Modeling and distributed computing of snow transport and delivery on meso-scale in a complex orography

Abstract

Aquest estudi descriu els principis de funcionament i validació d'un model d'ordinador de dinàmica de fluids computacional del procés de caiguda de neu sobre una orografia complexa. Es discretitza el domini espacial amb l'èmfasi principal sobre una topografia dificultosa que tendeix a produir volums deformes en la graella de càlcul. Es defineix una nova mesura de la deformació dels elements de la graella, i s'aplica per la discussió de diferents estratègies d'optimització de la graella per reduir el cost del càlcul paral·lel per ordinador de solucions a les equacions de transport de fluids de Navier-Stokes. Es dissenya un model per ordinador que resolgui les equacions Navier-Stokes per un fluid incompressible i torbulent. Es debat de l'eficiència de la caixa d'eines CFD. Es treballa el grau de connexió necessari entre les dues fases de neu i d'aire del fluid durant la modelització de la caiguda de neu mitjançant ordinador. S'implementa una metodologia Euler-Lagrangian de dos fluids. Es presenten aplicacions de caiguda de neu en relació amb la planificació de pistes d'esquí, la treta de neu de carreteres d'alta muntanya, i la planificació de la producció d'energia eòlica.

El estudio describe los principios de funcionamiento ya validación de un modelo para ordenador de dinámica de fluidos computacional del proceso de caída de nieve sobre una orografía compleja. Se discretea el dominio espacial con énfasis principal sobre una topografía dificultosa que tiende a producir volúmenes deformes en la cuadrícula de cálculo. Se define una nueva mesura de la deformación de los elementos de la cuadrícula, y se aplica en la discusión de diferentes estrategias de optimización de la cuadrícula para reducir el coste del cálculo paralelo por ordenador de soluciones de las ecuaciones de transporte de fluidos de Navier-Stokes. Se diseña un modelo por ordenador que resuelve las ecuaciones Navier-Stokes para un fluido incomprensible y turbulento. Se discute la eficiencia de la caja de herramientas CFD. Se trabaja el grado de conexión necesario entre las dos fases de nieve y de aire del fluido durante la modelización de la caída de nieve por ordenador. Se implementa una metodología Euler-Lagrangian de dos fluidos. Se presentan aplicaciones de caída de nieve en relación con la planificación de pistas de esquí, sacar la nieve de carreteras de alta momntaña, y la planificación de la producción de energía eólica.

This study describes the working principles and validation of a Computational Fluid Dynamics computer model of snowfall over a complex orography, for optimizing ski slope or other installations according to local weather patterns. The spatial domain is discretized, focusing on challenging topography that tends to produce deformed mesh volumes. A novel measure od mesh deformation is defined and applied to discuss different strategies of mesh optimization with the goal of facilitating parallel computer solutions of the Navier-Stokes fluid transport equations. A computer model is designed to solve the Navier-Stokes incompressible turbulent fluid equations. The efficiency of the CFD computational toolkit is discussed. The degree od coupling required between the snow – and air-phases of the fluid during the computer modeling of snowfall is discussed. A two-fluid (Euler-Lagrangian) methodology is implemented. Applications of such snowfall models are discussed in relation to ski-slope planning and high-altitude road snow clearing. An application of the model to wind energy production planning is presented.