MISKAM – Stand und Perspektiven WinMISKAM-Benutzertreffen – 24. April 2007 –...

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

MISKAM – Stand und PerspektivenWinMISKAM-Benutzertreffen – 24. April 2007 – Garmisch-Partenkirchen

ÜbersichtÜbersicht

• MISKAM allgemein• MISKAM 5.02 • MISKAM 6• Evaluierung• Ausblick

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

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

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

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

MISKAM – Stand und PerspektivenWinMISKAM-Benutzertreffen – 24. April 2007 – Garmisch-Partenkirchen

• 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

MISKAM – Stand und PerspektivenWinMISKAM-Benutzertreffen – 24. April 2007 – Garmisch-Partenkirchen

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)

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

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

MISKAM – Stand und PerspektivenWinMISKAM-Benutzertreffen – 24. April 2007 – Garmisch-Partenkirchen

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

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)

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)

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)

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.)

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°

MISKAM – Stand und PerspektivenWinMISKAM-Benutzertreffen – 24. April 2007 – Garmisch-Partenkirchen

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)

MISKAM – Stand und PerspektivenWinMISKAM-Benutzertreffen – 24. April 2007 – Garmisch-Partenkirchen

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

MISKAM – Stand und PerspektivenWinMISKAM-Benutzertreffen – 24. April 2007 – Garmisch-Partenkirchen

RandprofileRandprofile

• Einführung der Verdrängungshöhe in analytische Profile

• Adaptation durch 2d-Rechnung

• Verwendung des adaptierten Profils als Rand- und Anfangsprofil

MISKAM – Stand und PerspektivenWinMISKAM-Benutzertreffen – 24. April 2007 – Garmisch-Partenkirchen

RandprofileRandprofile

MISKAM – Stand und PerspektivenWinMISKAM-Benutzertreffen – 24. April 2007 – Garmisch-Partenkirchen

RandprofileRandprofile

• Ergebnisvergleich,Trefferquoten im Vergleich zumGesamtgebiet

Wind- Komponente

VerkleinertesGebiet

Verkleinertes Gebiet,

modifizierteProfile

u 70 % 77 %

v 67 % 73 %

w 60 % 75 %

MISKAM – Stand und PerspektivenWinMISKAM-Benutzertreffen – 24. April 2007 – Garmisch-Partenkirchen

RandprofileRandprofile

• CPU-Zeiten− Gesamtgebiet: 4000

sec− Verkleinertes Gebiet,

bisherige Initialisierung 1600 sec− Verkleinertes Gebiet,

modifizierte Randprofile 1370 sec