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PALM

Einleitung

PALM (Parallelized LES Model, Letzel et al., 2008) ist ein freies, quelloffenes LES-Modell zur Berechnung der turbulenten Strömung und Ausbreitung in Atmosphäre und Ozean. PALM basiert auf Fortran 95 und eignet sich aufgrund seiner guten Skalierungseigenschaften auf Großrechnern insbesondere für Berechnungen mit sehr vielen Gitterzellen (z.B. Stadtquartier). PALM wird seit 1997 kontinuierlich von Prof. Siegfried Raasch am Institut für Meteorologie und Klimatologie der Leibniz Universität Hannover gepflegt und weiterentwickelt. Der Mitarbeiter Dr. Marcus Letzel war als Mitglied der PALM Arbeitsgruppe in den Jahren 1999-2009 aktiv an der Modellentwicklung beteiligt, insbesondere am Quellcode für die Gebäudeumströmung.

Anwendungsbeispiel

Für die Berechnung der zeitabhängigen urbanen Strömungs- und Turbulenzfelder in einem Stadtquartier hat das Büro Lohmeyer 2011/2012 erstmals in einem Projekt das LES-Modell PALM genutzt.

Ziel des vom Bundesamt für Bevölkerungsschutz und Katastrophenhilfe (BBK) geförderten Forschungsprojektes war die Entwicklung eines Werkzeugs zur Optimierung der Einsatzsteuerung bei Gefahrstofffreisetzungen in Stadtgebieten (Leitl et al., 2012). Auf Basis einer Modellkette des Naval Research Laboratory (NRL) haben die Universität Hamburg, das NRL und Hamburger Sicherheitsbehörden das Einsatzwerkzeug CT-Analyst entwickelt (Fischer et al., 2012). CT-Analyst benötigt als Eingangsdaten zeitabhängige LES-Strömungs- und Turbulenzfelder, die bislang vom LES-Modell FAST3D-CT des NRL stammen.

Das Büro Lohmeyer Büro hat im Rahmen einer Projekterweiterung gemeinsam mit der Universität Hannover und den o.g. Partnern untersucht, ob das deutsche LES-Modell PALM als alternativer Datenlieferant geeignet ist.

Dazu wurde in einer Blindstudie mit PALM eine LES für die Hamburger Innenstadt durchgeführt. An ausgewählten Profilpositionen wurden Strömungs- und Turbulenzdaten der PALM-Simulation mit Messdaten des Hamburger Windkanals sowie mit Simulationsdaten von FAST3D-CT verglichen (Abb. 1).


Abb. 1: Untersuchungsgebiet mit Profilpositionen (Leitl et al. 2012).

Im Sinne der besseren Vergleichbarkeit der Ergebnisse wurde das Set-up der beiden LES-Modelle harmonisiert, insbesondere die Gitterweite im Untersuchungsgebiet (2.5 m) sowie die Länge der LES-Zeitreihen (6.5 h). Unterschiede ergaben sich u.a. dadurch, dass nur das PALM-Rechengebiet (7680 m x 3840 m x 577 m) ähnlich dem Windkanal in Richtung des mittleren Windes (235°) gedreht und verlängert wurde.

Verglichen wurden Vertikalprofile (Windgeschwindigkeitskomponenten, (Ko-)Varianzen), Windrosen und Spektren. Exemplarisch zeigt Abb. 2 Vergleichsprofile ausgewählter Größen an verschiedenen Profilpositionen. Der Vergleich zeigt erwartungsgemäß eine bessere Übereinstimmung der mittleren Geschwindigkeitskomponenten (Abb. 2 a, b) im Vergleich zu den Turbulenzgrößen höherer Ordnung (Abb. 2 c). Die Ergebnisgüte beider LES-Modelle ist insgesamt mit dem Windkanal vergleichbar. Dies gilt auch für den Vergleich von Windrosen und Spektren (nicht gezeigt).


Abb. 2: Normierte, zeitlich gemittelte Vertikalprofile a) der U-Komponente, b) der V-Komponente und c) der Varianz σu (Leitl et al. 2012). Windkanalergebnisse sind mit schwarzen Kreisen mit Konfidenzintervall, LES-Ergebnisse mit grauem + (FAST3D-CT) bzw. grünem x (PALM) markiert.

Von den Projektpartnern wurde das Fazit gezogen, dass PALM grundsätzlich gleichwertige Simulationsergebnisse liefert, die zur Erstellung weiterer Versionen des Einsatztools geeignet sind. Dies eröffnet die Perspektive einer Nutzung von PALM als "virtuellem Windkanal", speziell für Anwendungen in kleineren Stadtquartieren. Mit der im Haus verfügbaren Hardware ist das Büro Lohmeyer in der Lage, eine PALM-Simulation mit Gebäudeumströmung für ein Unter­suchungs­gebiet der Größe von 300 m x 300 m zuzüglich "Kragen" mit einer Gitterweite von ca. 1.5 m mit einer Rechenzeit von wenigen Tagen pro Windrichtung durchzuführen.

Anwendungsszenarien

Anwendungsszenarien für LES-Rechnungen mit PALM sind beispielsweise Windkomfortstudien für Stadtquartiere (siehe Letzel et al., 2012, Keck et al. 2014). Animationen zu urbanen LES-Rechnungen mit PALM können auf der Seite http://palm.muk.uni-hannover.de/wiki/gallery/movies/city angesehen und heruntergeladen werden.

Kooperationen

  • Prof. Siegfried Raasch, Leibniz Universität Hannover, Institut für Meteorologie und Klimatologie
  • Prof. Bernd Leitl, Universität Hamburg, Windkanal am Meteorologischen Institut
  • Dr. Antti Hellsten, Finnish Meteorological Institute

Projekte

  • Entwicklung eines Werkzeugs zur Optimierung der Einsatzsteuerung bei Gefahrstofffreisetzungen in Stadtgebieten. (BBK Förderkennzeichen BBK III.1-413-10-364) in Kooperation mit Prof. Raasch, Prof. Leitl und Dr. Gopal Patnaik.
  • COST Action ES1006 in Kooperation mit Dr. Hellsten.

Literatur

  • Fischer, S., Rechenbach, P., Storm, K., Schatzmann, M., Leitl, B., Hertwig, D., Harms, F., Patnaik, G., Boris, J. (2012): Mit CT-Analyst im Störfall­einsatz "vor die Lage kommen". Bevölkerungsschutz 2/2012, 18-25.
  • Keck, M., Raasch, S., Letzel, M. und Ng, E. (2014): High Resolution Large-Eddy Simulations of the Atmospheric Boundary Layer in Macau. 6th International Symposium on Computational Wind Engineering (CWE 2014), 8-12 June 2014, Hamburg, Germany.
  • Leitl, B., Hertwig, D., Harms, F. und Schatzmann, M. (2012): Entwicklung eines Werkzeugs zur Optimierung der Einsatzsteuerung bei Gefahrstofffreisetzungen in Stadtgebieten. Schlussbericht zum Forschungsvorhaben BBK III.1-413-10-364.
  • Letzel, M. O., Krane, M., Raasch, S. (2008): High resolution urban large-eddy simulation studies from street canyon to neighbourhood scale. Atmos. Env., 42, 8770-8784.
  • Letzel, M. O., Helmke, C., Ng, E., An, X., Lai, A., Raasch, S. (2012): LES case study on pedestrian level ventilation in two neighbourhoods in Hong Kong. Meteorol. Z. 21, 575-589.

Quelle

Diese Seite ist eine erweiterte Version basierend auf einem Beitrag in der Hauszeitung "LOHMEYER aktuell", Ausgabe Nr. 28 vom Dezember 2012.

Für Fragen steht Ihnen Herr Dr. rer.nat. Marcus Letzel unter Tel. 0721 / 62510-25 oder per E-Mail unter info.ka(at)lohmeyer.de zur Verfügung.