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

Übersicht MISKAM allgemein MISKAM 5.02 MISKAM 6 Evaluierung Ausblick

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

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

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

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

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

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

MacCormack-Schema downstream upstream Lösung

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

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

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)

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)

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

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.)

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

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)

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

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

Randprofile

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 %

Randprofile CPU-Zeiten Gesamtgebiet: 4000 sec Verkleinertes Gebiet, bisherige Initialisierung 1600 sec Verkleinertes Gebiet, modifizierte Randprofile 1370 sec