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Masterarbeit: Large-Eddy Simulation von Turbulenzen im Anflugsektor eines Flugplatzes

Der Turbulenz auf der Spur

Jeder Pilot kennt sie – Turbulenzen im Anflug auf einen Flugplatz. Um einen betroffenen Mittellandflugplatz werden im Rahmen dieser Vertiefungs- und Masterarbeit Turbulenzen simuliert, woraus Erkenntnisse einen positiven Beitrag zur Flugsicherheit leisten können.

Turbulenzen scheinen bei einem Grossteil der Unfälle in der Luftfahrt eine Rolle zu spielen, insbesondere in kritischen Flugphasen wie dem Start oder der Landung. Der Flugplatz Yverdon in der Schweiz ist für das Auftreten von Turbulenzen beim Start in südwestlicher Richtung oder der Landung aus selber Richtung bekannt, wo das Gelände von hohen Windschutz-Baumreihen durchzogen ist. Diese werden als ursächlich für die Turbulenzen angesehen. Die Fähigkeit, ein solches Szenario zu simulieren, die Resultate und allenfalls Gefahren den Piloten effizient zu kommunizieren und in die Planung zukünftiger Infrastruktur einfliessen lassen zu können, kann einen vorteilhaften Effekt auf die Flugsicherheit haben.

Für die Untersuchung dieser Problematik wurden an der ZHAW im Rahmen zweier Vertiefungsarbeiten Kompetenzen in der numerischen Simulation der atmosphärischen Grenzschicht mit dem Large-Eddy Simulationsmodell PALM der Leibniz Universität Hannover aufgebaut. Die Simulation der komplexen Umgebung des Flugplatzes Yverdon ist Teil der Masterarbeit des Studenten, welche zurzeit in Bearbeitung ist. In den Vertiefungsarbeiten wurde einerseits eine operative Modellumgebung auf einem Cluster der ZHAW aufgesetzt. Mit der Simulation von Validations-Cases wurden andererseits Erfahrungen im Umgang und mit dem Einfluss der verschiedenen Parametern des Modells gewonnen, aber auch den damit verbundenen Umgang mit einer Unix-Umgebung und die Bearbeitung und Visualisierung von Daten in NetCDF-Format. 

"Mit steigender Rechenleistung sind immer feiner aufgelöste numerische Wettersimulationen durchführbar, was es möglich macht, auch mikroskalige Strömungseffekte und deren Einfluss zu charakterisieren."

Dr. Julien Anet

Validation-Case Bolund Hill

Beim Bolund Hill handelt es sich um einen Hügel in Riso, Dänemark, welcher im Rahmen eines grossen Feldexperiments vermessen wurde. Die Daten sind öffentlich verfügbar und können zu Validationszwecken hinzugezogen werden. Mit diesem Datensatz als Vergleichsgrundlage wurde Erfahrung im Umgang mit PALM und seinen umfangreichen Modulen, wie zum Beispiel einem Strahlungsmodell oder der Parametrisierung der Oberfläche gemäss der effektiven Vegetation, gewonnen. Dank dieser Phase ist es gelungen, den Bolund-Hill-Case mit einer guten bis sehr guten Übereinstimmung der Simulation mit den Messwerten zu modellieren. Die Resultate der Windgeschwindigkeit zeigen eine hervorragende Übereinstimmung mit den Messwerten, während die Werte für die turbulente kinetische Energie in der Strömung («Turbulenz») Abweichungen zwischen 3 % und 35 % aufwies, was aber mit der Performance von anderen Simulationsmodellen bei der Simulation desselben Szenarios vergleichbar ist.

Erhebung von Messdaten zur Validation einer Simulation in Yverdon

 

Diese Vertiefungsarbeiten stellten ebenfalls eine Vorbereitung auf eine Masterarbeit dar, worin die Umgebung des Flugplatz Yverdons simuliert werden soll. Aufgrund der Tatsache, dass vor Ort keine hochaufgelösten Wind- und Wetterdaten zur Verfügung stehen, wurde im Rahmen dieser Vertiefungsarbeit ein energieautarker, zehn Meter hoher Messmast mit einem Ultraschall-Anemometer geplant und aufgestellt. Ein Ultraschall-Anemometer ist in der Lage, Wind in alle Richtungen mit einer sehr feinen zeitlichen Auflösung aufzuzeichnen. Dank einer gut durchdachten Planung und der Wahl geeigneter Komponenten konnte eine problemlose Messkampagne durchgeführt werden, wobei während eines Monats Winddaten mit einer Auflösung von 20 Hz aufgezeichnet wurden. Die gewonnenen Daten werden für eine Validierung der in der Masterarbeit durchgeführten Simulation verwendet.

Ausblick

Die bisher getätigte Arbeit hat gezeigt, dass Turbulenzsimulationen mit PALM ein wertvolles Werkzeug in verschiedenen Anwendungsbereichen sein können. Neben der Analyse von Flugplatzumgebungen sind auch Anwendungen in Flugunfalluntersuchungen wertvoll. Ebenfalls eröffnen sich dank der umfangreichen Funktionen von PALM auch neue Möglichkeiten der Anwendung des Modells in Fragestellungen wie der Erforschung von Urban Heat Islands.

 

In der auf diese Vertiefungsarbeiten folgenden Masterarbeit wird zunächst die Umgebung des Flugplatz Yverdon genauer erforscht, um der Einfluss der Windschutz-Baumreihen auf den Flugverkehr sichtbar zu machen.