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Hamburg, Carl von Ossietzky

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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-55828
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2012/5582/


Erzeugung von Validierungsdaten für wirbelauflösende mikroskalige Strömungs- und Ausbreitungsmodelle

Generation of validation data for eddy-resolving microscale flow and dispersion models

Bastigkeit, Ilona

pdf-Format:
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SWD-Schlagwörter: Validierung , LES , Windkanal
Basisklassifikation: 38.80
Institut: Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Geowissenschaften
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Schatzmann, Michael (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 30.11.2011
Erstellungsjahr: 2011
Publikationsdatum: 27.03.2012
Kurzfassung auf Deutsch: Strömungs- und Ausbreitungsprozesse in Städten hängen vom lokalen Windfeld zwischen den Gebäuden bzw. Hindernissen ab. Die Strömungsrichtung und ihre Geschwindigkeit sind die Folge von Wechselwirkungen zwischen der Anströmung und der Bauart sowie der lokalen Anordnung der Gebäude. Sowohl numerische als auch physikalische Modelle versuchen, Strömungs- und Ausbreitungsprozesse in urbanen Gebieten zu simulieren.

In den letzten Jahren wurde die Notwendigkeit und Signifikanz einer Verifizierung und Validierung von numerischen Modellen erkannt. Die Abschätzung der Präzision ist ein wichtiger Bestandteil der Qualität der Modellergebnisse. Um eine Qualitätssicherung zu erlangen, setzen sich zunehmend allgemein anerkannte, standardisierte Datensätze durch.
Als eines der ersten Projekte mit breiter Beteiligung von Modellentwicklern, Modellanwendern und Referenzdaten-Erzeugern befasste sich die COST-Action 732 (Britter et al., 2007a+b) mit der Erstellung von Richtlinien zur Qualitätssicherung und Verbesserung von mikroskaligen Modellen. Der Schwerpunkt lag hierbei auf der Validierung von Modellen, die auf den Reynolds-Averaged-Navier-Stokes-Gleichungen (RANS-Modelle) basieren. Da diese Modelle die komplexen Strömungsverhältnisse innerhalb der bodennahen Hindernisschicht jedoch nur vereinfacht im zeitlichen Mittel abbilden, wurden in den letzten Jahren vermehrt Large-Eddy-Simulationen (LES-Modelle) zur Untersuchung von Strömungs- und Transportvorgängen in urbanen Gebieten entwickelt und angewendet. Zur Validierung von diesen wirbelauflösenden Strömungs- und Ausbreitungsmodellen sind zeitlich gemittelte Referenzdaten nicht ausreichend. In Bezug auf die Datenqualität und -quantität sind deutlich höhere Anforderungen an die Erzeugung von LES-Validierungsdaten, zum Beispiel in einem Grenzschichtwindkanal, zu stellen. Bisher fehlen sowohl allgemein akzeptierte Standards zur Erstellung solcher Daten als auch Methoden und Verfahren zum Vergleich von Modellergebnissen mit entsprechenden LES-Validierungsdaten. Die bisher existierenden Datensätze eignen sich lediglich zur Validierung von RANS-basierten Modellen.
Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung einer Strategie zur Erzeugung qualitätsgesicherter Referenzdatensätze und die Erzeugung erster Validierungsdatensätze, die interessierten Nutzern in Form einer modell- und anwendungsspezifischen LES-Validierungsdatenbank zur Verfügung gestellt werden sollen. Die Arbeiten wurden im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogrammes SPP 1276 „MetStröm“ erbracht. Ein Anforderungsprofil für Windkanalexperimente wurde entwickelt, welches eine ausreichende Qualität und Quantität der Validierungsdaten gewährleistet. Darin enthalten sind unter anderem Empfehlungen zum Umfang derartiger Datensätze, Informationen zur erforderlichen Dokumentation von Referenzmessdaten und zu den an die Messungen zu stellenden Qualitätsanforderungen.

Reale Städte sind in ihrer Struktur sehr komplex und werden häufig in Modellen stark idealisiert, um Strömungs- und Ausbreitungsvorgänge und ihre Abhängigkeit von unterschiedlichen Bebauungsstrukturen systematisch untersuchen zu können. Sowohl in physikalischen als auch in numerischen Modellen werden häufig Hindernisfelder mit regelmäßiger Anordnung als idealisierte urbane Rauigkeiten abgebildet. Bezüglich eines Validierungsdatensatzes gibt es einen großen Bedarf an weiteren Komplexitätsstufen in der städtischen Rauigkeitsstruktur, die die noch immer bestehende „Lücke“ zwischen stark idealisierten urbanen Gebieten und der Struktur von realen Städten schließen.
Die vorliegende Arbeit nimmt sich dieser Herausforderung an und stellt den Entwurf einer idealisierten, semi-komplexen „Michel-Stadt“ vor, der im Grenzschichtwindkanal des Meteorologischen Instituts der Universität Hamburg als Modell umgesetzt und systematisch untersucht wurde.
Kurzfassung auf Englisch: RANS-based models as well as LES-based codes have to be validated carefully in order to document their fitness for purpose and to document the quality of model predictions. For RANS codes, several test data sets are already available. Due to the higher demands on validation data for LES-based models which significantly exceed the extent and quality of the existing data sources, there is a need of model- and application-specific, temporarily and spatial-resolved reference data. Particularily in wind engineering and engineering meteorology such data can be obtained from measurements in boundary layer wind tunnels. Within the scope of a research initiative funded by the German Research Foundation, a concept for quality requirements and evaluation criteria has been developed jointly by wind tunnel modelers in close cooperation with numerical modelers.

To investigate flow and dispersion phenomena in urban areas, the structure of real cities is often simplified in numerical models due to their complexity. The goal was to design a model of a idealised, semi-complex urban area, the "Michel-Stadt", for validation purposes. Systematic investigations were realised in the boundary wind tunnel of the Meteorological Institute of Hamburg University.

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