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Development of the data assimilation method suitable for large-eddy simulation model using the vibration equation

振動方程式を用いたLESモデルに適合するデータ同化手法の開発

中山 浩成; 竹見 哲也*

Nakayama, Hiromasa; Takemi, Tetsuya*

データ同化手法は、数値モデルに観測値を入力してより現実に近い結果を出せるように計算値を修正していく技術である。しかしながら、これまでの手法は主に広域スケールを対象とした気象モデルのために開発されたものであり、通常用いられる観測値も10分から1時間程度の間隔で時間平均されたものが多い。そのため、従来の手法は、瞬間的に変化する乱流スケールの風速変動を考慮できず、乱流の非定常計算を行うlarge-eddy simulation(LES)モデルには適さないという問題があった。そこで本研究では、振動方程式を使用して平均風速の観測データをLESモデルに融合するデータ同化手法を開発した。試計算として、まず上流側において1/7べき指数の風速分布を持つ接近流を作成し、本データ同化手法を用いて1/4べき指数の風速分布に近づけることを試みた。その結果、振動方程式中の固有角振動数を接近流が持つ風速変動のピーク振動数よりも小さくすると、乱流スケールの短周期変動性状を維持しつつターゲットとする平均風速分布に近づけることができた。以上により、振動方程式を用いた本データ同化手法はLESモデルに適合した手法として有効に利用できる可能性が示唆された。

We proposed the data assimilation method using the vibration equation suitable for LES models. First, we generated the basic turbulent boundary layer (TBL) flow with a power law exponent of 0.14 at the upstream area and then attempted to nudge toward the TBL flow with a power law exponent of 0.25 by our proposed data assimilation. For a case that the natural frequency set in the vibration equation was larger than the peak frequency of the basic TBL flow, the turbulent fluctuations were rapidly damped although the mean velocity profile matched with the target one. On the other hand, for a case that the natural frequency was smaller than the peak frequency, the mean wind velocity profile was reasonably nudged toward the target profile while maintaining the turbulent fluctuations. It is concluded that our proposed data assimilation method using the vibration equation successfully nudges toward the target mean winds with small-scale turbulent fluctuations.

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