Entwicklung und Eigenschaften von Staubteufeln in konvektiven Grenzschichten - Vergleichende Untersuchungen mittels DNS/LES und Laborexperimenten

• Antragsteller: Privatdozent Dr.-Ing. Ronald du Puits; Professor Dr. Siegfried Raasch
• Fachliche Zuordnung: Physik und Chemie der Atmosphäre
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 387703749

In der bodennahen atmosphärischen Grenzschicht bilden sich in flachem Terrain unter konvektiven Bedingungen häufig intensive Wirbel mit vertikaler Achse. Diese sind unter dem Namen Staubteufel bekannt und es wird vermutet, dass sie signifikant zur Produktion von kontinentalem Aerosol beitragen. Über den Ursprung und die Eigenschaften dieser atmosphärischen Wirbel ist bis heute immer noch sehr wenig bekannt. In ihrer natürlichen Umgebung sind sie messtechnisch nur sehr schwierig zu erfassen, da stationäre Sensoren nur eine ungenügende Datenbasis liefern und Fernerkundungsverfahren eine zu geringe Auflösung haben. Für die numerische Simulation derartiger Strukturen werden Modelle benötigt, die einerseits die großen Skalen der atmosphärischen Grenzschicht, aber andererseits auch die kleinen Skalen der dissipativen Prozesse abbilden. Dies war bis heute noch nicht möglich, obwohl in Large Eddy Simulationen (LES) mittlerweile Simulationsgebiete mit mehr als einer Milliarde Gitterpunkten und 2 m Gitterweite berechnet werden können. Ziel des vorliegenden Projektes ist die Durchführung von systematischen numerischen Studien, die erstmalig von Laborexperimenten begleitet werden. Sie sollen die Mechanismen aufdecken, unter denen Staubteufel entstehen und wie sie zum vertikalen Transport von Wärme und Staub in der Atmosphäre beitragen. Auf der Basis des am Institut für Meteorologie und Klimatologie der Leibniz Universität Hannover entwickelten Simulationsmodells PALM (PArallelized LES Model) sollen sowohl LES als auch Direkte Numerische Simulationen (DNS) durchgeführt werden. Parallel dazu werden am Institut für Thermo- und Fluiddynamik der Technischen Universität Ilmenau Laborexperimente in dem acht Meter hohen und sieben Meter durchmessenden Konvektionsexperiment "Ilmenauer Fass" durchgeführt. In diesem klassischen Rayleigh-Bénard-Experiment, in dem eingeschlossene Luft von unten beheizt und von oben gekühlt wird (ähnlich wie in der Atmosphäre), wurden in der Vergangenheit unter bestimmten Bedingungen schon mehrfach intensive Wirbel mit vertikaler Achse beobachtet. Diese sollen im Rahmen des Projektes messtechnisch erfasst und charakterisiert werden. Die dabei gewonnenen Daten erlauben erstmalig einen Vergleich und eine Verifizierung der DNS in einem Bereich der Rayleighzahl bis 10^12. Die geplanten LES-Studien für eine atmosphärische Grenzschicht werden Rayleigh-Zahlen bis 10^18 erreichen und damit die Übertragbarkeit der Ergebnisse der DNS- und Laborexperimente auf die Atmosphäre gewährleisten. Zur Beseitigung derzeitig noch vorhandener Limitierungen in der numerischen Auflösung der Simulationen soll im oberflächennahen Bereich mittels eines Modellnesting-Verfahrens die Gitterweite bis auf 0.1 m reduziert werden. Ebenfalls gelöst werden soll das Problem der Identifizierung der sich bewegenden Wirbel innerhalb der extrem großen LES-Datensätze sowohl während der Entstehungsphase als auch im weiteren Verlauf ihrer Entwicklung/Fortbewegung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen