大氣邊界層中湍流的建模:使用頻譜元素和有限體積方法

Centrala begrepp

本文介紹了用於模擬穩定大氣邊界層湍流的大渦模擬(LES)建模方法,並探討了兩種不同的數值方法:高階頻譜元素法(Nek5000/NekRS)和二階有限體積法(AMR-Wind)。

Sammanfattning

本文介紹了用於模擬大氣邊界層湍流的大渦模擬(LES)建模方法。主要內容包括:

1. 介紹了GABLS基準問題,這是一個研究穩定大氣邊界層的標準問題。

2. 描述了Nek5000/NekRS和AMR-Wind兩種數值方法,包括所使用的亞格子尺度(SGS)模型。Nek5000/NekRS使用了基於平均場渦粘性(MFEV)的新開發的SGS模型,包括高通濾波(HPF)、Smagorinsky(SMG)和SGS湍動能(TKE)方法。AMR-Wind使用了標準的Smagorinsky模型。

3. 對兩種方法進行了收斂性和驗證研究。結果顯示,Nek5000/NekRS在各種邊界層參數上都表現出良好的收斂性,包括邊界層高度和低層噴流高度。

4. 詳細討論了壁面剪切應力和熱通量邊界條件的實現,包括一種新的解析方法來求解表面摩擦速度和表面動量通量。

5. 對兩種方法的結果進行了詳細比較,並與文獻中的模擬數據進行了對比。

總的來說,本文展示了Nek5000/NekRS和AMR-Wind在模擬大氣邊界層湍流方面的能力,為進一步的工程應用奠定了基礎。

Statistik

平均表面摩擦速度 u_tau = 0.38 m/s
平均表面動量通量 Q* = -0.0062 K m/s
邊界層深度 z_i = 240 m
Monin-Obukhov長度 L_MO = -40 m
邊界層穩定性參數 z_i/L_MO = -6
低層噴流高度 z_j/z_i = 0.8

Citat

"本文介紹了用於模擬大氣邊界層湍流的大渦模擬(LES)建模方法,並探討了兩種不同的數值方法:高階頻譜元素法(Nek5000/NekRS)和二階有限體積法(AMR-Wind)。"
"Nek5000/NekRS在各種邊界層參數上都表現出良好的收斂性,包括邊界層高度和低層噴流高度。"
"本文展示了Nek5000/NekRS和AMR-Wind在模擬大氣邊界層湍流方面的能力,為進一步的工程應用奠定了基礎。"

Viktiga insikter från

Modeling Turbulence in the Atmospheric Boundary Layer with Spectral Element and Finite Volume Methods

by Ananias Tomb... på arxiv.org 10-02-2024

https://arxiv.org/pdf/2410.00147.pdf

Djupare frågor

除了GABLS基準問題,還有哪些其他標準問題可用於評估大氣邊界層湍流模型的性能?

除了GABLS基準問題，還有多個其他標準問題可用於評估大氣邊界層（ABL）湍流模型的性能。其中一些包括：

Sullivan et al. (2008)的基準問題：這些問題專注於穩定和不穩定的邊界層流動，提供了不同的風速和溫度梯度條件，適合用於比較不同的湍流模型。

Large et al. (1994)的基準問題：這些問題涉及到大氣邊界層的穩定性和不穩定性，特別是在不同的地形和氣象條件下的流動行為。

Cuxart et al. (2006)的基準問題：這些問題專注於大氣邊界層的垂直結構，特別是在不同的穩定性條件下的湍流特徵。

Mahrt (2014)的基準問題：這些問題探討了大氣邊界層中的熱交換和湍流結構，特別是在不同的地面條件下的影響。

這些基準問題提供了多樣化的條件和參數，幫助研究人員評估和比較不同的湍流模型在模擬大氣邊界層中的表現。

如何進一步改進SGS模型,以更好地捕捉大氣邊界層中的複雜物理過程?

為了進一步改進次網格尺度（SGS）模型，以更好地捕捉大氣邊界層中的複雜物理過程，可以考慮以下幾個方向：

多尺度建模：結合不同尺度的模型，例如將大尺度的氣象模型與小尺度的湍流模型相結合，以捕捉大氣邊界層中的多重物理過程。

改進的湍流動力學：引入更精細的湍流動力學，例如使用動態SGS模型，根據當前流場的特徵自適應地調整模型參數，以提高模型的靈活性和準確性。

考慮非均勻性和各向異性：在SGS模型中引入非均勻性和各向異性的考量，特別是在複雜地形或城市環境中，這將有助於更真實地模擬流場的行為。

數據驅動方法：利用機器學習和數據驅動的方法來優化SGS模型，通過從實際觀測數據中學習，改進模型的預測能力。

多物理場耦合：考慮大氣邊界層中不同物理過程的耦合，例如熱、動量和水汽的交換，這將有助於更全面地理解和模擬複雜的邊界層行為。

這些數值方法在模擬城市環境或複雜地形中的大氣流場時會有什麼挑戰和局限性?

在模擬城市環境或複雜地形中的大氣流場時，數值方法面臨多個挑戰和局限性：

計算成本：城市環境和複雜地形通常需要高解析度的網格來捕捉細微的流動特徵，這會導致計算成本大幅增加，尤其是在進行長時間模擬時。

邊界條件的複雜性：城市環境中的不規則建築物和地形會導致邊界條件的設置變得複雜，這可能影響模擬的準確性和穩定性。

湍流模型的適用性：現有的湍流模型可能無法充分捕捉城市環境中的湍流特徵，特別是在高密度建築物和狹窄街道中，這需要進一步的模型改進。

熱和動量交換的非均勻性：城市環境中的熱和動量交換過程通常是非均勻的，這使得在模擬中考慮這些過程變得更加困難。

數據的可獲得性和質量：在城市環境中，獲取高質量的觀測數據以驗證和校準數值模型可能會受到限制，這會影響模型的可靠性。

這些挑戰要求研究人員在數值方法的開發和應用中，考慮到城市環境和複雜地形的特點，以提高模擬的準確性和實用性。