Large eddy simulation of condensation trails in a stratified and turbulent atmosphere. - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2013

Large eddy simulation of condensation trails in a stratified and turbulent atmosphere.

Simulation aux grandes échelles de traînées de condensation dans un milieu atmosphérique stratifié et turbulent.

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Abstract

Modeling the effects of contrails into large-scale models requires accurate parametrisations of their characteristics. However, measures of contrails are too rare and not exhaustive to well define and validate these parametrisations. Detailed simulations of contrails allow the analysis of their physics, leading to improved measurement and more accurate parametrisations. Studies of aircraft wakes have shown the importance of atmospheric turbulence in the dynamics of wake vortices. Nevertheless, in most of contrail simulations performed so far, turbulence was not sustained and not explicitly resolved. In this thesis, we set up a simulation strategy for contrails that uses a three dimensional description of wake dynamics and turbulence. Firstly, a stochastic forcing method is setup to generate turbulent flows in a stratified medium, and we show that this method is able to mimic atmospheric turbulence. Secondly, contrail simulations embedded in this turbulence field are performed. Effects of turbulence, temperature and water vapour saturation are studied: turbulence controls the break-up of wake vortices, while saturation and temperature control deposition rate of water vapour on ice crystals and their persistence in the long term. Computed microphysical and optical properties are in agreement with observations and ad-hoc relations are proposed to incorporate theses properties into contrail parametrisations for large-scale models.
La prise en compte des traînées de condensations (contrails) dans les modèles de grande échelle requiert une paramétrisation. Cependant, les données actuelles sont insuffisantes pour cette paramétrisation. La simulation numérique détaillée d'un contrail complète les données et elle contribue à mieux définir ces paramétrisations. Les études des aéronefs ont mis en évidence le rôle de la turbulence atmosphérique dans la dynamique des tourbillons de sillage. Pourtant, la majorité des simulations numériques de contrails réalisées à ce jour utilisent une représentation simplifiée et paramétrée de cette turbulence, plutôt que de la résoudre explicitement. Le travail réalisé ici consiste à mettre en place une simulation de contrail avec une résolution tridimensionnelle de la turbulence atmosphérique. Dans un premier temps, une méthode de forçage stochastique a été mise en place pour engendrer des écoulements turbulents dans un milieu stratifié, et on montre la capacité de cette méthode à reproduire la turbulence de l'atmosphère. Dans un second temps, une simulation de contrail a été mise en place en utilisant la turbulence atmosphérique engendrée précédemment. Les effets du niveaux de turbulence, de la température et de la saturation en vapeur d'eau sur le contrail sont étudiés pour les quatre premières minutes : la turbulence contrôle la destruction des tourbillons de sillage, alors que la saturation et la température contrôlent la persistance et le taux de formation de glace. Les propriétés microphysiques et optiques obtenues sont en accord avec les observations et des lois sont proposées pour adapter ces propriétés aux paramétrisations des modèles de grande échelle.
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Dates and versions

tel-00828483 , version 1 (31-05-2013)

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  • HAL Id : tel-00828483 , version 1

Cite

Joris Picot. Simulation aux grandes échelles de traînées de condensation dans un milieu atmosphérique stratifié et turbulent.. Océan, Atmosphère. Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 2013. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00828483⟩
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