Mikroskalige Modelle dienen der Berechnung kleinräumiger und relativ kurzlebiger Strömungsphänomene mit horizontalen Ausdehnungen von wenigen Metern bis zu etwa einigen 100 m und einer typischen Dauer von einigen Minuten. Dazu gehören Strömungen in der atmosphärischen Grenzschicht, Turbulenz und Wirbel sowie die Flugzeugumströmung und die Über- und Durchströmung von Hindernissen.
Am Institut für Physik der Atmosphäre werden verschiedene mikroskalige Modelle mit jeweils spezifischen Eigenschaften eingesetzt. Sie unterscheiden sich zum Beispiel in der Art der physikalischen Approximation (anelastisch, kompressibel, inkompressibel, Reynolds-Averaged Navier-Stokes RANS, Large-Eddy Simulation LES) oder in der Art der numerischen Verfahren. Sie werden zum Beispiel zur Berechnung von turbulenten Strömungen, zur Simulation von Wirbelschleppen oder Kondensstreifen hinter Flugzeugen, zur Berechnung der Über- und Durchströmung kleinräumiger Hindernisse (kleine Hügel, Bäume, Gebäude, Lärmschutzwände) und zur Umströmung einer Windturbine verwendet. Darüber hinaus werden hybride Methoden eingesetzt, die etablierte Modelle auf unterschiedliche Weise verknüpfen und somit skalenüberbrückende Fragestellungen behandeln (RANS/LES-Kopplung).
Die Berechnung der Wirbelschleppe hinter Flugzeugen, als Anwendung sowohl der Aerodynamik als auch der Meteorologie, umspannt Skalen im Millimeterbereich, bei der Entstehung an den Flugzeugtragflächen, bis zum Bereich von einigen 100 m, in dem die Wirbelinstabilitäten zum Tragen kommen. Je nach Fragestellung kommen verschiedene Modelle zum Einsatz:
EULAG-Simulation des Nachlaufs einer Windtubine (Bild: ©DLR)
Für Anwendungen im Bereich der Windenergie wird das Modell EULAG (Eulerian/semi-Lagrangian numerical model for fluids) im LES-Modus mit verschiedenen am Institut für Physik der Atmosphäre entwickelten Modulen betrieben. Dabei geht es um das Prozessverständnis der Interaktion einer rotierenden Windturbine mit der stark variablen Strömung in der atmosphärischen Grenzschicht, z.B. durch Tag-Nacht-Unterschiede, die die Länge des Nachlaufs hinter der Turbine beeinflussen, durch Einflüsse thermischer Schichtung und Winddrehungen sowie orografischer und topografischer Effekte.