Published 2015 | Version v1
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3D modeling of atmospheric infrared radiative transfer: coupling a broadband emissivity scheme with the discrete ordinates method

Description

The Atmospheric Radiation field has seen the development of more accurate and faster methods to take into account absorption. Modelling fog formation, where Infrared Radiation is involved, requires accurate methods to compute cooling rates. Radiative fog appears with clear sky condition due to a significant cooling during the night where absorption is the dominant process. Thanks to High Performance Computing, multi-spectral approaches of Radiative Transfer Equation resolution are often used. Nevertheless, the coupling of three-dimensional radiative transfer with fluid dynamics is very computationally expensive. Radiation increases the computation time by around fifty percent over the pure Computational Fluid Dynamics simulation. To reduce the time spent in radiation calculations, a new method using the broadband emissivity has been developed to compute an equivalent absorption coefficient (spectrally integrated). Only one resolution of Radiative Transfer Equation is needed against Nband times Ngauss for an Nband model with Ngauss quadrature points on each band. A comparison with simulation data has been done and the new parameterization of Radiative properties shows the ability to handle variations of gases concentrations and liquid water. A dynamical study through the coupling between the infrared radiation model and Code-Saturne has been done to validate our parametrization. Finally the model was tested on a 3-D domain with idealized buildings to catch 3-D infrared radiative effects due to horizontally inhomogeneities of the liquid water content field and buildings (author)

Abstract (French)

Afin de modeliser l'absorption dans le traitement des transferts radiatifs en milieu atmospherique, de nombreuses methodes plus precises et plus rapides ont ete developpees. La modelisation de la formation du brouillard, ou le rayonnement infrarouge joue un role tres important, necessite des methodes numeriques suffisamment precises pour calculer le taux de refroidissement. Le brouillard radatif se forme apres des conditions de ciel clair, ou l'absorption est le processus radiatif dominant, en raison d'un fort refroidissement nocturne. Avec l'augmentation des ressources de calcul et le developpement du Calcul Haute Performance, les modeles a bandes, pour effectuer l'integration sur la longueur des grandeurs radiometriques, sont les plus utilises. Toutefois, le couplage entre les transferts radiatifs 3-D et la dynamique des fluides reste tres couteux en temps de calcul. Le rayonnement augmente d'environ cinquante pourcent le temps de la simulation pour la dynamique des fluides uniquement. Pour reduire le temps passe dans une iteration radiative, une nouvelle parametrization basee sur les modeles en emissivite a ete developpee. Cette approche necessite seulement une resolution de l'ETR contre Nbandes times Ngauss pour un modele a Nbandes avec Ngauss points de quadratures sur chaque bande. Une comparaison avec des donnees de simulation a ete effectuee et cette nouvelle parametrisation de l'absorption infrarouge a montre sa capacite a prendre en compte les variations des concentrations gazeuses et d'eau liquide. Une etude a travers le couplage entre le modele developpe et le code de CFD Code-Saturne a ete realisee afin valider dynamiquement notre parametrisation. Enfin une simulation exploratoire a ete effectuee sur un domaine 3-D en presence de bati idealise, pour capter les effets radiatifs 3-D dus aux heterogeneites horizontales du champ d'eau liquide et des batiments. (auteur)

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Original title (French)
Modelisation tridimensionnelle du rayonnement infrarouge atmospherique utilisant l'approximation en emissivite: application a la formation du brouillard radiatif

Publishing Information

Imprint Pagination
172 p.
Report number
FRNC-TH--9942

Optional Information

Notes
108 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the 'INIS contacts' section of the INIS web site for current contact and E-mail addresses: http://www.iaea.org/inis/Contacts/