätigen somit die Leerotor-Theorie. Aufgrund des stark asymmetrischen, Hindernis-induzierten Strömungsfeldes können Bannerwolken sogar im Falle horizontal homogener Anfangsbedingungen hinsichtlich Feuchte und Temperatur entstehen. Dies führte zu der neuen Erkenntnis, dass zusätzliche leeseitige Feuchtequellen, unterschiedliche Luftmassen in Luv und Lee, oder Strahlungseffekte keine notwendige Voraussetzung für die Entstehung einer Bannerwolke darstellen. Die Wahrscheinlichkeit der Bannerwolkenbildung steigt mit zunehmender Höhe und Steilheit des pyramidenförmigen Hindernisses und ist in erster Näherung unabhängig von dessen Orientierung zur Anströmung. Simulationen mit und ohne Berücksichtigung der Feuchtephysik machen deutlich, dass thermodynamische Prozesse (insbes. die Umsetzung latenter Wärme) für die Dynamik prototypischer (nicht-konvektiver) Bannerwolken zweitrangig ist. Die Verstärkung des aufsteigenden Astes im Lee und die resultierende Wolkenbildung, hervorgerufen durch die Freisetzung latenter Wärme, sind nahezu vernachlässigbar. Die Feuchtephysik induziert jedoch eine Dipol-ähnliche Struktur im Vertikalprofil der Brunt-Väisälä Frequenz, was zu einem moderaten Anstieg der leeseitigen Turbulenz führt. Es wird gezeigt, dass Gebirgswellen kein entscheidendes Ingredienz darstellen, um die Dynamik von Bannerwolken zu verstehen. Durch eine Verstärkung der Absinkbewegung im Lee, haben Gebirgswellen lediglich die Tendenz die horizontale Ausdehnung von Bannerwolken zu reduzieren. Bezüglich geeigneter meteorologischer Bedingungen zeigen die Simulationen, dass unter horizontal homogenen Anfangsbedingungen die äquivalentpotentielle Temperatur in der Anströmung mit der Höhe abnehmen muss. Es werden 3 notwendige und hinreichende Kriterien, basierend auf dynamischen und thermodynamischen Variablen vorgestellt, welche einen weiteren Einblick in geeignete meteorologische Bedingungen geben.

Large-Eddy Simulation of physiological pulsatile non-newtonian flow in a channel with double constriction

Physiological pulsatile flow in a 3D model of arterial double stenosis, using the modified Power-law blood viscosity model, is investigated by applying Large Eddy Simulation (LES) technique. The computational domain has been chosen is a simple channel with biological type stenoses. The physiological pulsation is generated at the inlet of the model using the first four harmonics of the Fourier series of the physiological pressure pulse. In LES, a top-hat spatial grid-filter is applied to the Navier-Stokes equations of motion to separate the large scale flows from the subgrid scale (SGS). The large scale flows are then resolved fully while the unresolved SGS motions are modelled using the localized dynamic model. The flow Reynolds numbers which are typical of those found in human large artery are chosen in the present work. Transitions to turbulent of the pulsatile non-Newtonian along with Newtonian flow in the post stenosis are examined through the mean velocity, wall shear stress, mean streamlines as well as turbulent kinetic energy and explained physically along with the relevant medical concerns.

Large eddy simulation of smoke flow in a real road tunnel fire using FDS

Numerical study is carried out using large eddy simulation to study the heat and toxic gases released from fires in real road tunnels. Due to disasters about tunnel fires in previous decade, it attracts increasing attention of researchers to create safe and reliable ventilation designs. In this research, a real tunnel with 10 MW fire (which approximately equals to the heat output speed of a burning bus) at the middle of tunnel is simulated using FDS (Fire Dynamic Simulator) for different ventilation velocities. Carbone monoxide concentration and temperature vertical profiles are shown for various locations to explore the flow field. It is found that, with the increase of the longitudinal ventilation velocity, the vertical profile gradients of CO concentration and smoke temperature were shown to be both reduced. However, a relatively large longitudinal ventilation velocity leads to a high similarity between the vertical profile of CO volume concentration and that of temperature rise.

Large Eddy Simulation

Large eddy simulation (LES) is an emerging technique for obtaining an approximation to turbulent flow fields It is an improvement over the widely prevalent practice of obtaining means of turbulent flows when the flow has large scale, low frequency, unsteadiness An introduction to the method, its general formulation, and the more common modelling for flows without reaction, is discussed Some attempts at extension to flows with combustion have been made Examples from present work for flows with and without combustion are given The final example of the LES of the combustor of a helicopter engine illustrates the state-of-the-art in application of the technique

Relaxation system based sub-grid scale modelling for large eddy simulation of Burgers' equation

An implicit sub-grid scale model for large eddy simulation is presented by utilising the concept of a relaxation system for one dimensional Burgers' equation in a novel way. The Burgers' equation is solved for three different unsteady flow situations by varying the ratio of relaxation parameter (epsilon) to time step. The coarse mesh results obtained with a relaxation scheme are compared with the filtered DNS solution of the same problem on a fine mesh using a fourth-order CWENO discretisation in space and third-order TVD Runge-Kutta discretisation in time. The numerical solutions obtained through the relaxation system have the same order of accuracy in space and time and they closely match with the filtered DNS solutions.

Large eddy simulation of a premixed flame with approximate deconvolution modeling

Approximate deconvolution modeling is a very recent approach to large eddy simulation of turbulent flows. It has been applied to compressible flows with success. Here, a premixed flame which forms in the wake of a flameholder has been selected to examine the subgrid-scale modeling of reaction rate by this new method because a previous plane two-dimensional simulation of this wake flame, using a wrinkling function and artificial flame thickening, had revealed discrepancies when compared with experiment. The present simulation is of the temporal evolution of a round wakelike flow at two Reynolds numbers, Re = 2000 and 10,000, based on wake defect velocity and wake diameter. A Fourier-spectral code has been used. The reaction is single-step and irreversible, and the rate follows an Arrhenius law. The reference simulation at the lower Reynolds number is fully resolved. At Re = 10,000, subgrid-scale contributions are significant. It was found that subgrid-scale modeling in the present simulation agrees more closely with unresolved subgrid-scale effects observed in experiment. Specifically, the highest contributions appeared in thin folded regions created by vortex convection. The wrinkling function approach had not selected subgrid-scale effects in these regions.

Filtered density function for large eddy simulation of turbulent reacting flows

A methodology termed the “filtered density function” (FDF) is developed and implemented for large eddy simulation (LES) of chemically reacting turbulent flows. In this methodology, the effects of the unresolved scalar fluctuations are taken into account by considering the probability density function (PDF) of subgrid scale (SGS) scalar quantities. A transport equation is derived for the FDF in which the effect of chemical reactions appears in a closed form. The influences of scalar mixing and convection within the subgrid are modeled. The FDF transport equation is solved numerically via a Lagrangian Monte Carlo scheme in which the solutions of the equivalent stochastic differential equations (SDEs) are obtained. These solutions preserve the Itô-Gikhman nature of the SDEs. The consistency of the FDF approach, the convergence of its Monte Carlo solution and the performance of the closures employed in the FDF transport equation are assessed by comparisons with results obtained by direct numerical simulation (DNS) and by conventional LES procedures in which the first two SGS scalar moments are obtained by a finite difference method (LES-FD). These comparative assessments are conducted by implementations of all three schemes (FDF, DNS and LES-FD) in a temporally developing mixing layer and a spatially developing planar jet under both non-reacting and reacting conditions. In non-reacting flows, the Monte Carlo solution of the FDF yields results similar to those via LES-FD. The advantage of the FDF is demonstrated by its use in reacting flows. In the absence of a closure for the SGS scalar fluctuations, the LES-FD results are significantly different from those based on DNS. The FDF results show a much closer agreement with filtered DNS results. © 1998 American Institute of Physics.