Development of LES inflow conditions for turbulent boundary layers

Computational Fluid Dynamics (CFD) er på det nåværende tidspunkt den eneste fysisk baserte metoden for å modellere spredning og transport av aerosoler og gasser i komplekse urbane miljøer. En av hovedutfordringene med CFD simuleringer er å bestemme innstrømsbetingelser som varierer i tid og er kompatible med en løsning av Navier-Stokes ligninger. Hovedformålet med denne studien er å utvikle og verifisere en metode som gir realistiske tre-dimensjonale og tidsvarierende hastighetsfelt for bruk som innstrømsbetingelser i CFD beregninger av spredning og transportmodellering. Ved bruk av uegnede innstrømsbetingelser kreves ofte store beregningsdomener for å oppnå realistiske vindfelt i de interessante områdene. Dette resulterer i økte beregningskostnader som kan begrense bruksområdet til CFD simuleringer. I denne studien utforskes en ny metode for å generere innstrømsbetingelser ved hjelp av en eksperimentell database. Metoden er basert på målte hastigheter som blir konvertert til et format som kan brukes i CFD simuleringer gjennom en prosedyre som kalles linear stochastic estimation (LSE). Resultatene ser lovende ut og det blir vist at metoden kan generere et realistisk turbulent grensesjikt bare ∼ 3 grensesjiktstykkelser nedstrøms for innstrømningsplanet. Andre metoder krever typisk 3 − 4 ganger denne distansen. Ved atmosfærisk skala innebærer dette en reduksjon fra ca. 3000m til 900m. Dermed kan beregningsområdet reduseres tilsvarende. Fra et vitenskapelig synspunkt er effekten av storskala turbulens på innstrømsbetingelsen av interesse. I denne studien ble dette undersøkt ved bruk av proper orthogonal decomposition (POD). Hastighetsfeltet ble rekonstruert med forskjellige energinivåer og resultatene viser at redusert energi resulterer i et lengre transisjonsområde. Lengre nedstrøms sammenfaller den beregnede turbulente kinetiske energien.