Forschung im HLRN-Verbund 2011

79Abbildung 1: Sicht von oben auf einen Schnitt durch die Atmosphäre in 50 m Höhe. Dargestellt ist der vertikaleWind w (Rot entspricht Aufwinden, Blau Abwinden), wie er sich z.B. bei einer sommerlichen Hochdrucklageüber einem homogenem Untergrund ergäbe, simuliert mittels LES. Das 2 km x 2 km großeGebiet links zeigt organisierte Strukturen breiter Abwindbereiche umgeben von Aufwinden. Die rechteGraphik entspricht dem 200 m x 200 m kleinen gekennzeichneten Ausschnitt und zeigt, bis zuwelchen Details die turbulenten Strukturen aufgelöst werden.das Grobstruktursimulationsmodell (engl.: largeeddysimulation, LES) PALM und simuliert realistischeWindfelder. PALM (PArallelisiertes LESModell) wurde innerhalb des letzten Jahrzehnts amInstitut für Meteorologie und Klimatologie der UniversitätHannover entwickelt. Es ist in der Lage, dieturbulenten Windverhältnisse innerhalb der atmosphärischenGrenzschicht zu berechnen und typischerealistische Strukturen sehr präzise wiederzugeben(vgl. Abbildung 1).Das LES Modellgebiet, in dem die Strömungberechnet wird, repräsentiert einen Teil der Atmosphäreund bedient sich eines dreidimensionalenregelmäßigen Gitters. Die Atmosphäre wirddabei in viele kleine Gitterboxen, deren Kantenlängeman als Gitterweite bezeichnet, unterteilt.Für jede Box berechnet das Modell einenWert der meteorologischen Größen, z.B. Windoder Temperatur. Aus all diesen Werten ergibt sichdann die komplexe dreidimensionale Struktur derStrömung. In der unteren Atmosphäre existierenWirbel der unterschiedlichsten Größe (wenige Millimeterbis zu einigen Kilometern im Durchmesser).Die Gitterweite des Modells bestimmt dabeidie Größe der kleinsten Wirbel, die vom Modellnoch simuliert werden können. Für die Simulationzur Tragflügelumströmung müssen nochWirbel berücksichtigt werden, die mindestens eineGrößenordnung kleiner als die Spannweite desTragflügels sind. Dies erfordert eine sehr kleine Gitterweitevon nur 0.5 m. Gleichzeitig muss das Modellgebietaber groß genug gewählt werden, damitsich eine realistische atmosphärische Grenzschichtentwickeln kann, die sehr große Strukturenenthält (siehe Abbildung 1). Beide Bedingungenführen zu einer sehr hohen Anzahl an Gitterpunkten(mehr als 20 Milliarden). Die entsprechendextrem aufwändigen Simulationen der atmosphärsichenGrenzschicht sind weltweit einmaligund erfordern selbst beim parallelen Einsatz von4096 Prozessorkernen Rechenzeiten von mehrerenWochen.Solch aufwändige Simulationen sind derzeitim Rahmen der industriellen Flugzeugentwicklungnoch nicht realisierbar. Hier werden die anfangsgenannten statistischen Modelle eingesetzt. In unseremProjekt wird derzeit durch Vergleich mitden LES-Ergebnissen ermittelt, ob die statistischenModelle die atmosphärische Turbulenz hinreichendgenau beschreiben. Später soll dann diegrundsätzliche Wirkung atmosphärischer Turbulenzunterschiedlicher meteorologischer Szenarienauf den Strömungsabriss untersucht werden.Mehr zum Thema1. Raasch, S., Schröter, M., 2001. PALM-A largeeddysimulation model performing on massivelyparallel computers, Meteo. Z., 10, 363-372.doi:10.1127/0941-2948/2001/0010-0363.FörderungDFG-Forschergruppe 1066Geowissenschaften