SPP 1276:  Multiple Scales in Fluid Mechanics and Meteorology

• Subject Area: Thermal Engineering/Process Engineering ; Geosciences ; Mathematics ; Physics
• Term: from 2007 to 2016
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 25965762

• Final Report Year: 2016

Final Report Abstract

Das Ziel des SPP 1276 war es, ein für die numerische Strömungssimulation zentrales, konzeptionelles und bis heute im Wesentlichen offenes Problem auf die deutsche und internationale Forschungsagenda zu bringen und konkrete Lösungsansätze zu erarbeiten. Es besteht eine eklatante Diskrepanz zwischen gängigen Methoden der numerischen Mathematik zur approximativen Lösung partieller Differentialgleichungen einerseits und der modellierungstechnischen Realität der Strömungssimulation andererseits. Gängige numerische Verfahren beruhen auf dem Prinzip der Konvergenz von Approximationen im Limes hoher Auflösung. In der Praxis sind Auflösungen, die selbst eine nur grobe Annäherung an die Konvergenz erlauben, auch auf Supercomputern unerreichbar. Die Effekte von auf dem Rechengitter nicht darstellbaren Prozessen werden daher durch ad-hoc eingebundene Schließungen (Parameterisierungen) ersetzt. In der Konsequenz ergibt sich eine aus wissenschaftlicher Sicht unhaltbare Situation: Für die zur Strömungssimulation eingesetzten Rechenverfahren und -modelle gibt es keine theoretische Rechtfertigung. In Zusammenarbeit von ExpertInnen aus Meteorologie, Ingenieurwesen und angewandter Mathematik sollten neue Konzepte zur Überbrückung dieser konzeptionellen Lücke erarbeitet werden, die den Qualitätsstandards aller drei der beteiligten Disziplinen genügen sollten. Wie im folgenden dokumentiert, war das Programm insofern erfolgreich als es in Deutschland eine neue interdisziplinäre Brücke zwischen den drei beteiligten wissenschaftlichen Disziplinen schlagen konnte; als es international eine klare Vorreiterrolle einnahm; als es eine Kohorte von NachwuchswissenschaftlerInnen trainiert hat, die die neue interdisziplinäre Kooperation nun weitertragen; als es eine Fülle für sich sehr interessanter und für die Bearbeitung des oben geschilderten Kernproblems höchst relevanter Experiment- und Simulationsdaten generiert hat und als es innovative neue Ansätze hervorbrachte, die vom technologischen Standpunkt her Beobachtungs- und Simulationsdaten und deren detaillierte Analyse in kohärenter Weise zusammenbringen. Einige Projekte haben sich der oben skizzierten Kernproblematik direkt gestellt und bemerkenswerte Ergebnisse und neue Konzepte hervorgebracht. Eine Vielzahl von Projekten haben insgesamt ebenfalls wichtige, aber enger fokussierte und eher inkrementelle Beiträge geleistet. Aus der persönlichen Sicht des Sprechers wurden im Verlauf der drei Begutachtungsprozesse mitunter Chancen zu weiterreichenden Innovationen vergeben, wenn pragmatischen, eher traditionell disziplinär ausgerichteten Projekten der Vorzug vor ambitionierteren, direkt auf die Mission des Schwerpunktes zielenden, dafür aber auch risikoreicheren Projekten gegeben wurde.

Publications

• Voxel space analysis of terrestrial laser scans in forests for wind field modelling, IAPRS XXXVIII, Part 5, 92-97, 2010
  Bienert, A., Queck, R., Schmidt, A., Bernhofer, C., Maas, H.-G.
  
• Measurement and simulation of a droplet population in a turbulent flow field, Comput. & Fluids, 66, 52-62, 2012
  Bordas, R., John, V., Schmeyer, E., Thevenin, D.
  
• Simultaneous PIV- and thermography measurements of partially blocked flow in a heated rotating annulus, Exp. Fluids, 52, 1077-1085, 2012
  Harlander, U., Wenzel, J., Alexandrov, K., Wang, Y., Egbers, C.
  
• Comparison between adaptive and uniform discontinuous Galerkin simulations in dry 2D buttle experiments, J. Comp. Phys, 235, 371-393, 2013
  Müller, A., Giraldo, F.X., Wirth, V.
  
• On the Accuracy of High Order Discretizations for Underresolved Turbulence Simulations, Theor. Comp. Fluid Dyn., 27, 221-237, 2013
  Gassner, G.J., Beck, A.D.
  
• Using a Moving Mesh PDE for Cell Centres to Adapt a Finite Volume Grid. Flow, Turbulence and Combustion, 90(4), 785- 812, 2013
  Hertel, C., Schümichen, M., Lang, J., Fröhlich, J.
  
• Entrainment and mixing at the interface of shallow cumulus clouds: Results from a combination of observations and simulations, Meteorol. Z., 23, 349-368, 2014
  Hoffmann, F., Siebert, H., Schumacher, J., Riechelmann, T., Katzwinkel, J., Kumar, B., Götzfried, P., Raasch, S.
  
• Error estimation and adaptive chemical transport modeling, Meteorol. Z., 23(4), 341-348, 2014
  Braack, M., Schlünzen, H., Taschenberger, N., Uphoff, M.
  
• Gravity Wave Emission in an Atmospherelike Configuration of the Differentially Heated Rotating Annulus Experiment. J. Fluid Mech., 758, 287-311, 2014
  Borchert, S., Achatz U., Fruman, M.D.
  
• Modeling artifacts in the simulation of the sedimentation of raindrops with a Quadrature Method of Moments, Meteorol. Z., 23(4), 369-385, 2014
  Jasor, G., Wacker, U., Beheng, K.D., Polifke, W.
  
• On the theory of mass conserving transformations for Lagrangian methods in 3D atmospherechemistry models, Meteorol. Z., 23, 441-447, 2014
  Grewe, V., Brinkop, S., Jöckel, P., Shin, S., Reich, S., Yserentant, H.
  
• Controlling entrainment in stratocumulus clouds using level set-based front tracking, Meteorol. Z., 23, 661-674, 2015
  Dietze, E., Mellado, J.P., Stevens, B., Schmidt, H.
  
• Goal-oriented adaptivity for idealised tropical cyclones: A binary interaction scenario, Meteorol. Z., 2015
  Baumann, M., Heuveline, V., Scheck, L., Jones, S.C.
  
• Large-scale turbulence modelling via α-regularisation for atmospheric simulations, Journal of Turbulence, 16(4), 367-391, 2015
  Aizinger, V., Korn, P., Giorgetta, M., Reich, S.
  
• Semi-convection in the ocean and in stars: A multi-scale analysis, Meteorol. Z., 24(3), 343-358, 2015
  Kupka, F., Losch, M., Zaussinger, F., Zweigle, T.