Erikoistutkija Mikko Auvinen työskentelee Large Eddy Simulation – eli LES-mallin kehittäjänä Ilmatieteen laitoksella. Kollega Irene Suomi jututtaa Mikkoa LES-mallista, sen hyödyntämisestä ja merkityksestä muun muassa tuulivoimatutkimuksessa.

Mikko, työskentelet LES-mallin kehittäjänä. Miten asiantuntijana kuvailisit mallia? Entä miten mallia voidaan hyödyntää?

Olipa haastava kysymys heti alkuun. Kun mainitsen cocktailkutsuilla tekeväni työkseni laskennallista virtausmekaniikkaa, vastapuolen silmistä näkee välittömästi, että nyt ei oikein resonoinut… silleen positiivisessa mielessä. Mutta, tällaista tämä nörtin elämä välillä on. Ei tässä oikein muu auta kuin asetella faktat siististi pöydälle ja jäädä jännittämään, onko intron jälkeen paikalla enää ketään.

Ai niin, ihmisiä pitää muistaa aina houkutella, joten palkitaan tälläkin kertaa sitkeimmät lukijat YouTube-videoilla. Niitähän ei tiettävästi voi kukaan vastustaa.

LES on siis laskennallista virtausmekaniikkaa (engl. computational fluid dynamics, CFD). Tuo lyhenne tulee sanoista Large-Eddy Simulation, joka kääntyy suomeksi hienosti – tai huonosti – muotoon ”suurten pyörteiden menetelmä”. Nimi tulee siitä, että LES-menetelmässä suurin osa virtauksen turbulentista liikkeestä – eli ne suurimmat pyörteet – ratkaistaan virtausta kuvaavista yhtälöistä suoraan ajan ja paikan funktiona.

Onko LES siis samanlainen numeerinen malli, jota käytetään sään ennustamisessa?

Joo, samantyyppinen. Meidänkin mallissa käytetään sellaista kolmiulotteista ”ruudukkoa” eli laskentaverkkoa, jota kutsutaan toisinaan myös ”hilaksi” tai ”gridiksi”. Tällaisen virtausmallin ruudukon pitäisi kuitenkin olla ihan pösilön tiheä, jos me haluttaisiin ratkaista kaikki turbulentit pyörteet – pienimmäthän niistä ovat aivan mikroskooppisia.

Onneksi näin ei kuitenkaan tarvitse tehdä. Nämä kaikista pienimmät pyörteet ja niiden vaikutus muuhun virtaukseen ovat hyvin määriteltävissä. Ne voidaan kuvata virtausyhtälöissä laskennallisesti kevyemmällä lähestymistavalla eli käyttämällä niin sanottua ”alihilamallia”. Vaikka tuo alihilamalli kuulostaa tylsältä, se on koko tarinan suurin sankari. Ilman sitä turbulentin virtauksen mallintaminen muodostuisi laskennallisesti aivan liian raskaaksi.

Minkälaisia laskentaresursseja LES-malli sitten tarvitsee? Voidaanko simulaatioita ajaa ihan tavallisella läppärillä?

No, LES vaatii alihilamallista huolimatta paljon laskennallisia resursseja. Meidän simulaatiot lasketaankin Suomen parhailla supertietokoneilla Kajaanissa. Ajetut simulaatiot vaativat tyypillisesti resursseja, jotka vastaavat satojen, jopa tuhansien läppäreiden yhteenlaskettua laskentatehoa.

Mitä “taviksen” on hyvä tietää LES-mallista ja siitä, mihin se perustuu?

LES-mallin juuret ovat tiukasti kiinni fysiikan peruslaeissa. Mallin taustalla olevat yhtälöt sanelevat, että virtauksen liikemäärän, massan ja energian on säilyttävä. Tässä piileekin LES:n suurin voima: ongelman kannalta tärkeät virtausilmiöt ratkaistaan suoraan perusyhtälöistä eikä niitä kuvata minkäänlaisilla yksinkertaistuksilla tai sovitteilla. Ilmakehätieteissä käytettävän LES:n paikallinen erotuskyky on metrien luokkaa. Tästä syystä sitä ei nykyisten laskentaresurssien puitteissa voida soveltaa reaaliaikaiseen tuuliolosuhteiden ennustamiseen, vaan analyysit on tehtävä ennalta valituille säätilanteille.

Aivan! Tästä päästäänkin tuulivoiman tutkimukseen ja LES-mallinnuksen tarjoamiin hyötyihin siinä. Kerrotko tästä?

Meillä LES-mallintajilla on tuulivoimaan liittyvä, ehkä vähän ylimielinenkin näkemys. Nimittäin mielestämme vaikeimmat tuulikentän ja -turbiinien vuorovaikutusta käsittelevät ongelmat olisivat ratkaistavissa LES:n avulla. Tarkoitan erityisesti niitä tilanteita, joissa tuulipuistoa ympäröivän maaston muodot ja pinnan karkeus vaihtelevat, tai tuulipuiston läheisyydessä on metsänreuna, rantaviiva tai jokin muu epäjatkuvuus. Nämä tekevät tuuliolosuhteista hyvin vaikeasti ennustettavia. Pelkästään metsän muodostama karkea pintakerros muuttaa tuulikentän turbulenssia tavalla, joka tulisi huomioida alueille rakennettavien tuulivoimaloiden suunnittelussa. Mielestämme LES on ylivoimainen menetelmä tuuliolosuhteiden kartoittamisessa tuulipuistojen sijaintien määrittämiseksi.

Olisiko nyt hyvä hetki näyttää jotain konkreettista LES-mallin tuloksista – vähän kuin palkinnoksi lukijalle haastattelun tässä vaiheessa?

Joo, hyvä idea! Kannattaa katsoa tämä pari kuukautta sitten julkaistu informatiivinen animaatio metsän vaikutuksesta ilmakehän rajakerroksen virtaukseen.

Onko teillä parhaillaan meneillään jotain tuulivoimaan liittyvää kehitystyötä, ja mitä olette kehittämässä LES:ssä?

No, tällä hetkellä ei ole tuulivoima-aiheisia projekteja. Olemme nyt useamman vuoden ajan keskittyneet kaupunki-ilmaston mallintamiseen, jossa onkin todella haastavia virtausongelmia. Kaupunkiympäristö rakennuksineen ja puineen rikkoo ilmakehän turbulentit pyörteet pienemmiksi rakenteiksi muodostaen puuskien ja tuulensuojien sekamelskan.

Tällaisen systeemin luotettava ennustaminen vaatii LES-mallilta ratkaisua sekä ilmakehän rajakerroksen suuriin pyörteisiin että katukuiluissa pölypilviä lennättäviin pieniin pyörteisiin – molemmat kun ovat kaupunki-ilmaston kannalta merkittäviä. Ilmatieteen laitoksella pienen LES-ryhmämme ankkuri, erikoistutkija Antti Hellsten, on Suomen Akatemian rahoittaman kehitysprojektin puitteissa tehnyt LES-malliimme erityisen ominaisuuden, joka mahdollistaa juuri tällaisten ”moniskaalaisten” virtausongelmien tehokkaamman simuloimisen.

Jos katsotaan LES:n kehittämisen tulevaisuuteen tuulivoiman kasvun näkökulmasta, mikä on mielestäsi välttämätöntä tai hyödyllistä? Entä ihan vain muuten mielenkiintoista?

Olen visioinut virtuaalisen tuulipuiston konseptia. Siinä tuulipuisto sijoitettaisiin LES-malliin, jossa on mahdollisimman tarkasti kuvattu sekä lähialueen ympäristö, maaston muodot että kasvillisuus. Tuulipuistolle ratkaistaisiin etukäteen niin sanotulla ”esilaskentamenettelyllä” eri tuulen suuntien tyypillisimmät tuuliolosuhteet ja tuuli-informaatio tallennettaisiin skaalattavaan muotoon. Nämä esilasketut tuuliratkaisut voitaisiin myöhemmin skaalata vastaamaan havaittuja tuuliolosuhteita.

Mitä hyötyä tästä olisi?

Tämä menettely mahdollistaisi tuulipuistojen virtuaalisen koeajon. Ajurina voitaisiin käyttää esimerkiksi tuulimittausten havaintohistoriaa tai sääennustemallien dataa. Menettelyllä pystyttäisiin merkittävästi vähentämään tuulipuistojen operatiivisia riskejä ja parantamaan tuulienergian tuotannon ennustettavuutta.

Eli onko tällainen siis jo toteutettavissa?

Konsepti ei ole ihan plug-and-play-vaiheessa, mutta uskon, että tehtävissä lähiaikoina. Pari ”pientä” mikrometeorologiaan liittyvää epävarmuutta pitäisi vielä selvittää. Tästä saisi kyllä hyvän hakemuksen, eikö?

Kuulostaa todella mielenkiintoiselta. Toivottavasti joku tarttuu tähän ideaan ja löydätte rahoittajan. Kiitos mielenkiintoisesta haastattelusta! – Niin, ja lupasit tähän haastattelun loppuun vielä jonkin animaation sitkeimmille lukijoille. Sen paikka taitaa olla tässä? 

Kyllä, laitetaan nyt parasta pöytään: Palkkiona visuaalisesti näyttävä esimerkki LES-mallinnuksesta, jonka avulla tutkitaan ilmakehän rajakerroksen turbulenssin vuorovaikutusta kaupunkiympäristön rakenteiden kanssa.

 

Kirjoittajat:

Mikko Auvinen
erikoistutkija
Ilmatieteen laitos
mikko.auvinen(a)fmi.fi

 

Irene Suomi
tutkija
Ilmatieteen laitos
Irene.Suomi(a)fmi.fi