Teilprojekt Large-Eddy-Simulation
Motivation:
Obwohl die Large-Eddy-Simulation (LES) der Strömung in und über Waldgebieten an Bedeutung gewinnt, greifen aktuelle Arbeiten praktisch ausnahmslos auf das von Shaw und Schumann entwickelte Vegetationsmodell zurück. Auch für heterogen strukturierte Gebiete mit Lichtungen oder Waldinseln werden dabei homogene, nur in der Höhe variierende Blattflächendichten mit einem konstanten Widerstandsbeiwert angesetzt. In Anbetracht der Variabilität des Bestandes insbesondere an Waldkanten ist davon auszugehen, dass die Genauigkeit solcher Simulationen durch die Vereinfachungen im Vegetationsmodell erheblich eingeschränkt wird. Bei Gitterweiten von wenigen Metern ist besonders die Homogenisierung des Stammraumes in Frage zu stellen. Ziel dieses Teilprojektes ist es daher, die dringend erforderliche Verfeinerung des Vegetationsmodells voranzutreiben und ein den modernen Erfordernissen einer LES angepasstes Feinstrukturmodell zur Verfügung zu stellen.
Ziele des Teilprojektes:
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LES für das Untersuchungsobjekt Tharandter Wald “Wildacker”:
- Implementierung und Validierung des Vegetationsmodells nach Shaw und Schumann (Large eddy simulation of turbulent flow above and within a forest, Boundary-Layer Meteorology 61, 1992)
- Simulation des “Wildackers” und Integration der durch die Laserscans generierten Daten in das Vegetationsmodell
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Entwicklung eines hochauflösenden Vegetationsmodells, welches eine Auflösung von Δx im Bereich des Stammdurchmessers erlaubt:
- Detailstudien zur Turbulenz im Stammraum, um deren Anisotropie und Transport besser berücksichtigen zu können
Aktueller Stand der Arbeiten:
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Implementierung und Validierung des Vegetationsmodells von Shaw und Schumann in OpenFOAM 2.1.x abgeschlossen.
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Studie mit zweidimensionaler Vegetation: Die Vegetationsverteilung basiert auf den Ergebnissen des TP Vegetationsvermessung. Mit Hilfe der terrestrischen Laserscans konnte für einen Teil (ca. 191m mal 30m um die Waldlichtung) des simulierten Untersuchungsgebietes eine realistische zweidimensionale Vegetationsverteilung (quer zur Hauptströmungsrichtung konstant) generiert werden. Der verbliebene Wald wird durch den klassischen homogenen Ansatz beschrieben. Details zu den Ergebnissen der Studie können in: F. Schlegel, J. Stiller, A. Bienert, H.-G. Maas, R. Queck und Ch. Bernhofer, Large-Eddy Simulation of inhomogeneous canopy flows using high resolution terrestrial laser scanning data, Boundary-Layer Meteorology 142, pp. 223-243, 2012 nachgelesen werden.
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Studie mit dreidimensionaler Vegetation: Zusätzliche Laserscans im Jahr 2011 ermöglichen es jetzt, eine realistische dreidimensionale Vegetation für ein Gebiet von 326m x 170m zu generieren. Der verbliebene Wald im Untersuchungsgebiet wird mit Hilfe des "Virtual Canopy Generators" (A virtual canopy generator (V-CaGe) for modelling complex heterogeneous forest canopies at high resolution, Tellus B 59, 2007) generiert. Die daraus resultierende dreidimensionale Vegetation basiert auf einem durch luftgestützte Laserscans gewonnenen Kronenmodel und Forstkarten der einzelnen Waldabteilungen. Außerdem wird in den geplanten Simulationen die Orografie berücksichtigt. Details zu den Ergebnissen der Studie können in: F. Schlegel, J. Stiller, A. Bienert, H.-G. Maas, R. Queck und Ch. Bernhofer, Large-Eddy Simulation of the effects on flow of a heterogeneous forest at sub-tree resolution, Boundary-Layer Meteorology 154, pp. 27-56, 2015 nachgelesen werden.