Entwicklung eines problemorientierten Software-Pakets zur automatisierten Aufbereitung, Analyse und Dokumentation von im Windkanal produzierten Daten zur LES-Validierung

Abstract

Die vorliegende Dissertation entstand am EWTL (Environmental Wind Tunnel Laborato-ry) der Universität Hamburg im Rahmen des DFG Schwerpunktprogramms ‚MetStröm‘. Die Aufgabe des EWTL innerhalb dieses Projektes bestand in der systematischen Erzeu-gung umfangreicher und qualitativ hochwertiger Referenzdatensätze zur Validierung von LES-Modellen, die Strömungs- und Ausbreitungsphänomene innerhalb der atmosphäri-schen Prandtl-Schicht simulieren. Aufgrund der hohen Anforderungen im Bezug auf Qualität und Quantität von LES-Validierungsdaten (Bastigkeit [2011]) fielen bei jeder durchgeführten Messkampagne sehr große Datenmengen an, die für eine spätere Modell-Validierung sorgfältig aufbereitet und dokumentiert werden müssen. Das Ziel dieser Dis-sertation bestand daher in der Entwicklung eines umfangreichen Software-Pakets zur automatisierten Aufbereitung, Analyse und Dokumentation von Strömungs- und Kon-zentrationsdaten, die in Grenzschichtwindkanälen experimentell erzeugt werden. Daher musste der Prozess der Datenverarbeitung so konzipiert werden, dass die aufbereiteten Daten direkt in die LES-Validierungsdatenbank CEDVAL-LES übernommen und so der wissenschaftlichen Gemeinschaft zur Verfügung gestellt werden können. Als Ergebnis dieser Arbeit wurden die beiden Software-Programme „FL_ANALYSIS“ und „CC_POST_PROCESSING“ entwickelt. Während es sich bei „FL_ANALYSIS“ um ein Programm zur Aufbereitung, Analyse und Dokumentation von Strömungsdaten handelt, dient das Programm „CC_POST_PROCESSING“ Aufbereitung und Dokumentation von Konzentrationsdaten. Im Anschluss an die Softwareentwicklung folgte eine ausführliche Evaluierung der ent-wickelten Programme. Zu diesem Zweck wurden die Test-Datensätze „EVALU001.001“ (mit der zugehörigen „wt-ref“-Datei „EVALU001_wtref“), „EVALU_PUFF“ und „EVALU_PLUME“ erzeugt, anhand derer die Evaluierung durchgeführt wurde. Als Re-ferenz dienten hierbei die „BSA Flow Software“ von Dantec Dynamics und das Tabel-lenkalkulationsprogramm „Microsoft Office Excel 2007“. Die Evaluierung des Prog-ramms „FL_ANALYSIS“ erfolgte bezüglich der folgenden Punkte: • Entfernung von Ausreißern • Resampling (Abtasten der Roh-Zeitserie mit einem konstanten Zeitschritt nach der Methode „sample and hold“) • Skalierung der Roh-Zeitserie • Berechnung der statistischen Größen • Erstellung von Häufigkeitsverteilungen • Bestimmung des Integrallängenmaßes der Turbulenz • Berechnung des Turbulenzspektrums Die Evaluierung des Programms „CC_POST_PROCESSING“ erfolgte bezüglich der Punkte: • Berechnung der effektiv gemessenen Konzentration • Extraktion einzelner Freisetzungs-Sequenzen • Offset-Korrektur des Konzentrationssignals • zeitliche Blockmittelung des Konzentrationssignals • Sortierung der Freisetzungs-Sequenzen • Skalierung der Zeitserie Als Ergebnis der Evaluierungen konnte die korrekte Arbeitsweise der beiden entwickel-ten Programme bezüglich aller aufgeführten Punkte festgestellt werden.

This dissertation was composed at the EWTL (Environmental Wind Tunnel Laboratory) at the University of Hamburg within the DFG (German Research Foundation) priority program ‚MetStröm‘. In this project, the EWTL was instructed with the systematic gener-ation of spatio-temporally high resolved datasets for the validation of LES-models, simu-lating flow and dispersion phenomena within the lower atmospheric boundary layer. Due to the high quality and quantity requirements of LES-validation data (Bastigkeit [2011]), immense amounts of data accumulated during each measurement campaign. With regard to their use as a validation reference, these data have to be processed and documented very carefully. Hence, the aim of this dissertation was the development of a comprehensive set of software tools that allow for an automated post-processing, analysis, and do-cumentation of flow and dispersion data that were generated by boundary layer wind-tunnel modeling. For this reason, the data post-processing had to be designed in a way that qualifies the processed data for the publication within the LES-validation database CEDVAL-LES. As a result of this work, the two software-programs „FL_ANALYSIS” and „CC_POST_PROCESSING” were developed. While „FL_ANALYSIS“ was created for the post-processing, analysis, and documentation of experimental flow data, the program „CC_POST_PROCESSING“ is used for post-processing and documentation concentra-tion data from dispersion measurements. In connection with the software development, a circumstantial evaluation of the software tools was carried out. For this purpose, the test datasets „EVALU001.001” (together with the corresponding „wt-ref“-file „EVA-LU001_wtref“), „EVALU_PUFF” and „EVALU_PLUME” were generated. Reliable reference results were given by the „BSA Flow Software” from Dantec Dynamics and by „Microsoft Office Excel 2007“. The evaluation of „FL_ANALYSIS” was carried out with respect to the following aspects: • elimination of outliers • resampling according to the method of „sample and hold“ • scaling of the raw time-series • calculation of statistic parameters • calculation of frequency distributions • identification of the integral length scale of turbulence • calculation of the energy density spectrum of turbulence The evaluation of „ CC_POST_PROCESSING” focused on the following topics: • calculation of the effective measured concentration • extraction of single sequences of releases • offset correction of the concentration signal • block averaging of the concentration signal • sortation of the sequences of releases • scaling oft the time-series As a result of the evaluations, the accurate method of operation could be verified for both processing codes having regard to all specified aspects.