Numerisk modellering og simulering av snødrift

Sommer og vintersituasjon rundt bygning i Fuglenesdalen, Hammerfest (Foto: Nielsen/Sundsbø).

Modellering av snødrift
For å løse eventuelle problemer som følge av snødrift og fonndannelse benyttes ofte modellering. Modellering kan her være i form av fysiske modellforsøk i vindtunnel eller numeriske snødrift simuleringer (datamaskinberegninger). Forsøk i vindtunnel er oftest vært utført i redusert skala, noe som har vist seg å være tid- og kostnadskrevende. Dessuten vil forsøk i redusert skala medføre visse feil som følge av skaleringen. For eksempel kan det nevnes at bruk av ”kunstig” snø for å modellere snødrift omkring bygninger i en skala på 1:200, tilsvarer en situasjon der snøpartiklene er på størrelse med basketballer. I tillegg kommer avvik som følge av skalering av vindfeltet.

Numerisk modellering og simulering av snødrift
Utviklingen innen datateknologi har ført til at numeriske simuleringer nå er det viktigste verktøyet ved lokalklimaanalyser. Det fins i dag en rekke kommersielle dataprogrammer som kan utføre simuleringer av vindfelt, for eksempel rundt bygninger i terreng. Modellering av vindfelt alene, kan gi oss indikasjoner hvor fonndannelse vil oppstå, men dette vil ikke være en fullstendig snødriftanalyse uten analyse av snøtransport. Det eksisterer svært få verifiserte simuleringsprogram som kan simulere snødrift i vind, med tilhørende nødvendige prosesser for snøtransport og fonndannelse.

En numerisk snødriftmodell bør minimum inkludere:
• verifisert vind- og turbulensmodellering
• snøtransportmodellering med byksing og suspensjon
• snøflatemodellering som inkluderer erosjon og akkumulering av snøflater

Ved Høgskolen i Narvik har vi utviklet en egen modell for simulering av snødrift, som inkluderer verifiserte snøtransport modellering og en kompakt snøoverflate som kontinuerlig endrer seg som følge av oppbygging og erosjon av vindbåren snø. En slik modell er basert på en rekke matematiske ligninger for fluid/vindbevegelser, samt ligninger for bevegelse og transport av snø. Snødriftmodellen ved HiN er verifiserte gjennom fysiske forsøk, oppdragsvirksomhet og publikasjoner i internasjonale tidskrifter og konferanser. Modellen er utviklet fra den kommersielle programvaren FLOW-3D, som er et generelt, 3D finite volume program, anvendelig for flerfasestrømning.

Det generelle feltet hvor datamaskiner benyttes for numerisk modellering av strømninger i gass og væske, kalles Computational Fluid Dynamics (CFD). CFD baserer seg på å løse de grunnleggende ligninger for fluidstrømninger. FLOW-3D er i utgangspunktet er et generelt verktøy for modellering av alle typer strømninger, også masse og varmeoverføring. Innen CFD fins det mange ulike numeriske modeller. Noen er spesielt tilpasset spesielle strømningstilfeller, mens andre er mer generelle. Det er svært viktig å velge riktig modell, samt å gi de riktige inngangsdata. Av den grunn forutsetter anvendelse av CFD relativt gode kunnskaper innen fluid strømninger.

Eksempel: Datasimuleringer av ledeskjerm på bygning
Figuren under t.v. viser resultater fra en numerisk simulering av snødrift hvor det oppstår fonndannelse på lesiden bak en flat bygning. Leskavlen legger seg ofte inntil bygningen og kan ved store snødriftmengder bli svært høy. Figuren t.h. viser samme simulering som t.v., men nå er bygningen utstyrt med en ledeskjerm som sørger for renblåsning av snø bak bygningen. Det som her skjer er at ledeskjermen fører vind ned bak bygningen og ”spyler” bort snøen. Dette viser også hvordan datasimuleringer kan benyttes for finne fram til konstruksjoner som kan redusere uheldig fonndannelse. Bruk av ledeskjermer vil for mange virke uestetisk skjemmende på tradisjonelle bygninger, men kan benyttes der arkitektur og byggeskikk tillater dette. 

Eksempel: Datasimuleringer av snødrift rundt bygningsgruppe
Figuren under t.v. viser resultater fra en numerisk simulering av vind og snødrift rundt et planlagt utbyggingsforslag for Fjordtun skole i Rypefjord. Analysen er utført med hensyn til dominerende vintervindretning fra SSØ. Skolen ligger i et område hvor det i perioder kan være store snøfall og mye snødrift. Simuleringene er utført rundt aktuelle bygningsvolumer der mindre utspring, balkonger, bygningsdetaljer etc er utelatt. Resultatene fra slike simuleringer kan benyttes av planleggere til evaluere effekter av utbyggingsforslag, samt planlegge utnyttelse av omkringliggende arealer.

Eksempel: Datasimuleringer av snødrift rundt vegskjæring med autovern
Figurene under viser resultater fra datasimuleringer av snødrift og fonndannelse rundt vegprofil, med og uten autovern. Autovernene fører i dette tilfellet til en stor nok reduksjon i vindhastighetene til at det oppstår begynnende fonndannelse på veg. Dette er i overensstemmelse med erfaringer fra norske vinterveger. I tillegg hindrer autovern ofte effektiv utkast og fjerning av snø under snørydding. Dermed vil dannelsen av skavler skje meget hurtigere, noe som igjen øker snølagring og reduserer sikt på vegen.

Tilsvarende datasimulering som vist over, her rundt vegprofil med autovern (Sundsbø & Bang 1998).

Eksempel: Datasimuleringer av snødrift under ledeskjerm i Nordalen
Bildet under viser en ledeskjerm som er plassert på en fjellveg Skjomen, som disponeres av Statkraft. Ledeskjermer konstrueres for å lede vind og snødrift i ønsket retning. Denne vegseksjonen var tidligere blokkert av drivsnø og fonndannelsen var her så omfattende at det ikke var mulig å passere med bandvogn. Løsningen på problemet var å bygge en ledeskjerm. Ledeskjermen fører til renblåsning av vegseksjonen ved at vinden presses under skjermen, mot vegbanen. Bruk av ledeskjermer er særlig nyttig der det ikke er plass eller mulighet, til å samle drivsnø før den når vegen.

Animasjon av simulering av snødrift under ledeskjerm ved veg   (Krever bredbånd ~70 Mb fil)

Når anvendes datasimuleringer av vind og snødrift?
Simuleringenes hensikt er å modellere klimatiske effekter man ikke kan fastslå gjennom erfaring, men ønsker å vite omfang eller størrelse på. Dette er tilfellet for de aller fleste lokalklimavurderinger hvor man ønsker å kartlegge vind og fonndannelse. 

Modellering av snødrift bør benyttes som planleggingsverktøy i en eller flere, av følgende tilfeller:

• ved komplekse strukturer og bygninger (eks store sammensatte bygningsstrukturer)
• der strukturer gjensidig påvirker vindmønsteret (eks bebyggelsesområder)
• ved komplekst og kupert terreng
• der konsekvensene av uheldig fonndannelse kan bli store
• eller generelt, der omfanget og distribusjon av fonndannelse synes uklar og ikke kan bestemmes ved hjelp av erfaringer

I praksis utføres ofte snødriftanalyser i planleggingen av boligfelt, utbyggingsområder, veg og jernbane i snørike områder. Ved planlegging av utyggingsprosjekter er det viktig å ta hensyn til følgende:

• På et tidlig stadium i en eventuell byggeprosess bør det gjøre en kvalifisert vurdering vedrørende om det er nødvendig med videre snødriftanalyser og simuleringer. Denne vurderingen bør være basert på en analyse av lokale klimaforhold.
• Hvis det er aktuelt med snødriftanalyser og simuleringer, gjøres disse mest hensiktsmessig sammen med en vindanalyse med hensyn til vindkomfort i uterommene.
• Videre er det hensiktsmessig å utføre analyser og simuleringer for å klargjøre eventuelle effekter av planlagte eller foreslåtte klimatiltak.

Under utbyggingsprosjekter er det særdeles viktig å ta hensyn til klimaplanlegging så tidlig så mulig i prosessen. Dette fordi at krav og nødvendige hensyn til vind og snødrift ofte kommer som en overraskelse på planleggerne, på et stadium der endringer er vanskelige å gjennomføre.

Hvordan anvendes datasimuleringer av vind og snødrift?
For at datasimuleringer av vind og snødrift skal kunne benyttes som planleggingsverktøy må man benytte  lokalklimatiske verdier som input til programmet. En databeregning blir ikke mer riktig enn de verdier som benyttes som input. All planlegging med hensyn til vind og snødrift starter derfor med kartlegging av lokalklimatiske forhold. Lokal skala er et område i størrelsen 100 m – 20 km (mesoskala, 10-200 km). Snødriftanalyser krever kjennskap til nedbørsforhold, snødrivende hovedvindretninger og terreng. Snødriftretning kan i mange tifeller enklest finnes vha studie av skavl formene ved konstruksjoner, på steiner og lignende. Ofte vil det være en dominerende vindretning som skaper problemer de største problemene. En plagsom snøfonn har en tendens til å komme på samme sted, og med tilnærmet samme form, år etter år. Også selv om været tilsynelatende viser variasjoner.

Informasjon om lokale vind og snødriftforhold kan fås gjennom:
• Statiske klimadata (eks målinger fra DNMI)
• Feltmålinger (eks oppsetting av målestasjon for vindretning, hastighet, temperatur)
• Feltobservasjoner (eks vegetasjon, terrengerosjon, snødriftretninger, snødriftmengder)
• Samtaler med lokalkjente

I prosjekter hvor viktigheten av klimaplanleggingen er stor, er det et krav til at det skal ha vært utført statistiske klimamålinger over tid. Dette for å kunne ta hensyn til årlige variasjoner i klimaforholdene. Dette gjelder for eksempel, for prosjekter som utbyggingen av Melkøya og Gardemoen.

Datasimuleringer av vind og snødrift utføres ved at man legger inn geometri og klimaparametere som input i simuleringsprogrammet. Valg av input, utføring av simulering og videre tolkning av simuleringsresultater er en komplisert prosess som i dag kun kan utføres av personer med god kjennskap til klimaanalyser og strømningsberegninger. Det vil ennå ta en stund før slike planleggingsverktøy vil være tilgjengelig og anvendelig for planleggere flest. 

Klimaplanleggeren bør i mange tilfeller inngå som en naturlig del av prosjekteringsgrupper, slik at klimaplanlegging kan inngå fra skisse- til detaljprosjekt.

Snødrift - snow engineering

Snow engineering er betegnelse på et bredt ingeniørmessig område som omfatter all interaksjon mellom snø og menneskeskapte strukturer. Noen av de viktigste områdene er:

• Snødrift og fonndannelse rundt bygninger og infrastruktur
• Snøskred
• Snølaster
• Vintervedlikehold
• Snø fordeling (hydrologi)
• Ski teknikk/mekanikk
• Generell snøfysikk

Den første befolkningen i snørike områder tilrettela sitt levesett i takt med naturen og aksepterte sesongene med minimale inngrep. Figuren under viser vindmønster og fonndannelse rundt torvgamme i Alaska. Gammens enkle og strømlinjede utformingen gir en minimalisering av vindmotstand, ved vind fra begge sider. Det blir som regel liten fonndannelse rundt strømlinjeformede strukturer.

Prinsipp for plassering av snøskjermer for å hindre drivsnø i å danne skredfarlig fonn (Norem, 1993).

Forskning og utvikling innen utforming av bygninger og bygningsgrupper i snørike områder er også et tradisjonsrikt felt innen snow engineering. Her har arkitektene dominert utviklingen. Dette gjennom målrettede studier av form og funksjonalitet til bygninger i kaldt klima. Den fremste norske, bidragsyter på dette området er Anne Brit Børve. Hennes doktoravhandling, Hus og husgrupper i klimautsatte, kalde strøk. Utforming og virkemåte, er fremdeles å regnes som et av de mest omfattende studier som er utført på bygninger i snørike områder.


I dag utføres det meste av forskning og utvikling innen snow engineering i land som Sveits, Østerrike, USA, Canada, Japan, Sverige og Norge. Som ellers innenfor teknologiske fagområder, går utviklingen i retning av:

• Bedre simuleringsverktøy
• Mer brukervennlige simuleringsverktøy
• Modeller som kan integreres med andre planleggingsverktøy

Utførelse av fysiske snødriftforsøk og observasjoner vil alltid være en nødvendig for kalibrere simuleringsmodeller og for generelt tilføre ny viten. Viktigst av alt er ikke å glemme at simuleringsprogram kun er verktøy og at vår beste kunnskap er generell viten om klimatiske prosesser.

Transportformer i snødrift

Snøen faller til bakken som snøkrystaller. Nyfalt snø er oftest ikke særlig kompakt lagret og krystallene kan lett bli transportert bort av vind. Under vindtransport brytes snøkrystallene gradvis ned til mindre snøpartikler og vil etter hvert bare være fragmenter av de opprinnelige snøkrystallene. Vindtransport av snøpartikler kan klassifiseres inn i de tre transportformene: kryping, byksing og suspensjon. Kryping (creep) referer seg til rullende eller skliende partikkelbevegelser langs snøoverflaten, byksing (saltation) til små hoppende bevegeleser over snøoverflaten og suspensjon (suspension) til svevende partikler i luftstrømningene, se figuren under.

En naturlig sammensetning av snø består av et bredt spekter av partikkelstørrelser. I de fleste situasjoner vil snødrift over terreng bestå av alle de tre nevnte transportformene. Større snøpartikler vil ligge i ro, eller bli transportert ved hjelp av kryping. Middels store partikler vil bli transportert gjennom byksing, mens mindre partikler vil bli svevende i suspensjon. Mengden av transport i hver transportform vil avhenge av vindstyrke, turbulens, snøegenskaper og distribusjon av partikkelstørrelser og former. Det kan være vanskelig å skille kryping og korte byksing bevegelser, da disse transportformene er svært like og siden partikkelbevegelser ofte er kaotiske.

Snødrift som domineres av kryping akkumuleres ofte i typiske småbølge mønster, lik det vi kan observere for sand drift. Transport ved hjelp av kryping langs terrengoverflaten kan noen ganger være tilstrekkelig til å fylle en snøskjerm i løpet av timer (Tabler, 1988a).

For typiske eller gjennomsnittelige snødriftforhold vil byksing sannsynligvis være den mest dominerende transportformen og Kind (1986) anslo byksing som den viktigste faktor for vindhastigheter mindre enn 15 m/s. Det tilsier at det meste av snøtransport vanligvis foregår nær snøoverflaten og dette har innvirkning for eventuelle snøskjermingstiltak. Selv om antall partikler i suspensjon i mange tilfeller kan være betydelig, kan den totale transportmengde av disse små partiklene være mindre enn ventet.

Snødrift forårsaker ikke bare problemer som følger av uheldig fonndannelse rundt bygninger, konstruksjoner og i terreng. Fonndannelse som følge av snødrift er en av de viktigste årsaker til snøskred. Snøfokk skaper også siktproblemer og fører ofte til ulykker på vintervegene.