Etude de la formation d

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Etude de la formation dune traînée de
condensation

• Ronan Paugam
• Daniel Cariolle
• Roberto Paoli
• Benedicte Cuenot

CERFACS Team AE Toulouse 23 Avril 2007
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Les motivations
INTRODUCTION

• Le but final
• Quantifier les perturbations du trafic aérien
  sur la chimie atmosphérique dans la région de la
  tropopause
• et linclure dans un modèle de grande échelle.

Résoudre les processus dynamiques et
microphysiques du sillage dun avion jusquà la
résolution des GCM ( 100 km ou qq heures après
le passage de lavion).
Résoudre les processus dynamiques et
microphysiques du sillage dun avion jusquà la
résolution des GCM ( 100 km ou qq heures après
le passage de lavion).
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4 régimes
DESCRIPTION DE LEVOLUTION DUN SILLAGE
Des vortex à la turbulence atmosphérique
t 0 s.
t 20 s.
Extension horizontal 100 m à quelques kilomètres
t 100 s.
Extension verticale 300 m
JET REGIME
t 1000 s.
VORTEX REGIME
some hours
DISSIPATION REGIME
Résolution horizontal 1m à 10 m
DIFFUSION REGIME
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2 simulations successives
LE PROBLEME NUMERIQUE
forte résolution et grande extension horizontale
pas de stretch horizontal extrapolation pas
possible
Uniquement continuité des rapports de mélanges
dynamique induite par le sillage
dynamique induite la turbulence atmosphérique
distributions (vapor, ice) velocity field
1000 s
100 s
20 s
1h
Vortex
Dissipation
Diffusion
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La dynamique La phase de vortex
UTILISATION DE MESONH
Configuration
Le domaine,
1st simulation
nombre de point flight direction span wise vertical 100 400 540 21 Millions points (400 x 800 x 1536 m3)
résolution flight direction span wise vertical 4 2 2 m
Conditions aux limites (X - Y) CYCL(approximation de Taylor) - OPEN (extrapolé de lintérieur)
Pas de temps 25 ms
Les conditions initiales,
Intégration sur 500 s temps CPU 66 h
cas dun B747 2 vortex contra rotatif (Lamb -
Oseen) avec - une circulation ? 600
m2s-1 - une distance initiale entre les vortex
b0 47 m. - la turbulence du jet modélise par
un bruit blanc
conditions atmosphérique à
laltitude de croisière - fréquence de
brunt Vaisala N 0.014 s-1 - pas de shear
S 0. s-1 - pas de turbulence
atmosphérique soutenue - une onde
sinusoïdale est ajoutée au champ de vitesse
verticale afin de
déclencher linstabilité de Crow (elle joue le
rôle de turbulence atmosphérique)
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La dynamique La phase de vortex
UTILISATION DE MESONH
Minima de pression locaux (?2 - 0.001)
et scalaire passif (sv1.5e-4) de 20 s à 480 s.
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La dynamique La phase de diffusion
UTILISATION DE MESONH
Configuration
Domaine,
2nd simulation
nombre de point flight direction span wise vertical 80 200 250 4 Millions points (400 x 1000x 1200 m3)
résolution flight direction span wise vertical 5 5 5 m
Conditions aux limites X - Y CYCL - CYCL
Pas de temps 30 ms
Intégration sur 10 000 s temps CPU 53 h
Conditions initiales

• bruit blanc sur (u,v,w) et ?
• shear S 0.003 s-1
• typique des conditions daltitude de croisière
• source donde de gravité en bas du domaine
• relief sinusoïdale h H sin(2? k x)
• avec H 17 m (équivalent à une perturbation
  de 0.1 sur ?)
• k 4/Lx (forçage en haut du
  régime inertiel)

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La dynamique La phase de diffusion
UTILISATION DE MESONH
Turbulence soutenue sur 3h.
Vitesse verticale à t2h en coupe suivant laxe
en enlevant le forçage
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La microphysique
UTILISATION DE MESONH
Implémentation dun schéma microphysique
Les cristaux de glace sont la seule classe de
particules présente Les seuls processus
microphysiques sont la condensation et
lévaporation
pas de coagulation Pas de sédimentation
Karcher (1996)
Le modèle est mono-disperse
la densité de particules le rapport de mélange de
glace
seul sont transportés, et on fait
lapproximation de fluide adiabatique
condensation
ou SI pw - pwSI
saturation/glace locale
évolué vers un schéma log-normal
D diffusivité des molécules de vapeur G(r)
modèle pour la transition du régime moléculaire
au régime de diffusion
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CONCLUSION

• Lévolution dynamique du sillage est bien
  comprise
• Les configurations des 2 principales phases ont
  été validées
• Un schéma microphysique est en cours de
  développement

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(No Transcript)
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DESCRIPTION OF AIRCRAFT WAKE EVOLUTION
The vortex regime
Main dynamical process of the vortex regime
t 0 s.
The crow instability
t 20 s.
50 m
Crow (1970)
? 600 m2 s-1
? 45
t 100 s.
JET REGIME
L 400 m
VORTEX REGIME
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DESCRIPTION OF AIRCRAFT WAKE EVOLUTION
Description of contrail evolution in 4 regimes
Jet 1-20 s.
Vortex 20 - 100 s.
Dissipation 100 1000 s.
Diffusion up to some hours
time
2. Vortices propagates downward by mutual
induction
1. Exhaust material is entrained in counter
rotating vortices
3. Buoyancy effect controls dynamics
4. Shear and synoptic wind controls dynamics
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NUMERICAL ISSUE
The different models involved
From literature
Jet 1-20 s.
Vortex 20 - 100 s.
Diffusion up to some hours
Dissipation 100 1000 s.
time
Paoli (05)
Holzapfel (00)
Durbeck (98)
Gerz (99)
1 Contour plot of axial vorticity or ?2
criterion, except for dissipation regime where
its a passive scalar.
Re low high high
Length scale L 1m. L 50m. L 100 km.
resolution dx 1 cm. dx 1m. dx 1 km.
DNS or high-order accurate LES
LES
Meso-scale simulation
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The MesoNH Code
NUMERICAL ISSUE
Quick details on MesoNH
MesoNH is a non-hydrostatic mesoscale atmospheric
model, developed by the Laboratoire dAerologie
(LA) and the Centre Nationale de Recherche en
Meteorologie (CNRM) - horizontal
resolution mesh ranging from 1 m. to 1 km.
(possibility of 8 nested models) - basic
prognostic variables the velocity field (u,v,w)
and the potential temperature ? -
different turbulent model tuned for L.E.S. or
meso-scale simulation (TKE) -
atmospheric microphysical module (warm and cold
microphysics) - homogeneous chemical
scheme
ri, mixing ratio Up to 7 water phases
Concentration of chemical species cj
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An integrated simulations process
NUMERICAL ISSUE
Coupling processes based on the LES version of
MesoNH
Meso Scale Simulations
LES Simulations

MesoNH
1 km
Small scale simulations DNS or LES
400 m
Start meso scale simulation after dx 1km
1 km
525 m
dx 1m
To be continued N times
256 m
dx 10 m
Interpolation filtering
Interpolation filtering
5 km
distributions (vapor, ice, soot
particules) velocity field (counter rotating
vortices) energy spectrum (jet turbulence) chemica
l species
prognostic variable (u,v,w,?) mixing ratio of ?
water phases chemical species turbulent kinetic
energy
1000 s
100 s
20 s
200 s
1h
Vortex
Dissipation
Diffusion
Jet
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3D simulations of the vortex regime
RESULTS OF 3D SIMULATION
Axial vorticity at 50, 75, 100, and 125 s.
Cross sectional view of axial vorticity where
the spacing between the vortices is minimum
Highlight the formation of the secondary wake
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La microphysique La phase de vortex
UTILISATION DE MESONH
Ice density
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La microphysique La phase de vortex
UTILISATION DE MESONH
Saturation
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La microphysique La phase de vortex
UTILISATION DE MESONH
Mean radius of particles