Simulation of wind fields at Scharffenbergbotnen, Antarctica and their impact on blue ice areas

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Master's thesis
Date
2011
Major/Subject
Lujuusoppi
Mcode
Kul-49
Degree programme
Language
en
Pages
69
Series
Abstract
Tässä diplomityössä tarkoituksena on tehdä numeerista mallinnusta paikallisista tuulista Scharffenbergbotnenissa, Antarktiksella. Mallintamiseen käytetään kokoonpuristumattomia ja ajasta-riippuvaisia Navier-Stokes yhtälöitä. Elementtimenetelmä ohjelmaa ELMER:iä käytetään paikallisten ilmavirtojen mallintamiseen, jotta voitaisiin saada käsitys tuulien vaikutuksesta lumen siirtymiseen sinisillä jäillä. Scharffenbergbotnenin siniset jäät ovat olleet tärkeä paleoklimatoloogisen tiedon lähde. Tutkimuksen pääasiallinen tarkoitus on kuitenkin ilmavirtausten laskeminen eikä lumen jakautumisen mallintaminen. Ilmavirtojen ratkaisemiseen käytetään niin sanottua Variational Multiscale menetelmää elementtimenetelmän yhteydessä. Menetelmää pidetään erittäin tehokkaana välineenä turbulenssin ratkaisemiseen. Tavoitteena on saada tietoa siitä, voivatko paikalliset tuulet yhdessä alueella vallitsevien katabaattisten ilmavirtojen kanssa olla paikallisesti niin voimakkaita, että ne "puhdistaisivat" kyseiset sinisen jään alueet lumesta. Tulokset viittaavat siihen, että absoluuttinen tuulen nopeus sekä leikkausjännitykset sinisten jäiden alueilla ovat selvästi muita alueita voimakkaammat. Käytetty malli on tosin hyvin yksinkertaistettu ja simuloimiseen käytetty data oli erittäin rajallinen. Näin ollen tutkimustuloksia voidaan lähinnä pitää suuntaa antavina ja aikaisempia käsityksiä vahvistavina. Tutkimusta voidaan siis pitää kvalitatiivisena.

The focus of this thesis is on numerical simulation of local wind fields governed by the incompressible and time-dependent Navier-Stokes equations. A Large Scale Computational Fluid Dynamics Finite Element code ELMER is used to resolve the local wind fields in Scharffenbergbotnen, Antarctica, and thus provide information of possible snow re-distribution patterns. It is assumed that the winds play a big role in the formation of Blue Ice Areas, which at Scharffenbergbotnen have been utilized as a proxy for reconstruction of paleoclimatological data. The main objective is to resolve the wind field patterns and not the actual distribution of the snow. This is done by using a Variational Multiscale Method with the Finite Element Method. This method is considered to be a powerful tool for solving high Reynolds-number turbulent flows. The goal of this thesis is to get an understanding on whether the local winds combined with the katabatic winds that occur in these areas can achieve the strengths to clear the blue ice areas of the usually forming densifying snow layer that accumulates on the ice. Our results clearly indicate that the magnitude of the absolute velocity and shear stress increase at the blue ice areas. However, due to the lack of data and by assumptions of the applied methods, this is rather a proof of concept, and the results have to be interpreted qualitatively rather than quantitatively.
Description
Supervisor
Tuhkuri, Jukka
Thesis advisor
Zwinger, Thomas
Keywords
turbulenssi, Sharffenbergbotnen, Antarktis, siniset jäät, elementtimenetelmä, katabaattiset tuulet, ELMER, turbulence, variational multiscale method, Sharffenbergbotnen, Antarctis, blue ice areas, finite element method, katabatic winds, ELMER
Other note
Citation