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MISKAM – Stand und PerspektivenWinMISKAM-Benutzertreffen – 24. April 2007 – Garmisch-Partenkirchen
MISKAM –MISKAM –aktueller Entwicklungsstandaktueller Entwicklungsstand
und weitere Perspektivenund weitere Perspektiven
Joachim Eichhorn
Institut für Physik der Atmosphäre, Universität Mainz
WinMISKAM-Benutzertreffen – 24. April 2007Garmisch-Partenkirchen
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MISKAM – Stand und PerspektivenWinMISKAM-Benutzertreffen – 24. April 2007 – Garmisch-Partenkirchen
ÜbersichtÜbersicht
• MISKAM allgemein• MISKAM 5.02 • MISKAM 6• Evaluierung• Ausblick
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MISKAM – Stand und PerspektivenWinMISKAM-Benutzertreffen – 24. April 2007 – Garmisch-Partenkirchen
• Dreidimensionales, nichthydrostatisches Strömungsmodell
• k-Turbulenzmodell, modifiziert nach Kato & Launder (1993) bzw. Lopez (2002)
• Einfache numerische Verfahren, lauffähig auf Standard-PC
• ~ 100 Anwender in Europa
MISKAM allgemeinMISKAM allgemein
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MISKAM – Stand und PerspektivenWinMISKAM-Benutzertreffen – 24. April 2007 – Garmisch-Partenkirchen
• Änderungen gegenüber Version 5.01:– Feinere Vertikalauflösung durch erhöhte Anzahl von
Gitterpunkten möglich• Vorher maximal 199 Punkte für Initialisierung, jetzt
maximal 399• Behandlung sehr hoher Gebäude möglich• Keine Veränderung für bisher verwendete Konfigurationen
MISKAM 5.02MISKAM 5.02
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MISKAM – Stand und PerspektivenWinMISKAM-Benutzertreffen – 24. April 2007 – Garmisch-Partenkirchen
• Änderungen gegenüber Version 5.01:– Zeitschritt-Splitting bei der Turbulenzberechnung
(löst alle -?- bisherigen Konvergenzprobleme des Strömungsmodells, auch bei sehr großen und komplexen Konfigurationen.)
• Berechnung von k und in zwei Halbschritten mit jeweils halbiertem Zeitschritt
• Keine Eingriffe seitens des Anwenders erforderlich
MISKAM 5.02MISKAM 5.02
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MISKAM – Stand und PerspektivenWinMISKAM-Benutzertreffen – 24. April 2007 – Garmisch-Partenkirchen
• Änderungen gegenüber Version 4.x:– Vegetation– Impulsbehaftete Quellen– Verbesserte Kontrollausgaben
• Ausführliche Protokolldatei *.prs• Undokumentiert: Ausgabe von Zeitreihen
– Kontrollierter Simulationsabbruch
MISKAM 5.02MISKAM 5.02
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• Optionale Verwendung eines Prädiktor-Korrektor-Advektionsschemas (MacCormack, 1969) für den Impulstransport
• Optionale Verwendung eines korrigierten Upstream-Schemas (MPDATA-Schema, Smolarkiewicz, 1989) für den Transport von Skalaren (k, )
• Marginale Fehlerkorrekturen
MISKAM 6MISKAM 6
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MacCormack-SchemaMacCormack-Schema
• arithm. Mittel aus upstream- und downstream-Schritt ergibt Lösung der Advektionsgleichung.
• Genauigkeit 2. Ordnung• besonders geeignet für Impulstransport
(Mendez-Nunez & Caroll, 1993)
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MISKAM – Stand und PerspektivenWinMISKAM-Benutzertreffen – 24. April 2007 – Garmisch-Partenkirchen
MacCormack-SchemaMacCormack-Schema
)(5.0 1**1
1
1*1
1*1*1**
1
11*
ni
ni
ni
ii
ni
nin
in
in
i
ii
ni
nin
ini
ni
txx
u
txx
u
downstream
upstream
Lösung
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MISKAM – Stand und PerspektivenWinMISKAM-Benutzertreffen – 24. April 2007 – Garmisch-Partenkirchen
MPDATA-SchemaMPDATA-Schema
• zunächst upstream-Advektion von Skalaren
• Berechnung einer „Anti-Diffusionsgeschwindigkeit“ vd zur Korrektur der numerischen Diffusion
• erneuter upstream-Schritt unter Verwendung von vd
• bereits seit MISKAM 3.x im Ausbreitungsmodell implementiert
• Genauigkeit 2. Ordnung
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EvaluierungEvaluierung
• Durchgeführt gemäß VDI-RL 3783/9 für beide Versionen
• Version 6 erforderte Korrektur des Stationaritätskriteriums bei 2d-Rechnungen, wird vom Programm automatisch vorgenommen
• Ergebnisse für beide Versionen positiv
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MISKAM – Stand und PerspektivenWinMISKAM-Benutzertreffen – 24. April 2007 – Garmisch-Partenkirchen
Trefferquoten, alle WerteTrefferquoten, alle Werte
6.00 (5.02)
Testfall u v w
C1 (Balken) 86 (87) ./. 96 (95)
C3 (Würfel, 270°) 94 (93) 98 (97) 93 (93)
C4 (Würfel, 225°) 85 (86) 76 (77) 81 (86)
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MISKAM – Stand und PerspektivenWinMISKAM-Benutzertreffen – 24. April 2007 – Garmisch-Partenkirchen
Trefferquoten, alle WerteTrefferquoten, alle Werte
6.00 (5.02)
Testfall u v w
C5 (Quader) 77 (78) 90 (88) 87 (86)
C6 (Mehrere Gebäude) 92 (93) 68 (67) 81 (81)
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MISKAM – Stand und PerspektivenWinMISKAM-Benutzertreffen – 24. April 2007 – Garmisch-Partenkirchen
Trefferquoten, NahbereichTrefferquoten, Nahbereich
6.00 (5.02)
Testfall u v w
C1 (Balken) 86 (71) ./. 96 (90)
C3 (Würfel, 270°) 90 (88) 96 (94) 88 (87)
C4 (Würfel, 225°) 76 (74) 62 (63) 66 (66)
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MISKAM – Stand und PerspektivenWinMISKAM-Benutzertreffen – 24. April 2007 – Garmisch-Partenkirchen
Trefferquoten, NahbereichTrefferquoten, Nahbereich
6.00 (5.02)
Testfall u v w
C5 (Quader) 74 (75) 86 (83) 79 (78)
C6 (Mehrere Gebäude) n.a. (n.a.) n.a. (n.a.) n.a. (n.a.)
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MISKAM – Stand und PerspektivenWinMISKAM-Benutzertreffen – 24. April 2007 – Garmisch-Partenkirchen
Würfel, DiagonalanströmungWürfel, Diagonalanströmung
6.00 (5.02)
Anströmrichtung u v w
225° 76 (74) 62 (63) 66 (66) 223° 76 (74) 68 (67) 67 (66)
• Anströmung im Windkanal nicht exakt diagonal• Drehung im Mittel -2°
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EvaluierungEvaluierung
• Keine signifikanten Unterschiede zwischen beiden Versionen
• Näheres: Mittwoch, 16 Uhr • Klare Empfehlung zu Verwendung der Version 6
wegen größerer Belastbarkeit der Ergebnisse (Upstream-Schema ist unumstritten veraltet und ungenau)
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AusblickAusblick
• Vorgesehene Erweiterungen des Modells:− Randprofile unter Berücksichtigung von
Umgebungsbebauung (siehe UAQ 2005, Valencia), wird noch in MISKAM 6 implementiert.
− Dachschrägen, Topographie?− Wärmegleichung, Feuchtetransport− Lagrange-Ausbreitungsmodell− LES
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RandprofileRandprofile
• Einführung der Verdrängungshöhe in analytische Profile
• Adaptation durch 2d-Rechnung
• Verwendung des adaptierten Profils als Rand- und Anfangsprofil
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MISKAM – Stand und PerspektivenWinMISKAM-Benutzertreffen – 24. April 2007 – Garmisch-Partenkirchen
RandprofileRandprofile
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RandprofileRandprofile
• Ergebnisvergleich,Trefferquoten im Vergleich zumGesamtgebiet
Wind- Komponente
VerkleinertesGebiet
Verkleinertes Gebiet,
modifizierteProfile
u 70 % 77 %
v 67 % 73 %
w 60 % 75 %
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RandprofileRandprofile
• CPU-Zeiten− Gesamtgebiet: 4000
sec− Verkleinertes Gebiet,
bisherige Initialisierung 1600 sec− Verkleinertes Gebiet,
modifizierte Randprofile 1370 sec