Apa perbedaan antara simulasi CFD dan simulasi model atmosfer / laut realistis?

Bidang dinamika fluida komputasional (CFD) didedikasikan untuk menyelesaikan persamaan Navier-Stokes (atau penyederhanaannya). Subset CFD, model lautan dan atmosfer menyelesaikan secara numerik persamaan yang sama untuk aplikasi realistis. Apa perbedaan dan pertukaran antara pendekatan CFD umum dan kasus realistis yang diterapkan?

fluid-dynamics simulation computational-physics numerical-modelling arkaia
sumber

Model laut dan atmosfer yang menyelesaikan Navier-Stokes adalah bagian dari semua metode CFD. Seperti yang tertulis, pertanyaan ini agak mirip dengan bertanya "Apa perbedaan dan pertukaran antara sepeda gunung dan sepeda?" Apakah Anda bermaksud menanyakan asumsi atau spesialisasi apa yang dibutuhkan dalam model laut dan atmosfer? Sepertinya ini yang dijawab @Jed di bawah ini.

Doug Lipinski

Terima kasih. Saya mencoba mengedit pertanyaan sesuai. Dalam pengalaman saya, kebanyakan orang yang melakukan pemodelan laut dan atmosfer tidak akan menggambarkan diri mereka sebagai melakukan CFD.

arkaia

Saya kira saya masih tidak yakin tentang pertanyaan itu. Apa yang Anda anggap sebagai pendekatan CFD "umum". Setelah Anda mulai mendiskritisasi persamaan NS untuk CFD Anda membuat pilihan yang mengurangi generalisasi sehingga semua metode CFD dengan cara tertentu khusus untuk aplikasi yang dimaksudkan. Lebih masuk akal bagi saya untuk mendiskusikan pilihan yang dibuat (dan mengapa) dalam model dinamika fluida geofisika (GFD). Misalnya memutar frame referensi, aliran bertingkat, model turbulensi. Pilihan-pilihan itu berbeda dari misalnya CFD untuk kejutan dalam aliran transonik.

Doug Lipinski

Saya pikir pertanyaan yang Anda sebutkan tentang pilihan dalam model GFD juga relevan dan mungkin layak dikirim. Seperti yang saya lihat, apa yang saya minta dijawab dengan baik oleh @Jed_Brown

arkaia

Untuk latar belakang tertentu, Anda dapat melihat dokumentasi WRF. Misalnya, lihat www2.mmm.ucar.edu/wrf/users/docs/arw_v3.pdf

stali

Jawaban:

Atmosfer dan lautan memiliki aliran yang sangat bertingkat di mana kekuatan Coriolis adalah sumber utama dinamika. Mempertahankan keseimbangan geostrofik sangat penting dan banyak skema numerik dimaksudkan agar tepat kompatibel (setidaknya dengan tidak adanya topografi) untuk menghindari radiasi energi dalam gelombang gravitasi. Karena stratifikasi, membatasi difusi numerik vertikal sangat penting dan grid khusus sering digunakan (terutama di lautan) untuk tujuan itu. Banyak metode formulasi 2.5-dimensi yang efektif.

Untuk simulasi iklim dalam periode waktu yang lama, konservasi energi dan fluks lainnya (seperti garam) sering dianggap penting untuk hasil yang bermakna secara statistik. Metode yang kurang akurat dan memiliki artefak numerik tertentu dapat dipilih untuk menghindari redaman dinamika. Perhatikan bahwa dinamika jangka panjang mungkin tidak dihomogenisasi pada skala benua rata-rata selama beberapa dekade.

Pemecah CFD industri cenderung digunakan untuk aliran yang lebih isotropik (benar-benar 3D) dan sering mengabaikan Coriolis. Mereka sering memiliki kekuatan yang lebih kuat dan dengan demikian persyaratan konservasi energi yang kurang kritis. Adalah umum untuk menghadapi guncangan yang kuat, dalam hal ini diskritisasi spasial nonlinear harus digunakan, meskipun lebih disipatif.

Karena percobaan laboratorium sebenarnya dapat dilakukan untuk sebagian besar aplikasi industri, perangkat lunak mengalami lebih banyak validasi. Model cuaca juga memiliki validasi konstan, tetapi model iklim hampir tidak mungkin untuk divalidasi karena skala waktu yang terlibat dan pemasangan berlebihan yang tidak dapat dihindari.

Jed Brown
sumber

Meskipun harus dicatat bahwa model iklim menerima validasi melalui dua pendekatan: (i) perbandingan dengan iklim masa lalu, misalnya selama 150 tahun terakhir di mana kami memiliki data yang cukup akurat, (ii) dengan membandingkan antara berbagai model iklim yang secara independen dikembangkan. Itu bukan standar yang sama dengan yang diterapkan pada kode CFD, tetapi jauh lebih baik daripada kode biasa yang ditulis oleh para ilmuwan untuk para ilmuwan :-)

Wolfgang Bangerth

@WolfgangBangerth Masih pas. Model tergantung pada sejumlah besar parameter yang bisa diatur. Mengubah resolusi, langkah waktu, atau komponen lain dari model memerlukan "kalibrasi ulang". Rekalibrasi adalah proses yang sangat padat karya dan subyektif (banyak orang-tahun). Tidaklah mungkin untuk membuat para ilmuwan kelas dunia saat ini mengabaikan 50 tahun pengamatan terakhir sambil menghabiskan bertahun-tahun mengkalibrasi model untuk menghindari pemasangan yang berlebihan dalam upaya (berisiko) untuk mereproduksi sejarah iklim terkini.

Jed Brown

Saya tidak setuju. Kode iklim adalah makhluk halus. Saya hanya ingin menunjukkan bahwa jawaban Anda tampaknya menyiratkan bahwa kode iklim pada dasarnya tidak menerima validasi. Ini tidak benar. (Ini juga sesuatu yang wajib kami tekankan kepada masyarakat umum - lihat youtube.com/watch?v=ud7fHTswj5k ).

Wolfgang Bangerth

Dibandingkan dengan teknik atau prakiraan cuaca, yang memiliki banyak realisasi independen, iklim pada dasarnya memiliki satu kesadaran yang kita tahu menderita karena terlalu pas. Ketika saya memakai topi Matematika Terapan saya, saya ingat bahwa verifikasi seharusnya mendahului validasi dan bahwa validasi adalah proses yang berkelanjutan daripada tugas yang dapat diselesaikan. Tetapi model iklim tidak konvergen dalam ruang atau waktu, jadi sulit untuk berbicara tentang verifikasi, dan kami hanya memiliki satu realisasi.

Jed Brown

Sementara kami sebagai komunitas sepakat tentang hubungan sebab akibat tertentu dan tren umum, kami tidak dapat menyetujui apakah tanda suhu permukaan rata-rata 30 tahun di seluruh Amerika Utara adalah sesuatu yang dapat diprediksi. Memang, hasil Proyek Ensemble Besar CESM baru-baru ini menunjukkan bahwa itu mungkin tidak. Akibatnya, kita tidak tahu apakah pertanyaan kebijakan regional kuantitatif diajukan dengan baik, apalagi apakah model saat ini dapat dipercaya untuk memberikan jawaban yang bermakna. Ini bukan untuk merendahkan bidang atau mengurangi kepercayaan pada interpretasi yang lebih luas. Masalahnya sulit.

Jed Brown

Jed Brown menggambarkan pendekatan tradisional yang digunakan dalam model skala mesoscale dan lebih besar. Sebenarnya, dalam skala mikro banyak model atmosfer sangat dekat dengan kode CFD tradisional, menggunakan diskritisasi volume hingga yang serupa, kisi-kisi 3D serupa di mana vertikal diperlakukan sama seperti horisontal, dan sebagainya. Tergantung pada resolusi bahkan fitur seperti bangunan diselesaikan dengan pendekatan yang sama yang dikenal dari CFD teknik, seperti metode batas terendam atau kisi-kisi yang dipasang di badan.

Anda dapat menemukan semua teknik diskritisasi yang Anda tahu dari CFD teknik, seperti perbedaan hingga, volume terbatas, pseudo-spektral dan bahkan elemen hingga. Metode koreksi tekanan (langkah pecahan) yang sama sering digunakan untuk menyelesaikan persamaan Navier-Stokes yang tidak dapat dikompres (dengan Boussinesq atau istilah anelastik untuk daya apung).

Tentu saja, parametrization yang berbeda untuk fluks panas dan momentum dekat permukaan yang umum digunakan, dengan mempertimbangkan spesifikasi interaksi permukaan-tanah seperti kesamaan Monin-Obukhov atau hubungan semi-empiris lainnya.

Seluruh metode simulasi eddy besar (LES), sekarang sangat populer di bidang teknik, sebenarnya berasal dari meteorologi lapisan batas. Saya bahkan akan mengatakan bahwa banyak pemodel atmosfer pada skala ini tidak akan ragu sama sekali untuk menyebut CFD kerja mereka.

Dalam banyak (tetapi tidak semua) aplikasi Anda juga harus menambahkan kekuatan Coriolis. Skema tidak harus seimbang tetapi, itu hanya satu kekuatan volume tambahan. Jika Anda juga menghitung proses seperti pembentukan awan, presipitasi dan radiasi, semuanya menjadi lebih rumit, tetapi hal yang sama berlaku untuk model rekayasa yang menyelesaikan kinetika reaksi, pembakaran, dan sejenisnya.

Kelas model ini juga mencakup akuntansi untuk interaksi atmosfer laut yang Anda minta, lihat misalnya https://ams.confex.com/ams/pdfpapers/172658.pdf

Vladimir F
sumber

Perbedaan antara perangkat lunak prediksi cuaca dan "casual CFD solver" adalah bagaimana prediksi cuaca bekerja dengan transisi air. Air diperlakukan sebagai komponen kedua, sehingga model menjadi 3 dimensi dengan 2 komponen.

$\omega$ $d \omega/dt = (\omega \nabla) u + \nu \nabla^2 \omega$

sanaris
sumber

Berbagai model bekerja dengan berbagai hal. Jika maksud Anda vortisitas oleh omega daripada beberapa model cuaca menggunakannya, beberapa tidak.

Vladimir F