Bestimmung und Parametrisierung des Druckwiderstands an Hindernissen in der atmosphärischen Grenzschicht:
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| Format: | Hochschulschrift/Dissertation Buch |
| Sprache: | Deutsch |
| Veröffentlicht: |
Offenbach am Main
Selbstverl. des Dt. Wetterdienstes
1994
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191 |
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Autor: Emeis, Stefan
Jahr: 1994
Inhaltsverzeichnis
1 Erstes Kapitel: Einleitung 1
2 Zweites Kapitel: Bisherige Arbeiten 9
2.1 Historische Betrachtungen..................... 9
2.2 Messungen.............................. 14
2.3 Analytische Modelle ........................ 14
2.4 Numerische Modelle ........................ 15
2.5 Weitere theoretische Arbeiten................... 17
3 Drittes Kapitel: Berechnung des Druckwiderstands 19
3.1 Bezeichnungen............................ 19
3.2 Definition des Druckwiderstands.................. 20
3.3 Bestimmung der wesentlichen dimensionslosen Maßzahlen .... 23
3.4 Skalenanalyse der Bewegungsgleichung.............. 25
3.4.1 Haushaltsgleichung für den Horizontalimpuls im Kontroll-
volumen ........................... 25
3.4.2 Skalierung der Haushaltsgleichung............. 30
3.4.3 Weitere Parameterabhängigkeiten, die nicht aus der Be-
wegungsgleichung allein abgeleitet werden können .... .31
3.5 Berechnung der einzelnen Komponenten des Druckwiderstands
aus den numerischen Simulationen................. ?2
3.5.1 Wellenwiderstand...................... 33
3.5.2 Hydrostatischer Widerstand......;......... 33
3.5.3 Formwiderstand....................... 34
4 Viertes Kapitel: Druckverteilung auf der Hindernisoberfläche 35
4.1 Analytische Betrachtungen..................... 35
4.1.1 Theorie der dünnen Tragflächen.............. 35
4.1.2 Asymptotische linearisierte Lösung der Bewegungsgleichun-
gen .............................. 37
4.2 Numerische Simulationen mit KAMM2D............. 41
4.2.1 Vergleich zur asymptotischen Lösung der Bewegungsglei-
chungen ........................... 41
4.2.2 Unterschied zwischen Bergen und Tälern......... 44
4.3 Gegenseitige Beeinflußung mehrerer Hindernisse......... 46
4.3.1 Beschreibung über die Diffusion von negativem Impuls . 49
4.3.2 Beschreibung über die Balance von vertikalem Impulstrans-
port und horizontalem Impulsverlust........... 51
5 Fünftes Kapitel: Druckwiderstand bei neutraler Schichtung 55
5.1 Druckwiderstand eines Einzelhindernisses............. 55
5.1.1 Abhängigkeit von H/L................... 55
5.1.2 Abhängigkeit von Ret und Ro0 .............. 57
5.1.3 Abhängigkeit von Rot ................... 60
5.1.4 Abhängigkeit von der Grenzschichtdicke d........ 63
5.1.5 Schlußfolgerungen zum Widerstand am Einzelhindernis . 63
5.2 Druckwiderstand von Hindernisensembles............. 65
5.2.1 Sinusförmige Topographie................. 65
5.2.2 Komplexes Terrain durch Überlagerung sinusförmiger To-
pographien ......................... 71
5.2.3 Schnitt durch den Schwarzwald mit unterschiedlicher räum-
licher Auflösung....................... 72
6 Sechstes Kapitel: Druckwiderstand bei nicht-neutraler Schich-
tung 77
6.1 Druckwiderstand eines Einzelhindernisses bei schwacher Abwei-
chung von der neutralen Schichtung................ 78
6.2 Druckwiderstand eines Hindernisses bei stabiler Schichtung mit
Bildung von Schwerewellen..................... 81
6.2.1 Analytische Überlegungen................. 81
6.2.2 Stationäre Anströmung eines Einzelhindernisses..... 82
6.2.3 Interferenz von Schwerewellen an zwei Hindernissen ... 84
6.3 Druckwiderstand von Hindernisensembles ohne Anregung von. Schwe-
rewellen ............................... 86
7 Siebentes Kapitel: Parametrisierung des Druckwiderstands 91
7.1 Widerstandsgesetze der atmosphärischen Grenzschicht...... 91
7.2 Einführung der effektiven Rauhigkeitslänge............ 93
7.3 Empirische Bestimmung der Rauhigkeitslänge.......... 95
7.4 Berechnung der effektiven Rauhigkeitslänge............ 97
7.4.1 Prandtl-Schicht Ansatz................... 99
7.4.2 Ekman-Schicht Ansatz ................... 100
7.4.3 Vereinfachter Ekman-Schicht Ansatz........... 101
7.5 Parametrisierung des Druckwiderstands in der Ekman-Schicht . 102
7.6 Prinzipielle Einschränkungen für zOeff .............. 112
7.7 Berücksichtigung einer Verdrängungsdicke............ 113
8 Achtes Kapitel: Schlußbemerkungen 119
A Anhang A: Das numerische Modell KAMM 125
A.l Beschreibung des Modells ..................... 125
A.2 Stationäre Lösungen des numerischen Modells.......... 127
A.3 Einfluß der Hindernisneigung auf den Druckwiderstand und die
Strömungsablösung......................... 131
A.4 Die mittlere Neigung als Bifurkationsparameter......... 134
A.5 Schlußfolgerungen für die Parametrisierung des Druckwiderstands 135
? Anhang ?: Parametrisierung der turbulenten Flüsse 139
B.l Die Experimente an einem Hochwasserdamm und an einer Gelände-
stufe ................................. 139
B.2 Die Modellierung der Experimente ................ 140
B.2.1 Die Large-Eddy-Simulation (Schließung LES)...... 140
B.3 Vergleich der Simulationsergebnisse................ 141
B.3.1 Vergleich für den Hochwasserdamm............ 144
B.3.2 Vergleich für die Geländestufe............... 147
B.4 1D-Windprofil............................ 151
B.5 Die Parametrisierung der horizontalen Flüsse........... 151
C Anhang C: Instationäre Anströmung 155
C.l Wellenwiderstand bei instationärer Anströmung......... 1-55
D Anhang D: Widerstandsgesetz bei extremer Schichtung 165
D.l Einfluß der Schichtung auf das Widerstandsgesetz........ 165
D.l.l Grenzbetrachtung: Stark labile Schichtung........ 166
D.I.2 Grenzbetrachtung: Stark stabile Schichtung....... 168
Literaturverzeichnis 169
Namensverzeichnis 179
Stichwortverzeichnis 181
Symbolverzeichnis 185
Danksagung 189
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