LES-модель турбулентного атмосферного планетарного пограничного слоя: описание и тестовые расчеты

М.В. Шокуров1, ✉, С.Ю. Артамонов1, И.Н. Эзау2

1 Морской гидрофизический институт НАН Украины, Севастополь

2 Международный центр по дистанционному исследованию окружающей среды им. Ф. Нансена, Норвегия, г. Берген

✉ e-mail: shokurov.m@gmail.com

Аннотация

Приведено описание вихреразрешающей модели LESNIC с динамической смешанной схемой турбулентного подсеточного замыкания. Детально рассмотрены использованные в модели конечно-разностные схемы и их свойства. Выполнены тестовые расчеты нейтрально стратифицированного атмосферного планетарного пограничного слоя над однородной шероховатой поверхностью. Результаты показывают, что модель LESNIC правильно воспроизводит основные характеристики этого слоя – угол поворота ветра, коэффициент сопротивления, профили скорости. На основе тестовых расчетов показано, что данная модель может быть использована для целенаправленных численных исследований планетарного пограничного слоя.

Ключевые слова

атмосферный пограничный слой, численное моделирование, вихреразрешающие модели

Для цитирования

Шокуров М.В., Артамонов С.Ю., Эзау И.Н. LES-модель турбулентного атмосферного планетарного пограничного слоя: описание и тестовые расчеты // Морской гидрофизический журнал. 2013. № 1. С. 3-20. EDN RHYVMY.

Shokurov, M.V., Artamonov, S.Yu. and Esau, I.N., 2013. LES-model of turbulent atmospheric planetary boundary layer: description and test calculations. Morskoy Gidrofizicheskiy Zhurnal, (1), pp. 3-20 (in Russian).

Список литературы

  1. Rossby C.G., Montgomery R.B. The layers of frictional influence in wind and ocean currents // Phys. Oceanogr. Meteorol. – 1935. – 3, № 3. – P. 1 – 101.
  2. Казанский А.Б., Монин А.С. О турбулентном режиме выше приземного слоя воздуха // Изв. АН СССР. Сер. геофиз. – 1960. – 1. – С. 165 – 168.
  3. Зилитинкевич С.С. Динамика пограничного слоя атмосферы. – Л.: Гидрометеоиздат, 1970. – 292 с.
  4. Iwamoto K., Kasagi N., Suzuki Y. Direct numerical simulation of turbulent channel flow at Re = 2320 // Proc. 6th Symp. Smart Control of Turbulence, Tokyo, March 6 – 9. – 2005. – P. 327 – 333.
  5. Deardorff W.J. Numerical investigation of neutral and unstable planetary boundary layers // J. Atmos. Sci. – 1972. – 29. – C. 91 – 115.
  6. Andren A., Brown A.R., Graf J. et al. Large-eddy simulation of a neutrally stratified boundary layer: A comparison of four computer codes // Quart. J. Roy. Meteorol. Soc. – 1994. – 120. – P. 1457 – 1484.
  7. Esau I. Simulation of Ekman boundary layers by large eddy model with dynamic mixed subfilter closure // Environ. Fluid Mech. – 2004. – 4. – P. 273 – 303.
  8. Esau I. The Coriolis effect on coherent structures in planetary boundary layers // J. Turbul. – 2003. – 4, № 1. – P. 1 – 19.
  9. Zilitinkevich S., Esau I. On integral measures of the neutral barotropic planetary boundary layer // Bound.-Layer Meteorol. – 2002. – 104, № 3. – P. 371 – 379.
  10. Zilitinkevich S., Esau I. The effect of baroclinicity on the depth of neutral and stable planetary boundary layers // Quart. J. Roy. Meteorol. Soc. – 2003. – 129. – P. 3339 – 3356.
  11. Zilitinkevich S.S., Esau I.N. Resistance and heat transfer laws for stable and neutral planetary boundary layers: Old theory, advanced and re-evaluated // Ibid. – 2005. – 131. – P. 1863 – 1892.
  12. Глазунов А.В. Моделирование нейтрально стратифицированного турбулентного потока воздуха над шероховатой поверхностью // Известия РАН. ФАО. – 2006. – 42, № 3. – C. 307 – 325.
  13. Глазунов А.В. Вихреразрешающее моделирование турбулентности с использованием смешанного динамического локализованного замыкания. Часть 1. Формулировка задачи, описание модели и диагностические численные тесты // Там же. – 2009. – 45, № 1. – C. 7 – 28.
  14. Глазунов А.В. О влиянии направления геострофического ветра на турбулентность и квазиупорядоченные крупномасштабные структуры в пограничном слое атмосферы // Там же. – 2010. – 46, № 6. – C. 786 – 807.
  15. Колмогоров А.Н. Локальная структура турбулентности в несжимаемой жидкости при очень больших числах Рейнольдса // Докл. АН СССР. – 1941. – 30, № 44. – С. 99 – 102.
  16. Lilly D.K. The representation of small scale turbulence in numerical simulation experiments // Proc. IBM Sci. Computing Symp. Environmental Sci. – 1967. – 320 – 1951. – P. 195 – 210.
  17. Zang Y., Street R.L., Koseff J. A dynamic mixed subgrid scale model and its applications to turbulent recirculation flows // Phys. Fluids A. – 1993. – 5, № 12. – P. 3186 – 3196.
  18. Germano M., Piomelli U., Moin P. et al. A dynamic subgridscale eddy viscosity model // Phys. Fluids. – 1991. – 3, № 7. – P. 1760 – 1765.
  19. Morinishi Y., Lund T.S., Vasiliev O.V. et al. Fully conservative higher order finite difference schemes for incompressible flows // J. Comput. Phys. – 1998. – 43. – P. 90 – 124.
  20. Kim J., Moin P. Application of fractional step method to incompressible Navier-Stokes equations // Ibid. – 1985. – 59. – P. 308 – 323.
  21. Armfield S., Street R. The fractional step method for the Navier-Stokes equations on staggered grids: The accuracy of three variations // Ibid. – 1999. – 153. – P. 660 – 665.
  22. Jameson A., Schmidt W., Turkel E. Numerical simulation of the Euler equations by finite volume method using Runge-Kutta time stepping schemes // AIAA. – Paper 1981 – 1259. – P. 1 – 17.

Файлы

Полный текст

Мы используем Яндекс Метрику. Подробнее.