Simulera turbulent flöde
Att förstå småskaliga rörelser i atmosfären är viktigt för att t.ex. kunna förbättra väderprognoser eller simulera hur vinden rör sig runt vindkraftverk. I Uppsala använder vi oss av Large Eddy Simulation (LES) teknik för att kunna undersöka t.ex. nedisning av vindturbiner och förstå detaljerna i atmosfärens gränsskikt över hav och påverkan från havsvågor.
Vår forskning
Large eddy simulering (LES) är en teknik där en högupplöst numerisk beräkningsmodell används som detaljerat kan beskriva hur den del av turbulensen som bär på den största energin och anisotropin i strömningen av vind, vatten eller annan fluid som följer Navier-Stokes ekvation utvecklas. De minsta turbulenta strukturerna, virvlarna eller småskaliga processerna i strömningen behandlas i denna simuleringsteknik via enkla parameteriseringar. Atmosfären och havet har högt Reynolds tal vilket betyder att strömningen innehåller rörelser som innefattar många storleksordningar från millimeterskala till hundratals kilometer och till och med större. LES är därför ett attraktivt numeriskt verktyg för att undersöka turbulenta processer på högre rumslig och temporal upplösning i jämförelse med andra modelleringsverktyg. Detaljerade studier av småskaliga väderfenomen och turbulenta processer med hjälp av både numerisk simulering och mätningar kan användas för att formulera parameteriseringar (förenklade beskrivningar) som kan användas i väderprognosmodeller och klimatmodeller, som använder grövre upplösning.
Väderprognoser på kilometer-skalan kräver parameterisering av småskaliga processer. Ett exempel är den komplexa interaktionen i nedersta delen av atmosfären, som kallas det atmosfäriska gränsskiktet, från markytan och upp till cirka 1 - 2 km höjd på dagen och lägre på natten. Här kan nedisning i marknära luftskikt ske med stor påverkan på vindkraftverk i kallt klimat. Ett till stor del outforskat område kring sådana nedisningstillfällen är hur heterogenitet i landskapet med olika landanvändning och albedo-effekter påverkar. LES är ett mycket användbart verktyg för att skapa mått och uppskattningar hur lokala småskaliga variabler tillsammans med icke-lokala och mer storskaliga vädervariationer och variabler så som temperatur, vindhastighet och landanvändning påverkar nedisningsproblematiken på vindturbiner.
Olika fenomen i atmosfärens gränsskikt har studerats med hjälp av LES sedan tidigt 1970-tal, men först på 2000-talet har ytterligare utveckling av beräkningsmetoder och utökade beräkningsresurser gjort det möjligt att studera marina atmosfäriska gränsskikt och hur dessa påverkas av havsvågor. Genom internationella forskningssamarbeten studerar forskare ifrån Uppsala Universitet ett flertal olika relaterade områden så som icke-stationära förhållanden och dess påverkan på turbulens, dygnscykler, effekter från idealiserade havsvågor och atmosfärisk skiktning, nedisning på vindturbiner och effekter skapade av heterogenitet hos landytor och landanvändning.
Figur 1: Flera large eddy simuleringar har gjorts med varierande idealiserat trädtäcke och intialtillstånd m.h.a. en meso-skalig icke-hydrostatiskt modell (Meso-NH) utvecklad av Laboratoire d'Aérologie och CNRS/Météo-France. De gröna områdena i övre raden av figurer representerar skog och gula områden barmark eller låg vegetation i ett föreskrivet schackbrädemönster av varierande storlek i tre simuleringar. Röda och mörka punkter indikerar platser där virtuella mätmaster placerats ut för studier av inverkan på exempelvis vind från heterogeniteten. Den nedre raden visar medelvindens hastighet på 10 m höjd med färgskalan given i m/s och vindvektorer som pilar efter 12 timmars simulering. Den horisontella skalan för hela simuleringen är 6 km x 6 km i alla simuleringar och vindhastigheten kan ses minska och öka lokalt som en följd av vegetationens inverkan. Denna forskning syftar till att utvärdera hur landytors representation och heterogenitet kan påverka prognoser av nedisning på vindturbiner.