umu.sePublications
Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Source Term Estimation in the Atmospheric Boundary Layer: Using the adjoint of the Reynolds Averaged Scalar Transport equation
Umeå University, Faculty of Science and Technology, Department of Physics.
2015 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesisAlternative title
Källtermsuppskattning i det atmosfäriska gränsskiktet : Med hjälp av den adjungerade Reynolds tidsmedlade Skalära Transportekvationen (Swedish)
Abstract [en]

This work evaluates whether the branch of Reynolds Averaging in Computational Fluid Dynamics can be used to, based on real field measurements, find the source of the measured gas in question. The method to do this is via the adjoint to the Reynolds Averaged Scalar Transport equation, explained and derived herein. Since the Inverse is only as good as the main equation, forward runs are made to evaluate the turbulence model.

Reynolds Averaged Navier Stokes is solved in a domain containing 4 cubes in a 2x2 grid, generating a velocity field for said domain. The turbulence model in question is a union of two modifications to the standard two equation k-ε model in order to capture blunt body turbulence but also to model the atmospheric boundary layer. This field is then inserted into the Reynolds Averaged Scalar Transport equation and the simulation is compared to data from the Environmental Flow wind tunnel in Surrey. Finally the adjoint scalar transport is solved, both for synthetic data that was generated in the forward run, but also for the data from EnFlo.

It was discovered that the turbulent Schmidt number plays a major role in capturing the dispersed gas, three different Schmidt numbers were tested, the standard 0.7, the unconventional 0.3 and a height dependent Schmidt number. The widely accepted value of 0.7 did not capture the dispersion at all and gave a huge model error. As such the adjoint scalar transport was solved for 0.3 and a height dependent Schmidt number.

The interaction between measurements, the real source strength (which is not used in the adjoint equation, but needed to find the source) and the location of the source is intricate indeed. Over estimation and under estimation of the forward model may cancel out in order to find the correct source, with the correct strength. It is found that Reynolds Averaged Computational fluid dynamics may prove useful in source term estimation.                              

Abstract [sv]

Detta arbete utvärderar hurvida Reynolds medelvärdesmodellering inom flödessimuleringar kan användas till att finna källan till en viss gas baserat på verkliga mätningar ute i fält. Metoden går ut på att använda den adjungerade ekvationen till Reynolds tidsmedlade skalära transportekvationen, beskriven och härledd häri. Då bakåtmodellen bygger på framåtmodellen, måste såleds framåtmodellen utvärderas först.

Navier-Stokes ekvationer med en turbulensmodell löses i en domän, innehållandes 4 kuber i en 2x2 orientering, för vilken en hastighetsprofil erhålles. Turbulensmodellen som användes är en union av två olika k-ε modeller, där den ena fångar turbulens runt tröga objekt och den andra som modellerar atmosfäriska gränsskiktet. Detta fält används sedan i framåtmodellen av skalära transportekvationen, som sedan jämförs med körningar från EnFlo windtunneln i Surrey. Slutligen testkörs även den adjungerade ekvationen, både för syntetiskt data genererat i framåtkörningen men även för data från EnFlo tunneln.

Då det visade sig att det turbulenta Schmidttalet spelar stor roll inom spridning i det atmosfäriska gränsskiktet, gjordes testkörningar med tre olika Schmidttal, det normala 0.7, det väldigt låga talet 0.3 samt ett höjdberoende Schmidttal. Det visade sig att det vanligtvis använda talet 0.7 inte alls lyckas fånga spridningen tillfredställande och gav ett stort modellfel. Därför löstes den adjungerade ekvationen för 0.3 samt för ett höjdberoende Schmidttal.

Interaktionen mellan mätningar, den riktiga källstyrkan (som är okänd i den adjungerade ekvationen) samt källpositionen är onekligen intrikat. Över- samt underestimationer av framåtmodellen kan ta ut varandra i bakåtmodellen för att finna rätt källa, med rätt källstyrka. Det ter sig som Reynolds turbulensmodellering mycket möjligt kan användas inom källtermsuppskattning. 

Place, publisher, year, edition, pages
2015. , 43 p.
Keyword [en]
CFD, Source, Source term, STE, RANS, k epsilon, Adjoint, Adjoint equation, Reynolds transport equation, transport equation, adjoint of transport equation, Adjoint duality
National Category
Other Physics Topics Computational Mathematics Mathematical Analysis Other Mathematics
Identifiers
URN: urn:nbn:se:umu:diva-103671OAI: oai:DiVA.org:umu-103671DiVA: diva2:814420
External cooperation
FOI
Subject / course
Examensarbete i teknisk fysik
Educational program
Master of Science Programme in Engineering Physics
Supervisors
Examiners
Available from: 2015-05-28 Created: 2015-05-26 Last updated: 2015-05-28Bibliographically approved

Open Access in DiVA

Adjoint_RANS(1376 kB)265 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 1376 kBChecksum SHA-512
b7cfde1e0d412941f5a1aa8b0e83fc25da1c7cf0097c7251b52f21332d89f2ccd75cd3235d355d1a2654c82cb002869f5d47a93879d0745fe8986872548d9027
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
Department of Physics
Other Physics TopicsComputational MathematicsMathematical AnalysisOther Mathematics

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 265 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 733 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf