Simulation of turbulence in the convective planetary boundary layer

• Thesis title in Czech: Simulace turbulence v konvektivní mezní vrstvě atmosféry
• Thesis title in English: Simulation of turbulence in the convective planetary boundary layer
• Key words: konvekce|mezní vrstva atmosféry|simulace velkých vírů|simulace
• English key words: convection|planetary boundary layer|large eddy simulation|simulation
• Academic year of topic announcement: 2021/2022
• Thesis type: Bachelor's thesis
• Thesis language: angličtina
• Department: Department of Atmospheric Physics (32-KFA)
• Supervisor: Mgr. Vladimír Fuka, Ph.D.
• Author: Bc. Martin Hostačný - assigned and confirmed by the Study Dept.
• Date of registration: 18.10.2021
• Date of assignment: 18.10.2021
• Confirmed by Study dept. on: 29.10.2021
• Date and time of defence: 07.09.2022 09:00
• Date of electronic submission: 21.07.2022
• Date of submission of printed version: 21.07.2022
• Date of proceeded defence: 07.09.2022
• Opponents: Mgr. Michal Belda, Ph.D.

Guidelines

Cílem práce je seznámit se s modelem ELMM (Extended Large Eddy Microscale Model - https://bitbucket.org/LadaF/elmm) vyvinutým na KFA MFF a s metodou simulace velkých vírů (large eddy simulation - LES) a jejím použitím pro konvektivní mezní vrstvy. Pomocí modelu simulovat děje v konvektivní mezní vrstvě atmosféry nad plochým a zjednodušeným pravidelně zvlněným terénem. Provést kontrolu konvergence výsledků se zvětšovaným rozlišením výpočetní sítě a případné závislosti na volbě řádu diskretizace a modelu podměřítkové turbulence. Porovnat výsledné profily rychlosti větru, teploty, vlhkosti a turbulentních toků s různými vstupními parametry mezi sebou a s teoretickými modely a měřeními na základě teorie podobnosti. Vyhodnotit vliv terénu na proudění v mezní vrstvě a popsat sekundární proudění vyvolané terénem.

References

Conzemius, Fedorovich, Dynamics of Sheared Convective Boundary Layer Entrainment.Part I: Methodological Background and Large-Eddy Simulations, JAS 63(4), 2006.

Sullivan, Patton, Aspects of the convective boundary layer structure over complex terrain, JAS 68(10), 2011.

Avissar, Schmidt, An Evaluation of the Scale at which Ground-Surface Heat Flux Patchiness Affects the Convective Boundary Layer Using Large-Eddy Simulations, JAS 55(16), 1998.

Bou-Zeid, Anderson, Katul, Mahrt, The Persistent Challenge of Surface Heterogeneity in Boundary-Layer Meteorology: A Review, Boundary-Layer Meteorology 177, 2020.



Stull, An Introduction to Boundary Layer Meteorology, Kluwer, 1988.

Aria, Introduction To Micrometeorology, Academic Press, 2001.

Nieuwstadt, Atmospheric Turbulence and Air Pollution Modelling, Reidel P.C., Dordrecht, 1982.

Další odborná časopisecká literatura podle doporučení vedoucího.

Preliminary scope of work

Simulace velkých vírů (LES) umožňuje simulovat turbulenci včetně její detailní prostorové i časové struktury. Turbulentní víry které lze popsat použitou výpočetní sítí jsou simulovány přímo a je možné sledovat jejich pohyb a statistické vlastnosti. Tento přístup k modelování turbulentního proudění vznikl právě pro výpočty v mezní vrstvě atmosféry a rozšířil se poté do všech oblastí výpočetní dynamiky tekutin (CFD). Příkladem vizualizace výpočtu konvektivní mezní vrstvy modelem CLMM je http://www.youtube.com/watch?v=d3lz4AV_aUI nebo http://www.youtube.com/watch?v=ZPoxsiDbxx0 . Úkolem práce bude naučit se s modelem pracovat a provést sérii výpočtů s různými vstupními parametry a zpracovat je dle zadání práce.

Přemětem práce by nemělo být programování, ale přesto je práce vhodná zejména pro zájemce pro budoucí vlastní práci na podobných modelech. Schopnost drobných úprav kódu bude prospěšná i v této práci.

Preliminary scope of work in English

Large eddy simulation (LES) allows simulation of atmospheric turbulence and its spatial and temporal structure. Turbulent vortexes larger than the filter scale are simulated directly and it is possible to observe their movement and statistical properties. This approach to modelling of turbulent flows originated in computational studies of the planetary boundary layer. Later it has spreaded to all areas of computational fluid dynamics (CFD). An example of computation of convective boundary layer by model CLMM can be found at http://www.youtube.com/watch?v=d3lz4AV_aUI or http://www.youtube.com/watch?v=ZPoxsiDbxx0 . The main aim of this thesis will be to become familiar with the model and make series of computations with different parameters and process them according to the thesis assignment.

The thesis is not focused on programming, but it is suited especially for students interested in future work on similar models. Ability to perform small adjustments to the code will be beneficial for this thesis.