M-CFD: Meteo-disciplinary Computational Fluid Dynamics

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1 3. Februar 2009 Forschungsvorhaben Programmschiene FIT-IT / ModSim: M-CFD: Meteo-disciplinary Computational Fluid Dynamics

2 Overview: Facts & Figures TITLE COORDINATOR PARTNER PROJECT-TYPE PLANNED COSTS FUNDING M-CFD: Meteo-disciplinary Computational Fluid Dynamics DTech Steyr Dynamics & Technology Services GmbH (Industrial Partner) Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik (ZAMG) (Research Organisation) O offenes Projekt O Forschungsteams X Industrielle Forschung (FTEI in Kooperation), 3 years O Ausleihen hochqualifizierten Personals O Allgemeine Ausbildungsmaßnahmen im Unternehmen O Entwicklung von Ausbildungsmaßnahmen Personal 403 k Investments 75 k Other Costs 62 k Total 540 k Total, up to 356 k (66 % of planned costs) Industrial Partner: Funding Cash = 50% of costs Research Partner: Funding + Cash = 100% of costs

3 Koordinator: DTECH Steyr

4 Arbeitsgebiete DTECH Steyr Anwendung: Berechnungs- und und Entwicklungsdienstleistungen Kunden: Automobilindustrie, Maschinenbau, Anlagen Tätigkeitsfeld: Fahrzeug- und und Produktentwicklung Dynamik & Schwingungen Akustik, Strömungen & Thermische Simul. Simul. Lebensdauer, Festigkeit Aufbau von von Simulationsmodellen und und Berechnung Spezialsoftware für für Marktnischen -> -> Entwicklung und und Vertrieb Ent- Forschung und und Methodenentwicklung für für Berechnung

5 Geschäftsstellen Firmensitz: Steyr (Gründung 2001) Geschäftsstelle: Wien (ab 2003) Vertretungen: Bozen, Ingolstadt (ab 2005) KMU mit dzt. ca. 15 MA Weitere Qualifikationen und Arbeitsgebiete Ziviltechnikerbefugnis gerichtl. zertifiz. Sachverständige International Certified Management Consultant

6 Dienstleistungen Finite Elemente Analysen Mehrkörpersimulationen Lebensdauerberechnungen Strömungsberechnungen Methoden- und Softwareentwicklung

7 Referenzen

8 Partner: ZAMG ZAMG Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik

9 Arbeitsgebiete ZAMG Wettervorhersage - Abteilung für Synoptische Meteorologie Kurz- und Mittelfristvorhersagen, Unwetterwarnungen einschließlich Smog, Satellitenmeteorologie, Analyse und Interpretation numerischer Wettervorhersageprodukte Wetter- und Klimainformationen - Abteilung für Klimatologie Theoretische und angewandte Klimatologie, Modellentwicklung und Anwendung, Klimavariabilität, Bioklimatologie, Klimatologische Landesaufnahme, Agrarklimatologie und Hydroklimatologie, Glaziologie Umweltgutachten, Krisenfallvorsorge - Abteilung für Umweltmeteorologie Schadstoffausbreitung (Messung und Modellberechnung, Grenzschichtmeteorologie, Krisenvorsorge und Krisenberatung Erdbebendienst, Bodenuntersuchungen - Abteilung für Geophysik Erdbeben, Magnetik und Bodenuntersuchungen, Seismologie, Erdmagnetismus, Geophysikalische Landesaufnahme, Ingenieur- und Umweltgeophysik ADV - Allgemeine Datenverarbeitung Betreuung der Datenbank Technik Betreuung der Messstationen und der Radiosonden

10 Regionalstellen d. ZAMG

11 Historisches Die Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik wurde 1851 gegründet und ist damit eine der ältesten selbständigen Wetterdienste der Welt. Regelmäßige nichtinstrumentelle Wetterbeobachtungen in Österreich seit Beginn des 16. Jahrhunderts. Regelmäßige instrumentelle meteorologische Beobachtungen begannen in Innsbruck im Jahr Seit 1763 ununterbrochene meteorologische und seit 1897 seismische Beobachtungsreihe im Benediktinerstift Kremsmünster in Oberösterreich 1848 wurde mit dem Aufbau eines meteorologischen Stationsnetzes durch die kaiserliche Akademie der Wissenschaften begonnen. Meteorologische und geophysikalische Reihen in Wien bis ins Jahr 1775 zurück

12 Dienstleistungen Wettervorhersage Klimainformationen Umwelt Geophysik Warnungen Katastrophenschutz / Ozon Medien Energie Strassendienst Wasserwirtschaft Bauwirtschaft Transport Veranstalter Foto / Film Tourismus Wanderer/Bergsteiger Segler/Surfer Auskünfte nfte, Gutachten für Versicherungen Gerichte Behörden Private Beratung für Raumplanung Industrie Bauwesen Landwirtschaft Wind- u. Sonnenenergie Hagelabwehr Krisenfall Vorsorge Beratung UVP Beratung / Gutachten für Industrieprojekte Verkehrsprojekte Bauprojekte Verursacheranalysen Messkampagnen Erdbebengutachten für Gebäude, Talsperren, Verkehrswege, Deponien Magnetfeldmessungen Deklinationskarten,... Umweltgeophysik VibroScan Erschütterungsmessungen Ingenieurgeophysik Baugrunduntersuchungen Altlasten ArcheoProspections

13 Forschungsvorhaben Projekt M-CFD Meteo-disciplinary Computational Fluid Dynamics

14 Simulation Problem In computational fluid dynamics (CFD), currently two fields of applications are established: technical applications: e.g. in vehicles, aerospace, machinery, process engineering. meteorological weather simulations: forecasting and nowcasting of weather and climate.

15 Simulation Problem Both fields are based on principles of computational fluid dynamics. However, they differ significantly in length- and time scales, boundary conditions, influence parameters and type of results. The solution of a CFD-problem (Navier Stokes Eq.) is a nonlinear iterative procedure. Therefore, significantly different analysis algorithms are used to obtain convergent solutions for meteorological and technical problems.

16 Simulation Problem However, there is a large field of interdisciplinary problems where only insufficient or no solutions for modelling and simulations are available. These are problems, where technical facilities, buildings, communal and tourist infrastructure interact with environmental influences like weather, climate or pollution.

17 Simulation Problem The need for improving the knowledge on interdisciplinary meteorological / technical flow problems is increased by the raising frequency and intensity of extreme weather situations and/or pollution effects. Mathematical modelling and simulation will become an increasingly important, maybe even the only tool, for predicting the impacts of extreme weather situations on facilities and infrastructure.

18 Project Aims Developing of methods for modelling and simulation of numerical fluid dynamics of local environmental (natural) flows and winds, governed by meteorological conditions. e.g: computation of wind loads and aerodynamic forces acting on exposed facilities and buildings in alpine environments transport, concentration spots and deposition of particle pollutions in urban zones or glacier regions. computation of snow- and ice accumulation on buildings and facilities, snow drift into mountain slopes with avalanche danger, local air draught and winds in city sectors and complexes of buildings utilization of natural terrain shapes for optimizing wind and snow-load on buildings and facilities erosion and sedimentation by flowing water, and many more.

19 Scientific Challenges Combination of technical and meteorological sciences for an interdisciplinary simulation approach. The basic mathematical and physical problems are: large parameter variations high spread of length scale and of time scale highly complex boundary conditions and interaction of physical parameters lack of suitable models for particle erosion and deposition, including the feedback to geometry changes interaction of different phases in the air (water, snow, ice) radiation effects and local warming stratified material input over simulation boundaries on a meteorological scale,

20 Support of theortetical work The numerical developments will be constantly supported and evaluated with the help of an automatic weather measurement station established in a test area and the link of the development team to the Austrian weather servers, running the weather models INCA and ALADIN for Austria.

21 Planned Examples Mountain ridge of about square kilometres. The model shall include large length at geological scales and localisation zones as well as details like buildings or cornices. Potential test area may be e.g. Hochschwab (Styria), PyhrnBosruck (UpperAustria), Nordkette (Tirol), or Arlberg (Vorarlberg). potential example: Hochschwab M-CFD 3. Feb P.Fischer

22 Planned Examples The simulations shall comprehend: exemplarily stationary simulation of extreme weather situations, global flow and local loads on a building simulation of particle drift (dust, soot) in alpine environment and accumulation of the pollution on a glacier / snow field (important for melting process) simulations of stationary weather conditions with transient geometry changes due to erosion, drift and deposition of snow transient simulations of time histories provided by the meteorological measurements transient simulations of real time weather situation by coupling M- CFD (Meteodisciplinary-CFD) directly to weather station and meteorological weather models.

23 Status of Project Start: October 2008 current status

24 Danke für Ihre Aufmerksamkeit