aktueller Entwicklungsstand und weitere Perspektiven

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1 aktueller Entwicklungsstand und weitere Perspektiven
MISKAM – aktueller Entwicklungsstand und weitere Perspektiven Joachim Eichhorn Institut für Physik der Atmosphäre, Universität Mainz WinMISKAM-Benutzertreffen – 24. April 2007 Garmisch-Partenkirchen

2 Übersicht MISKAM allgemein MISKAM 5.02 MISKAM 6 Evaluierung Ausblick

3 MISKAM allgemein Dreidimensionales, nichthydrostatisches Strömungsmodell k-e Turbulenzmodell, modifiziert nach Kato & Launder (1993) bzw. Lopez (2002) Einfache numerische Verfahren, lauffähig auf Standard-PC ~ 100 Anwender in Europa

4 MISKAM 5.02 Änderungen gegenüber Version 5.01:
Feinere Vertikalauflösung durch erhöhte Anzahl von Gitterpunkten möglich Vorher maximal 199 Punkte für Initialisierung, jetzt maximal 399 Behandlung sehr hoher Gebäude möglich Keine Veränderung für bisher verwendete Konfigurationen

5 MISKAM 5.02 Änderungen gegenüber Version 5.01:
Zeitschritt-Splitting bei der Turbulenzberechnung (löst alle -?- bisherigen Konvergenzprobleme des Strömungsmodells, auch bei sehr großen und komplexen Konfigurationen.) Berechnung von k und e in zwei Halbschritten mit jeweils halbiertem Zeitschritt Keine Eingriffe seitens des Anwenders erforderlich

6 MISKAM 5.02 Änderungen gegenüber Version 4.x: Vegetation
Impulsbehaftete Quellen Verbesserte Kontrollausgaben Ausführliche Protokolldatei *.prs Undokumentiert: Ausgabe von Zeitreihen Kontrollierter Simulationsabbruch

7 MISKAM 6 Optionale Verwendung eines Prädiktor-Korrektor-Advektionsschemas (MacCormack, 1969) für den Impulstransport Optionale Verwendung eines korrigierten Upstream-Schemas (MPDATA-Schema, Smolarkiewicz, 1989) für den Transport von Skalaren (k, e ) Marginale Fehlerkorrekturen

8 MacCormack-Schema arithm. Mittel aus upstream- und downstream-Schritt ergibt Lösung der Advektionsgleichung. Genauigkeit 2. Ordnung besonders geeignet für Impulstransport (Mendez-Nunez & Caroll, 1993)

9 MacCormack-Schema downstream upstream Lösung

10 MPDATA-Schema zunächst upstream-Advektion von Skalaren
Berechnung einer „Anti-Diffusionsgeschwindigkeit“ vd zur Korrektur der numerischen Diffusion erneuter upstream-Schritt unter Verwendung von vd bereits seit MISKAM 3.x im Ausbreitungsmodell implementiert Genauigkeit 2. Ordnung

11 Evaluierung Durchgeführt gemäß VDI-RL 3783/9 für beide Versionen
Version 6 erforderte Korrektur des Stationaritätskriteriums bei 2d-Rechnungen, wird vom Programm automatisch vorgenommen Ergebnisse für beide Versionen positiv

12 Trefferquoten, alle Werte
6.00 (5.02) Testfall u v w C1 (Balken) 86 (87) ./. 96 (95) J C3 (Würfel, 270°) 94 (93) 98 (97) 93 (93) C4 (Würfel, 225°) 85 (86) 76 (77) 81 (86)

13 Trefferquoten, alle Werte
6.00 (5.02) Testfall u v w C5 (Quader) 77 (78) 90 (88) 87 (86) J C6 (Mehrere Gebäude) 92 (93) 68 (67) 81 (81)

14 Trefferquoten, Nahbereich
6.00 (5.02) Testfall u v w C1 (Balken) 86 (71) ./. 96 (90) J C3 (Würfel, 270°) 90 (88) 96 (94) 88 (87) C4 (Würfel, 225°) 76 (74) 62 (63) 66 (66) L

15 Trefferquoten, Nahbereich
6.00 (5.02) Testfall u v w C5 (Quader) 74 (75) 86 (83) 79 (78) J C6 (Mehrere Gebäude) n.a. (n.a.)

16 Würfel, Diagonalanströmung
Anströmung im Windkanal nicht exakt diagonal Drehung im Mittel -2° 6.00 (5.02) Anströmrichtung u v w 225° 76 (74) 62 (63) 66 (66) L 223° 68 (67) 67 (66) J

17 Evaluierung Keine signifikanten Unterschiede zwischen beiden Versionen
Näheres: Mittwoch, 16 Uhr Klare Empfehlung zu Verwendung der Version 6 wegen größerer Belastbarkeit der Ergebnisse (Upstream-Schema ist unumstritten veraltet und ungenau)

18 Ausblick Vorgesehene Erweiterungen des Modells:
Randprofile unter Berücksichtigung von Umgebungsbebauung (siehe UAQ 2005, Valencia), wird noch in MISKAM 6 implementiert. Dachschrägen, Topographie? Wärmegleichung, Feuchtetransport Lagrange-Ausbreitungsmodell LES

19 Randprofile Einführung der Verdrängungshöhe in analytische Profile
Adaptation durch 2d-Rechnung Verwendung des adaptierten Profils als Rand- und Anfangsprofil

20 Randprofile

21 Verkleinertes Gebiet, modifizierte Profile
Randprofile Ergebnisvergleich, Trefferquoten im Vergleich zum Gesamtgebiet Wind- Komponente Verkleinertes Gebiet Verkleinertes Gebiet, modifizierte Profile u 70 % 77 % v 67 % 73 % w 60 % 75 %

22 Randprofile CPU-Zeiten Gesamtgebiet: 4000 sec
Verkleinertes Gebiet, bisherige Initialisierung sec Verkleinertes Gebiet, modifizierte Randprofile sec