PDF-Version-A +A

Numerische Modelle

Zur Bearbeitung von Fragestellungen in den Bereichen Luftreinhaltung und Klimatologie verfügen wir über eine breite Palette numerischer Modelle. Diese erlauben es uns, entsprechend der jeweiligen Aufgabenstellung und unter Berücksichtigung der natürlichen Gegebenheiten im Untersuchungsgebiet die Ausbreitungsvorgänge in der Atmosphäre sowie bestimmte klimatische Prozesse mit der erforderlichen Genauigkeit zu simulieren und auszuwerten.

Lagrange-Modelle für Ausbreitungsrechnungen in topografisch gegliedertem und bebautem Gelände

Das Lagrange'sche Ausbreitungsmodell AUSTAL2000 (Umweltbundesamt) gestattet die Durchführung von Ausbreitungsrechnungen nach TA Luft 2002 (siehe: http://www.umweltbundesamt.de/luft/infos/gesetze/gesetze_pdf/TALuft_Stan...) bzw. Richtlinie VDI 3944/3. Mit AUSTAL2000 ist es möglich, innerhalb des von der TA Luft vorgegebenen Gültigkeitsbereiches die Schadstoffausbreitung von Punkt-, Linien- und Flächenquellen in ebenem sowie topografisch gegliedertem Gelände auch unter Berücksichtigung des Einflusses von Gebäude zu berechnen. Es kann die Ausbreitung von Gasen, Stäuben sowie von Geruchsstoffen unter Berücksichtigung von Tages- und Jahresgängen der Emissionen simuliert werden. AUSTAL2000 modelliert die thermische und impulsinduzierte Fahnenüberhöhung entsprechend den in den Richtlinien VDI 3782/3, VDI 3784/2 und VDI 3945/3 beschriebenen Methoden.

In Fällen, in denen die Voraussetzungen für den Einsatz von AUSTAL2000 nicht erfüllt sind, besteht die Möglichkeit, Ausbreitungsrechnungen mit Hilfe des Lagrange'schen Ausbreitungsmodells LASAT (Büro Janicke) durchzuführen. Dieses ist in der Lage, komplizierte Quellbedingungen, trockene und nasse Deposition sowie auch chemische und radioaktive Umwandlungen zu berücksichtigen. Es können sowohl Einzelfälle gerechnet als auch Statistiken erstellt werden. Für derartige Rechnungen ist es notwendig, ein mit der gegebenen Topografie konsistentes Windfeld zur Verfügung zu haben, welches auch eventuell vorhandene Bebauung berücksichtigt. Dieses kann mit dem in LASAT integrierten diagnostischen Windfeldmodell erzeugt werden. Es können jedoch auch von anderen Strömungsmodellen berechnete Windfelder in LASAT verwendet werden, beispielsweise von DIWIMO, KALM, METRAS-PC oder MISKAM (s. u.).

Mikroskaliges prognostische Strömungs- und Ausbreitungsmodell für Ausbreitungsrechnungen im Einflussbereich von Gebäuden

Für Untersuchungen in bebautem Gelände wird das Modell MISKAM (Eichhorn, Uni Mainz) verwendet. MISKAM ist ein dreidimensionales, prognostisches Strömungs- und Ausbreitungsmodell zur kleinräumigen Prognose von Windverteilungen und Schadstoffkonzentrationen in der Umgebung von Einzelgebäuden sowie in Straßen bis hin zu ganzen Stadtteilen. Es ermöglicht die explizite Behandlung von Gebäuden in Form von rechtwinkligen Blockstrukturen, sodass die Besonderheiten des Strömungsgeschehens in der Umgebung von Gebäuden realistisch modelliert werden können. Auch hierbei ist neben der Betrachtung von Einzelsituationen die Berechnung von (Jahres-)Statistiken möglich.

Modell für Ausbreitungsrechnungen von Autoabgasen in unbebautem und bebautem Gelände

Die Ausbreitung der von einem Netz von Straßen freigesetzten Schadstoffe können mit dem Programmsystem PROKAS (Büro Lohmeyer) berechnet werden. Je nach Problemstellung und Beschaffenheit des Untersuchungsgebietes wird mit Hilfe eines Gauß-, Lagrange- oder mikroskaligen Modells die Ausbreitung der Emissionen eines gegebenen Straßennetzes simuliert. Unter Einbeziehung der Auftretenshäufigkeit aller möglichen Fälle der meteorologischen Verhältnisse sowie des Wochen- und Tagesgangs der Emissionen werden Jahresmittel- und Kurzzeitwerte der Schadstoffimmissionen ermittelt. PROKAS berücksichtigt u. a. die verkehrserzeugte Turbulenz, die Einflüsse von Lärmschutzwällen bzw. -wänden, Tunnelportalen, Bebauung und Kaltluftabflüssen.

Prognostische und diagnostische Windfeldmodelle

Neben dem prognostischen dreidimensionalen Modell METRAS-PC (Schlünzen, Uni Hamburg) und ProWiMo zur mesoskaligen Modellierung der Einflüsse der Orographie (= Geländerelief) und Landnutzung auf Windfelder wird das feiner auflösende diagnostische Windfeldmodell DIWIMO (Büro Lohmeyer) angewendet. Dieses Modell erlaubt die Berechnung eines der Topografie angepassten divergenzarmen Windfeldes. Die horizontale und vertikale Auflösung des zugrundeliegenden Rechengitters ist frei wählbar und kann der zu untersuchenden Situation angepasst werden. Mit DIWIMO und METRAS-PC können synthetische Windstatistiken für Standorte, in deren Nähe keine Messungen vorliegen, erstellt werden. Um flächenhafte Informationen über das Windfeld zu erhalten, lassen sich auch sogenannte "Windrosenbeete" berechnen.

Kaltluftabflussmodell

Bei Fragen der Durchlüftung und der Schadstoffausbreitung können Kaltluftabflüsse eine bedeutende Rolle spielen. Zu deren Untersuchung steht das Kaltluftabflussmodell KALM (Büro Lohmeyer) zur Verfügung. Nach Vorgabe der Orographie sowie der Landnutzung berechnet das Modell die Strömungsgeschwindigkeit, die Schichtdicke und den Volumenstrom der Kaltluft auf einem vorgegebenen Rechengitter, dessen Maschenweite frei wählbar ist. Es ist weiterhin möglich, genestete Rechengitter zu verwenden (nesting). Mit dem Modell können die in Strahlungsnächten auftretenden Kaltluftabflüsse und -staus bestimmt werden und somit die Auswirkungen von Baumaßnahmen auf den Kaltluftabfluss bereits im Planungsstadium abgeschätzt werden.

Beschattungsmodell

Bei der Planung von Baumaßnahmen stellt sich oft die Frage nach der Änderung der Besonnungsverhältnisse bzw. nach der Erfüllung einschlägiger Beurteilungskriterien. Diese Fragen können mit Hilfe des Beschattungsmodells SHADOW (Bruse, Uni Mainz) bearbeitet werden. Dieses Modell erlaubt es, beschattete Zonen bei gegebener Höhenverteilung und gegebenem Sonnenstand auf einer Karte darzustellen. Es können auch Tages- oder Jahresstatistiken der Beschattung oder Horizontogramme erstellt werden.

Mikroklimatisches Modell

Für mikroklimatische Untersuchungen wird das dreidimensionale Stadtklimamodell ENVI-met (Bruse, Uni Mainz) eingesetzt. Die typischen Auflösungen betragen hierbei räumlich 50 cm bis 10 m und zeitlich 10 Sekunden. Die dreidimensionale Strömung im Bereich von Gebäuden wird ähnlich wie bei MISKAM berechnet. Darüber hinaus bestimmt ENVI-met die dreidimensionale Temperatur- und Feuchteverteilung und simuliert die Wirkung von verschiedenen Oberflächen (Boden, Wände) und Bewuchs auf die Temperaturverteilung und den Feuchtehaushalt.

CFD Modell

Für Simulationen der Strömungs- und der Konzentrationsverteilung bei komplexen geometrischen Strukturen wird das CFD-Modell PHOENICS eingesetzt. (CFD = Computational Fluid Dynamics). PHOENICS ("P"arabolic, "H"yperbolic "O"r "E"lliptic "N"umerical "I"ntegration "C"ode "S"eries) ist ein Programmsystem zur Simulation von Massen- und Wärmetransportvorgängen in Flüssigkeiten und Gasen. Es wurde mit dem Ziel entwickelt, die wohldefinierten physikalischen Gesetze der Fluidmechanik in Form eines zuverlässigen Standardprogramms für die numerische Simulation verfügbar zu machen. PHOENICS ist seit vielen Jahren in unserem Büro im Einsatz.

LES-Modelle

Für turbulenzauflösende bzw. wirbelauflösende Simulationen der zeitabhängigen Strömungs- und Konzentrationsverteilung ergänzen die LES-Modelle OpenFOAM (im LES-Modus) und PALM (Raasch, Uni Hannover) unser Leistungsspektrum. (LES = Large-eddy simulation, dt. auch Grobstruktursimulation). Dank ihrer Modellphysik sind LES-Modelle beispielsweise in der Lage, den Dachwirbel bei der Gebäudeumströmung aufzulösen. LES-Modelle liefern ähnlich dem Windkanal Zeitserien und Turbulenzstatistiken, sie können daher im Prinzip als "virtueller Windkanal" betrieben werden. Wie im Windkanal kann die mittlere Strömungs- und Konzentrationsverteilung durch Nachbearbeitung der Simulationsdaten (zeitliche Mittelung der LES-Zeitserien) gewonnen werden. Aufgrund des deutlich erhöhten Rechenaufwandes  im Vergleich zu konventionellen CFD-Modellen wie z.B. MISKAM eignen sich LES-Modelle v.a. für Einzelfallbetrachtungen.