Controlling entrainment in large-eddy simulation of stratocumulus clouds

Kontrolle des Entrainment in Large Eddy Simulationen von Stratocumulus-Wolken

  • A front-tracking algorithm for large-eddy simulation (LES) is developed to untangle the numerical and physical contributions to entrainment in stratocumulus-topped boundary layers. The front-tracking algorithm is based on the level set method. Instead of resolving the cloud-top inversion, it is represented as a discontinuous interface separating the boundary layer from the free atmosphere. The location of the interface is represented as an isosurface of an evolving marker function the evolution of which is governed by an additional transport equation. The algorithm has been implemented in an existing LES code based on the anelastic approximation of the Navier-Stokes equations. The original LES algorithm is verified against direct-numerical simulation (DNS) data of an idealized two-dimensional cloud-top mixing layer. For this, the subgrid-scale model of the LES code was replaced by a constant molecular viscosity in order to focus on numerical errors only. A grid convergence study confirmed the anticipated global second-order rate ofA front-tracking algorithm for large-eddy simulation (LES) is developed to untangle the numerical and physical contributions to entrainment in stratocumulus-topped boundary layers. The front-tracking algorithm is based on the level set method. Instead of resolving the cloud-top inversion, it is represented as a discontinuous interface separating the boundary layer from the free atmosphere. The location of the interface is represented as an isosurface of an evolving marker function the evolution of which is governed by an additional transport equation. The algorithm has been implemented in an existing LES code based on the anelastic approximation of the Navier-Stokes equations. The original LES algorithm is verified against direct-numerical simulation (DNS) data of an idealized two-dimensional cloud-top mixing layer. For this, the subgrid-scale model of the LES code was replaced by a constant molecular viscosity in order to focus on numerical errors only. A grid convergence study confirmed the anticipated global second-order rate of convergence and the convergence to the DNS solution. The slower convergence of the LES code as compared to the higher-order DNS yielded leading-order errors in the mixing layer growth at the coarsest resolutions, which were finer still than typical LES resolutions. The front-tracking algorithm is verified by LESs of two different convective atmospheric boundary layers: the smoke cloud, a solely radiatively driven boundary layer, and a stratocumulus-topped boundary layer based on data from the DYCOMS II field study. Specifying zero entrainment, it was shown that entrainment in LES can be controlled effectively by the front-tracking algorithm. The algorithm drastically reduces entrainment errors and reduces dependencies of the solution to numerical parameters such as the choice of flux-limiters and grid resolution.show moreshow less
  • Es wird ein Fronten-Verfolgungsverfahren für Large-Eddy-Simulationen (LES) entwickelt mit dem Ziel, numerische Beiträge zum Entrainment in Stratocumulus-bedeckten atmosphärischen Grenzschichten von den physikalischen Beiträgen zu trennen. Das Fronten-Verfolgungsverfahren basiert auf der Level-Set-Methode. Dabei wird die Inversion über der Wolkenoberseite als diskontinuierliche Grenzfläche aufgefasst, die die atmosphärische Grenzschicht von der darüberliegenden freien Atmosphäre trennt. Die Position der Grenzfläche wird dabei als eine Isofläche einer sich entwickelnden Markierungsfunktion beschrieben deren Entwicklung von einer zusätzlichen Transportgleichung bestimmt ist. Das Verfahren wurde als Erweiterung eines bestehenden und auf den anelastischen Gleichungen basierenden LES-Codes implementiert. Das ursprüngliche LES-Verfahren wird anhand von Ergebnissen einer direkten numerischen Simulation (DNS) einer idealisierten zweidimensionalen Wolken-Mischungsschicht verifiziert. Um ausschließlich numerische Effekte zu messen, wurde dafürEs wird ein Fronten-Verfolgungsverfahren für Large-Eddy-Simulationen (LES) entwickelt mit dem Ziel, numerische Beiträge zum Entrainment in Stratocumulus-bedeckten atmosphärischen Grenzschichten von den physikalischen Beiträgen zu trennen. Das Fronten-Verfolgungsverfahren basiert auf der Level-Set-Methode. Dabei wird die Inversion über der Wolkenoberseite als diskontinuierliche Grenzfläche aufgefasst, die die atmosphärische Grenzschicht von der darüberliegenden freien Atmosphäre trennt. Die Position der Grenzfläche wird dabei als eine Isofläche einer sich entwickelnden Markierungsfunktion beschrieben deren Entwicklung von einer zusätzlichen Transportgleichung bestimmt ist. Das Verfahren wurde als Erweiterung eines bestehenden und auf den anelastischen Gleichungen basierenden LES-Codes implementiert. Das ursprüngliche LES-Verfahren wird anhand von Ergebnissen einer direkten numerischen Simulation (DNS) einer idealisierten zweidimensionalen Wolken-Mischungsschicht verifiziert. Um ausschließlich numerische Effekte zu messen, wurde dafür das Feinstrukturmodell der LES durch eine konstante molekulare Viskosität ersetzt. In einer Gitterstudie wurden die theoretisch erwartete Konvergenz von global zweiter Ordnung sowie die Konvergenz zur DNS-Lösung nachgewiesen. Wegen der im Vergleich zur DNS niedrigen Konvergenzordnung wurden auf dem gröbsten Gitter der Studie, das dennoch feiner als in typischen LESn ist, Fehler führender Ordnung in der Wachstumsrate der Mischungsschicht gemessen. Das Fronten-Verfolgungsverfahren wird anhand von LES zweier konvektiver atmosphärischer Grenzschichten verifiziert: der sogenannten Smoke Cloud, einer ausschließlich strahlungsgetriebenen Grenzschicht, und einer Stratocumulus-bedeckten atmosphärischen Grenzschicht basierend auf Daten der DYCOMS II Messkampagne. In Simulationen mit vorgeschriebenem Null-Entrainment wurde belegt, dass das Fronten-Verfolgungsverfahren Entrainment in LESn effektiv kontrollieren kann. Das Verfahren reduziert Entrainment-Fehler drastisch und mildert Abhängigkeiten der Lösung von numerischen Parametern wie der Wahl des Flusslimiters und der Gitterauflösung.show moreshow less

Download full text files

Export metadata

Metadaten
Author: Kadasch, Eckhard
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-40393
Referee / Advisor:Prof. Dr.-Ing. Schmidt, Heiko
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2016
Date of final exam:2016/01/07
Release Date:2016/12/14
Tag:Atmosphärische Grenzschicht; Entrainment; Large Eddy Simulation; Level Set Methode; Stratocumulus
Atmospheric boundary layer; Entrainment; Large-eddy simulation; Level set method; Stratocumulus
GND Keyword:Atmosphärische Grenzschicht; Kumulus; LES <Strömung>
Institutes:Fakultät 3 Maschinenbau, Elektro- und Energiesysteme / FG Numerische Strömungs- und Gasdynamik
Licence (German):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.