Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Boundary Conditions for Spectral Simulations of Atmospheric Boundary Layers
KTH, School of Engineering Sciences (SCI), Mechanics, Stability, Transition and Control.
2017 (English)Licentiate thesis, monograph (Other academic)
Abstract [en]

An atmospheric boundary layer (ABL) is generally a very high Reynolds number boundary layer over a fully rough surface that is influenced by different external forces. Numerical simulations of ABLs are typically demanding, particularly due to the high Reynolds numbers. Large eddy simulation (LES) where the grid filtered Navier--Stokes equations are solved together with a turbulence model for the subgrid-scale motions is the most accurate and widely used technique to date for ABLs. However, high Reynolds numbers, filtered equations and rough surfaces do not support the simple no-slip boundary conditions together with a feasible grid resolution. A paramount part for the performance of an ABL LES simulation therefore lies in the quality of approximate wall boundary conditions, so called wall models.

     The vast majority of LES codes used for ABL simulations rely on spatial discretization methods with low order finite difference approximations for the derivatives in the inhomogeneous wall normal direction. Furthermore, the wall boundary conditions are typically chosen in a mesh-dependent, non-local way, relying on the finite differences formulation.

     In this thesis we focus on solving the ABL LES equations with a fully (pseudo) spectral Fourier--Chebyshev code. We present how wall boundary conditions can be formulated through Robin boundary conditions and how to implement these in the normal-velocity normal-vorticity formulation that we solve. A new idea of specifying boundary conditions directly in Fourier space where also the turbulence intensity statistics can be controlled is presented and verified. The present results show that the Robin-type formulation is effective at least in near-equilibrium boundary layers.

     The code and boundary conditions were tested in both low and high Reynolds number (open and full) channel flows of neutral and stable stratification. Results were validated with both low to moderate Reynolds number DNS statistics as well as with the logarithmic law. Our results indicate great potential for both the the new boundary condition formulation and the specific code implementation. Further analysis of more complex flow situations will show whether the Robin-type formulation will give similarly good results.

Abstract [sv]

Ett atmosfäriskt gränsskikt (ABL) är generellt sett ett gränsskikt med väldigt högt Reynolds-tal över en rand med ojämn yta och som är påverkad av yttre krafter. Numeriska simuleringar av ABLs är typiskt sett väldigt krävande, speciellt på grund av de höga Reynolds-talen. Large eddy simulation (LES) där de filtrerade Navier--Stokes ekvationerna är lösta tillsammans med en turbulensmodell för the oupplösta skalorna är den mest noggranna och mest använda tekniken för ABLs. Men, för höga Reynolds-tal, filtrerade ekvationer och ytojämnheter är inte ``no-slip'' randvillkor giltiga för en genomförbart hög nätupplösning. En viktig del för kvalitén hos en ABL LES simulering ligger därför i prestandan i approximativa randvillkor, så kallade väggmodeller.

     Majoriteten av alla LES koder som används för ABL simuleringar är baserade på en lågordnings finita-differens diskretisering för derivatorna i den inhomogena väggnormalriktningen. Dessutom så är vägg-randvillkoren typiskt valda nätberoende och icke-lokala och direkt beroende av finita-differens diskretiseringen.

     I den här avhandlingen så fokuserar vi i att lösa ABL LES ekvationerna med en fullt (pseudo) spektral Fourier--Chebyshev kod. Vi förklarar vidare hur väggrandvillkor kan formuleras genom Robin-randvillkor och hur man implementerar dessa i normalhastighet normalvorticitet formuleringen som vi löser. En ny idé i att specifiera randvillkor direkt i Fourier-rummet där statistiken för den turbulenta intensiteten kan kontrolleras är också presenterad och verifierad.

Resultaten vi härmed presenterar visar att Robin-randvillkor formuleringen är effektiv åtminstone for gränsskikt i nära jämvikt.

     Den numeriska koden och randvillkoren var testade för kanalströmning (öppen och stängd) av både neutral och stabil stratifikation och för både låga och höga Reynolds-tal. Våra resultat visar på en god potential hos både den nya randvillkorsformuleringen och den nya kodimplementationen. Vidare analys i mer komplexa flödessituationer kommer att visa om Robin-randvillkor formuleringen ger lika goda resultat.

Place, publisher, year, edition, pages
KTH Royal Institute of Technology, 2017. , p. 107
Series
TRITA-MEK, ISSN 0348-467X ; 2017:16
National Category
Fluid Mechanics and Acoustics
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-218054ISBN: 978-91-7729-606-5 (print)OAI: oai:DiVA.org:kth-218054DiVA, id: diva2:1159143
Presentation
2017-12-15, V3, Teknikringen 72, KTH, Stockholm, 14:30 (English)
Opponent
Supervisors
Note

QC 20171122

Available from: 2017-11-22 Created: 2017-11-21 Last updated: 2017-11-23Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(1501 kB)148 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 1501 kBChecksum SHA-512
6a7ce07f7ac6a28c53eec32c2b5d4d3e0fec55d486797eacb5fe29826c308d0e80c0a591fcac77497642a97d7fb671f34e2a0ef3fe9cb8e96a5c7a2c7d9f4d7d
Type fulltextMimetype application/pdf

Search in DiVA

By author/editor
Boström, Erik
By organisation
Stability, Transition and Control
Fluid Mechanics and Acoustics

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 148 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

isbn
urn-nbn

Altmetric score

isbn
urn-nbn
Total: 630 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf