Validation of a Lattice Boltzmann model for snow transport and deposition by wind

Giangreco, Sara

Risk management became an important issue for many disciplines such as finance, insurance industry or mechanical and civil engineering. In the general framework of risk management, risk analysis and hazard prediction are fundamental preliminary steps. This contribution addresses the prediction of snow-wind hazard resulting from coupled dynamics of snow transport and deposition by wind, which is the key to the prediction of snow load profiles on buildings. The target of this work is the development of a detailed Computational Fluid Dynamics (CFD) model and its validation by means of wind tunnel data available for representative model geometries. This approach for load analysis allows to investigate problems, which are not sufficiently standardized in terms of design codes. For this purpose, a two dimensional numerical large eddy simulation (LES) model for transient snow transport by wind is suggested. The model based on the lattice Boltzmann method (LBM) has been developed and validated. The lattice Boltzmann method presented utilizes the Multiple Relaxation Time (MRT) model and fluid/wall boundary conditions of second order accuracy. In the current approach, dry snow is modeled as a continuous component, which is being advected by the turbulent transient flow field. Snow deposition and erosion are controlled by imposing rules for the influence of wall shear stress and equilibrium approaches for the terminal velocity of snowflakes. The numerical method is compared to the experimental studies which have been carried out by L. Sanpaolesi et al, in the Jules Verne Climatic Wind Tunnel of Nantes, France. These validation studies will be presented including sensitivity studies for various model parameters. Finally, potential extensions and shortcomings of this approach are discussed.

In Disziplinen wie beispielsweise dem Finanz- und Versicherungswesen, dem Maschinenbau oder dem Bauingenieurwesen spielt das Risikomanagement eine grosse Rolle. Im Gesamtkonzept des Risikomanagements sind die Risikoanalyse und die Prognose der Gefährdung fundamentale Ausgangsbausteine. Dieser Beitrag behandelt die Vorhersage der Schnee-Wind-Gefährdung resultierend aus gekoppelten dynamischen Prozessen von Schneetransport und -ablagerung zur Vorhersage von Schneelastprofilen auf Bauwerken. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines CFD-Modells und dessen Validierung an Ergebnissen experimenteller Windtunnelversuche, die für repräsentative Modellgeometrien verfügbar sind. Dieses Analyseverfahren erlaubt außerdem die Untersuchung von Problemen, die in den Bemessungsnormen nicht ausreichend standardisiert sind. Zu diesem Zweck wird ein zweidimensionales numerisches Large-Eddy-Simulationsmodell (LES) für den transienten Schneetransport infolge Wind vorgeschlagen. Das Modell, das auf der Lattice-Boltzmann Methode basiert, nutzt das Multiple Relaxation Time (MRT) Modell und Fluid-Wand-Randbedingungen zweiter Ordnung Genauigkeit. Im vorliegenden Verfahren wird trockener Schnee als kontinuierliche Komponente modelliert, der von einem turbulenten transienten Strömungsfeld bewegt wird. Schneeablagerung und Erosion werden durch den Einfluss der Wandschubspannungen und Gleichgewichtsansätzen für die Schneefallgeschwindigkeit modelliert. Das numerische Modell wird mit experimentellen Studien verglichen, welche von L. Sanpaolesi im Jules Verne-Klima-Windtunnel von Nantes in Frankreich durchgeführt wurden. Diese Validierungsuntersuchungen sowie enthaltene Sensitivitätsstudien für verschiedene Modellparameter werden vorgestellt. Schließlich werden Möglichkeiten der Erweiterung dieses Verfahrens sowie Mängel diskutiert.

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Giangreco, Sara: Validation of a Lattice Boltzmann model for snow transport and deposition by wind. 2010.

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