Free Content Large-eddy simulation of a turbulent jet and a vortex sheet interaction: particle formation and evolution in the near field of an aircraft wake

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Aircraft are prolific sources of particles (soot, liquid aerosols and contrails) that can impact cloudiness and affect the Earth's radiative budget balance. In order to study the formation and evolution of these particles, a numerical approach has been developed combining large-eddy simulation (LES) and a detailed microphysical model. Generally very detailed microphysical models are run along a single average trajectory, without any temperature fluctuation. However, this approach may lead to significant differences in particle properties and particle size distribution as it oversimplifies dynamical and mixing processes compared to multidimensional descriptions of aircraft wakes. This may affect the initialisation of meso-scale models, such as, for example, the formation of cloud condensation nuclei from persistent contrails, and heterogeneous chemical reactions. In this paper, we present the results of detailed microphysical processes calculations applied to a large number of fluid parcels trajectories, generated by a LES two-phase flow solver.

Flugzeuge sind reichhaltige Quellen von Partikeln (Ruß, flüssige Aerosole und Kondensstreifen) welche die Wolkenbildung beeinflussen und so auf den Strahlungshaushalt der Erde einwirken können. Zur Untersuchung der Bildung und des Verhaltens dieser Partikel wurde ein numerischer Ansatz entwickelt, der Large Eddy Simulation (LES) und ein detailliertes Mikrophysikmodell kombiniert. Im Allgemeinen werden Mikrophysikmodelle entlang einer einzigen, gemittelten Trajektorie angewandt, ohne Temperaturschwankungen zu berücksichtigen. Dieser Ansatz kann jedoch zu signifikanten Abweichungen führen, was Partikeleigenschaften und deren Größenverteilung betrifft, da er dynamische und mischungsbezogene Prozesse im Vergleich zu mehrdimensionalen Darstellungen der Nachlaufströmung zu stark vereinfacht. Dies kann die Initialisierung von Mesoskalenmodellen beeinflussen, wie beispielsweise die Bildung von Wolkenkondensationskeimen von beständigen Kondensstreifen sowie heterogene chemische Reaktionen. In diesem Artikel präsentieren wir die Resultate von detaillierten Berechnungen mikrophysikalischer Prozesse, die auf eine große Zahl von Fluidpartikelbahnen angewandt werden, welche von einem LES Zweiphasen-Strömungslöser generiert wurden.

Document Type: Research Article


Publication date: April 1, 2008

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