Diese Arbeit umfaßt theoretische und experimentelle Untersuchungen zu turbulenten Strömungs- und Ausbreitungsvorgängen in verschieden rauhen, natürlich gewachsenen Windkanalgrenzschichten (von hydraulisch glatt bis aerodynamisch vollrauh). Dabei werden ausgewählte turbulente Strömungs- und Ausbreitungsgrößen als Funktion der Rauhigkeit und der Höhe vorgestellt. Ferner wird mit den aus der Literatur bekannten kohärenten Strukturen eine bildhafte Vorstellung der physikalischen Vorgänge gegeben. Aus den umfangreichen Untersuchungen zum Strömungsfeld werden die Höhenprofile der mittleren Geschwindigkeit, der Turbulenzintensitäten, der turbulenten Schubspannung und der turbulenten Wirbelzähigkeit präsentiert. Genannt seien zwei wesentliche Ergebnisse: Erstens, es existiert eine einfache, theoretische Beziehung zwischen den Reynolds?schen Normalspannungen und der turbulenten Schubspannung. Beide sind durch den sogenannten Neigungswinkel miteinander gekoppelt. Dieser höhen- und rauhigkeitsabhängige Winkel, der durch eine Hitzdrahtmessung mit nur einer X-Sonde bestimmbar ist, charakterisiert die Ebene, auf der sich kohärente Strukturen stromabwärts bewegen. Zweitens, es besteht eine starke Diskrepanz zwischen integralen Längenmaßstäben der Turbulenz, die einerseits aus Autokorrelations- und andererseits aus 2-Punkt-Korrelationsmessungen ermittelt werden. Der Unterschied wird durch die Verletzung der Taylor-Hypothese in der turbulenten Scherschicht verursacht. Als Ergebnis folgt, daß statt der mittleren Strömungsgeschwindigkeit die sogenannte Wirbeltransportgeschwindigkeit zur Umrechnung von Längen- und Zeitmaßstäben verwendet werden muß. Weiterhin wird die Ausbreitung eines passiven Tracergases im Nachlauf einer horizontal ausblasenden Punktquelle untersucht. Die turbulenten Massenflüsse werden direkt gemessen. Damit wird einerseits das Problem der Vernachlässigung des in Ausbreitungsrichtung liegenden turbulenten Massenflusses gegenüber dem konvektiven Transport untersucht, und andererseits werden mittels der Boussinesq-Approximation die turbulenten Diffusionsparameter als Funktion der Höhe berechnet. Ferner werden theoretische Beziehungen, die das Nah- und Fernfeld berücksichtigen, sowohl für die turbulenten Diffusionsparameter als auch für die räumlichen Ausbreitungsparameter hergeleitet und mit den experimentellen Ergebnissen verglichen. Schließlich wird aus dem Verhältnis der turbulenten Diffusionsparameter für den Impuls- und Stoffaustausch die turbulente Schmidt-Zahl berechnet, die keine, wie in der Literatur oft angenommene, Konstante ist, sondern stark über der Höhe variiert.

In this work the model ASAM is enriched with new eddy viscosity based dynamic Smagorinsky subgrid-scale models. Therefore the model is more physically based to study atmospheric flow configurations at several atmospheric scales with main focus to urban scale flow with building-resolved resolution. The implemented dynamic procedures work well and showed good agreement to literature data. In a convective atmospheric boundary layer (ABL) the dynamic Smagorinsky coefficient reaches maximum values of 0.15 and decreases towards the surface or in stable stratified flow regimes. Vertical profiles of the Smagorinsky coefficient in a diurnal cycle of ABL depict typical behaviour of the dynamic Smagorinsky coefficient in near surface flow, free-stream, or stable stratified flow. Furthermore a modified inflow generation approach is proposed to produce fully turbulent flow fields. To modify a mean flow turbulent fluctuations are generated by superposition of sinusoidal and cosinesoidal modes. Due to the implementation of this inflow method the model ASAM has the ability to reproduce a given wind field with information from its mean wind speed and their fluctuation energy spectrum. The model configuration developed in this work is able to reproduce flow structure in a complex urban geometry. The Mock Urban Setting Test (MUST) experiment represent an urban roughness geometry by placing 120 shipping containers ordinary arranged in an array. The used building-resolved resolution is able to capture dynamic flow structures like specific wake flow, recirculation regions or eddy detachment. The dynamic fluctuating behaviour of the wind velocity components is reproduced by the model with regard to peak magnitudes and their temporal occurrence. Satisfying agreement is found between tracer gas dispersion field measurements and the model results by capturing the fluctuating concentration magnitude and in some extend the mean values.

Diese Arbeit umfaßt theoretische und experimentelle Untersuchungen zu turbulenten Strömungs- und Ausbreitungsvorgängen in verschieden rauhen, natürlich gewachsenen Windkanalgrenzschichten (von hydraulisch glatt bis aerodynamisch vollrauh). Dabei werden ausgewählte turbulente Strömungs- und Ausbreitungsgrößen als Funktion der Rauhigkeit und der Höhe vorgestellt. Ferner wird mit den aus der Literatur bekannten kohärenten Strukturen eine bildhafte Vorstellung der physikalischen Vorgänge gegeben. Aus den umfangreichen Untersuchungen zum Strömungsfeld werden die Höhenprofile der mittleren Geschwindigkeit, der Turbulenzintensitäten, der turbulenten Schubspannung und der turbulenten Wirbelzähigkeit präsentiert. Genannt seien zwei wesentliche Ergebnisse: Erstens, es existiert eine einfache, theoretische Beziehung zwischen den Reynolds?schen Normalspannungen und der turbulenten Schubspannung. Beide sind durch den sogenannten Neigungswinkel miteinander gekoppelt. Dieser höhen- und rauhigkeitsabhängige Winkel, der durch eine Hitzdrahtmessung mit nur einer X-Sonde bestimmbar ist, charakterisiert die Ebene, auf der sich kohärente Strukturen stromabwärts bewegen. Zweitens, es besteht eine starke Diskrepanz zwischen integralen Längenmaßstäben der Turbulenz, die einerseits aus Autokorrelations- und andererseits aus 2-Punkt-Korrelationsmessungen ermittelt werden. Der Unterschied wird durch die Verletzung der Taylor-Hypothese in der turbulenten Scherschicht verursacht. Als Ergebnis folgt, daß statt der mittleren Strömungsgeschwindigkeit die sogenannte Wirbeltransportgeschwindigkeit zur Umrechnung von Längen- und Zeitmaßstäben verwendet werden muß. Weiterhin wird die Ausbreitung eines passiven Tracergases im Nachlauf einer horizontal ausblasenden Punktquelle untersucht. Die turbulenten Massenflüsse werden direkt gemessen. Damit wird einerseits das Problem der Vernachlässigung des in Ausbreitungsrichtung liegenden turbulenten Massenflusses gegenüber dem konvektiven Transport untersucht, und andererseits werden mittels der Boussinesq-Approximation die turbulenten Diffusionsparameter als Funktion der Höhe berechnet. Ferner werden theoretische Beziehungen, die das Nah- und Fernfeld berücksichtigen, sowohl für die turbulenten Diffusionsparameter als auch für die räumlichen Ausbreitungsparameter hergeleitet und mit den experimentellen Ergebnissen verglichen. Schließlich wird aus dem Verhältnis der turbulenten Diffusionsparameter für den Impuls- und Stoffaustausch die turbulente Schmidt-Zahl berechnet, die keine, wie in der Literatur oft angenommene, Konstante ist, sondern stark über der Höhe variiert.

In this work the model ASAM is enriched with new eddy viscosity based dynamic Smagorinsky subgrid-scale models. Therefore the model is more physically based to study atmospheric flow configurations at several atmospheric scales with main focus to urban scale flow with building-resolved resolution. The implemented dynamic procedures work well and showed good agreement to literature data. In a convective atmospheric boundary layer (ABL) the dynamic Smagorinsky coefficient reaches maximum values of 0.15 and decreases towards the surface or in stable stratified flow regimes. Vertical profiles of the Smagorinsky coefficient in a diurnal cycle of ABL depict typical behaviour of the dynamic Smagorinsky coefficient in near surface flow, free-stream, or stable stratified flow. Furthermore a modified inflow generation approach is proposed to produce fully turbulent flow fields. To modify a mean flow turbulent fluctuations are generated by superposition of sinusoidal and cosinesoidal modes. Due to the implementation of this inflow method the model ASAM has the ability to reproduce a given wind field with information from its mean wind speed and their fluctuation energy spectrum. The model configuration developed in this work is able to reproduce flow structure in a complex urban geometry. The Mock Urban Setting Test (MUST) experiment represent an urban roughness geometry by placing 120 shipping containers ordinary arranged in an array. The used building-resolved resolution is able to capture dynamic flow structures like specific wake flow, recirculation regions or eddy detachment. The dynamic fluctuating behaviour of the wind velocity components is reproduced by the model with regard to peak magnitudes and their temporal occurrence. Satisfying agreement is found between tracer gas dispersion field measurements and the model results by capturing the fluctuating concentration magnitude and in some extend the mean values.:1 Introduction 1 2 Fundamentals of Large-Eddy Simulation in atmospheric boundary layers 7 2.1 The atmospheric boundary layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.2 Atmospheric turbulence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.3 Basic equations of LES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 3 Subgrid-scale modelling 15 3.1 Eddy viscosity subgrid-scale models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 3.1.1 Smagorinsky subgrid-scale model . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3.1.2 Dynamic Smagorinsky subgrid-scale model . . . . . . . . . . . 18 3.1.3 Scale-dependent dynamic Smagorinsky subgrid-scale model . . 23 3.2 Implementation in the All Scale Atmospheric Model (ASAM) . . . . . 26 3.2.1 General description of ASAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.2.2 Subgrid-scale modelling in ASAM . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.3 Applications to meteorological situations . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.3.1 Stable and unstable stratified atmospheric boundary layers . . 37 3.3.2 Flow over periodic sinusoidal hill . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4 Generation of turbulent inflow conditions 51 4.1 The necessity of turbulent inflow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4.2 Synthetic turbulent inflow generation method . . . . . . . . . . . . . 53 4.3 Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 4.4 2D simulation results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 5 Mock Urban Setting Test Experiment (MUST) 65 5.1 Micro-scale urban simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 5.2 Description of the experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 5.3 Wind tunnel measurenments of MUST . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 5.4 Numerical MUST simulation with ASAM . . . . . . . . . . . . . . . . 72 5.4.1 Choice of initial condition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 5.4.2 Results of simulating case 2682353 . . . . . . . . . . . . . . . 81 5.4.3 Results of simulating case 2681829 . . . . . . . . . . . . . . . 98 5.4.4 Case resume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 6 Summary and outlook 111 6.1 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 6.2 Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 7 Bibliography 117 List of Figures 127 List of Tables 135 Acronyms 137 Nomenclature 139 Acknowledgement 143 List of Publications 145