Моделирование аэродинамики, тепломассопереноса и распространения частиц, аэрозолей и примесей в атмосферном пограничном слое

Для задач численного моделирования процессов распространения примеси в атмосферном пограничном слое (АПС) необходимы данные о распределении статистических характеристик поля скорости и температуры. В условиях конвективного (дневного) АПС на поведение облака примеси определяющее влияние оказывает асимметрия турбулентных пульсаций вертикальной скорости, поэтому модель турбулентности АПС должна адекватно предсказывать не только средние и вторые моменты тепловых и гидродинамических полей, но и корреляции третьего порядка. Однако, часто используемые в практике вычислений модели турбулентности второго порядка замыкания не позволяют получить распределения последних в соответствии с данными измерений. В частности, величина асимметрии вертикальных пульсаций скорости, вычисленная с использованием градиентных моделей третьих моментов, отрицательна в нижней части АПС, в то время как эксперимент фиксирует ее положительное значение по всей высоте перемешанного слоя. Правильное описание последней позволяют получить модели третьего порядка замыкания. Однако, существующие модели третьего порядка слишком громоздки и их численная реализация требует значительных затрат компьютерных ресурсов. По этой причине, не смотря на рост производительности компьютеров и активное применение алгоритмов распараллеливания в многопроцессорных системах, базовыми моделями турбулентности в коммерческих кодах остаются модели не выше второго порядка замыкания.

В ходе выполнения проекта представлена модель второго порядка замыкания для описания суточной эволюции АПС, позволяющая предсказать распределения первых, вторых и третьих моменты турбулентных полей скорости, температуры и влажности в согласии с данными измерений с точностью не хуже, чем дают модели третьего порядка. В условиях дневного (конвективного) АПС модель предсказывает распределение не только средних и вторых моментов, но и тройных корреляций. В условиях ночного АПС модель воспроизводит формирование приземного струйного ветра в утренние часы и эффект сильного подавления турбулентных пульсаций в перемешанном слое. По своей структуре, численной реализации и затратам компьютерных ресурсов представленная модель существенно выигрывает по сравнению с моделями третьего порядка замыкания. При этом она позволяет воспроизвести структуру АПС не хуже последних и может быть использована в моделях распространения примесей и задачах микрометеоролигии.

Проведено численное моделирование с помощью T-RANS и алгебраической модели с тремя дополнительными уравнениями для исследования суточной эволюции АПС и распространия примесей и влажности для реальной топографии окрестностей г. Красноярска в условиях устойчивой температурной стратификации при слабом ветре.

Рис.1 Рассчитанные с помощью метода T-RANS изоповерхности концентрации примеси над рельефом г.Красноярска в условиях устойчивой температурной стратификации при слабом ветре для слоя инверсии высотой 1км. Источники примеси: Красноярский алюминиевый завод, ТЭЦ, а также улицы города.

Публикации:

  1. Илюшин Б.Б. Моделирование суточной эволюции атмосферного пограничного слоя // Изв. АН, Физика атмосферы и океана 2013 (направлена для публикации)
  2. B.B.Ilyushin. Higher moment diffusion in stably stratified and swirled flows. In Closure strategies for turbulent and transitional flows. Ed. B.E.Launder & N.D.Sandham. Cambridge University Press 2001, p.424-448.
  3. Илюшин Б.Б., Курбацкий А.Ф. К моделированию тройных корреляций в конвективном атмосферном пограничном слое // Изв. АН, Физика атмосферы и океана, 1998, т. 34, № 6, с. 640-644.
  4. Илюшин Б.Б., Курбацкий А.Ф. Новые модели для вычисления моментов третьего порядка в планетарном пограничном слое // Изв. АН, Физика атмосферы и океана, 1998, т. 34, № 6, с. 772-781.