Jakie są różnice między symulacjami CFD a realistycznymi symulacjami modelu ocean / atmosfera?

Pole obliczeniowej dynamiki płynów (CFD) poświęcone jest rozwiązywaniu równań Naviera-Stokesa (lub ich uproszczeniu). Podzbiór modeli CFD, oceanicznych i atmosferycznych rozwiązuje liczbowo te same równania dla realistycznych zastosowań. Jakie są różnice i kompromisy między ogólnym podejściem do CFD a zastosowanymi realistycznymi przypadkami?

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

Modele oceaniczne i atmosferyczne, które rozwiązują Naviera-Stokesa, stanowią podzbiór wszystkich metod CFD. Jak napisano, pytanie to przypomina trochę pytanie „Jakie są różnice i kompromisy między rowerami górskimi a rowerami?” Czy chcesz zapytać, jakie założenia lub specjalizacje są potrzebne w modelach oceanicznych i atmosferycznych? Wygląda na to, że @Jed odpowiada poniżej.

Doug Lipiński

Dzięki. Próbowałem odpowiednio edytować pytanie. Z mojego doświadczenia wynika, że większość ludzi wykonujących modelowanie oceaniczne i atmosferyczne nie opisałaby siebie jako CFD.

arkaia

Wydaje mi się, że wciąż nie jestem do końca pewien tego pytania. Co uważasz za „ogólne” podejście do CFD. Kiedy zaczniesz dyskretyzować równania NS dla CFD, dokonujesz wyborów, które zmniejszają ogólność, więc wszystkie metody CFD są w pewien sposób wyspecjalizowane dla ich zamierzonych zastosowań. Bardziej sensowne jest dla mnie omawianie wyborów dokonywanych (i dlaczego) w modelach geofizycznych płynów (GFD). Np. Obrotowe ramy odniesienia, przepływy warstwowe, modele turbulencji. Wybory te są inne niż np. CFD dla szoków w przepływach transonicznych.

Doug Lipinski

Myślę, że pytanie, które wspominasz o wyborach w modelach GFD, jest również istotne i może warto je opublikować. Jak widzę, na to, o co proszę, dobrze odpowiada @Jed_Brown

arkaia

Dla pewnego tła możesz zapoznać się z dokumentacją WRF. Np. Patrz www2.mmm.ucar.edu/wrf/users/docs/arw_v3.pdf

stali

Odpowiedzi:

Atmosfera i ocean mają wysoce rozwarstwione przepływy, w których siła Coriolisa jest głównym źródłem dynamiki. Utrzymanie równowagi geostroficznej jest niezwykle ważne, a wiele schematów numerycznych ma być dokładnie zgodnych (przynajmniej przy braku topografii), aby uniknąć promieniowania energii w falach grawitacyjnych. Ze względu na stratyfikację ograniczenie dyfuzji numerycznej w pionie jest niezwykle ważne i do tego celu często stosuje się specjalne siatki (szczególnie w oceanie). Wiele metod to skutecznie preparaty 2,5-wymiarowe.

W przypadku symulacji klimatu w długich okresach często uważa się, że zachowanie energii i innych strumieni (takich jak sól) ma krytyczne znaczenie dla wyników istotnych statystycznie. Metody, które są mniej dokładne i mają określone artefakty numeryczne, mogą być wybrane w celu uniknięcia tłumienia dynamiki. Należy zauważyć, że długoterminowa dynamika może nie ujednolicić się w skalach kontynentalnych uśrednionych z wielu dziesięcioleci.

Przemysłowe solwery CFD są zwykle używane do przepływów, które są bardziej izotropowe (autentycznie 3D) i często pomijają Coriolisa. Często mają silniejsze siły, a tym samym mniej krytyczne wymagania dotyczące oszczędzania energii. Często występują silne wstrząsy, w których to przypadkach należy stosować nieliniowe dyskretyzacje przestrzenne, mimo że są bardziej rozpraszające.

Ponieważ eksperymenty laboratoryjne można faktycznie przeprowadzić dla większości aplikacji przemysłowych, oprogramowanie podlega większej weryfikacji. Modele pogodowe również podlegają stałej walidacji, ale modele klimatyczne są prawie niemożliwe do walidacji ze względu na stosowaną skalę czasową i nieuniknione nadmierne dopasowanie.

Jed Brown
źródło

Chociaż należy zauważyć, że modele klimatu podlegają walidacji za pomocą dwóch podejść: (i) porównania z klimatem w przeszłości, na przykład w ciągu ostatnich 150 lat, w których mamy dość dokładne dane, (ii) poprzez porównanie różnych modeli klimatu, które są niezależnie rozwinięty. To nie jest ten sam standard, co stosowany do kodów CFD, ale jest znacznie lepszy niż jakikolwiek zwykły kod napisany przez naukowców dla naukowców :-)

Wolfgang Bangerth

@WolfgangBangerth Nadal jest przeregulowany. Modele zależą od mnóstwa dostrajalnych parametrów. Zmiana rozdzielczości, przedziałów czasowych lub innych elementów modelu wymaga „ponownej kalibracji”. Ponowna kalibracja jest niezwykle pracochłonnym i subiektywnym procesem (wiele osobolat). Po prostu niemożliwe jest, aby dzisiejsi światowej klasy naukowcy zignorowali ostatnie 50 lat obserwacji podczas spędzania lat na kalibrowaniu modelu, aby uniknąć nadmiernego dopasowania w (ryzykownej) próbie odtworzenia najnowszej historii klimatu.

Jed Brown,

Nie zgadzam się Kody klimatyczne to delikatne stworzenia. Chciałem tylko zaznaczyć, że twoja odpowiedź wydaje się sugerować, że kody klimatyczne zasadniczo nie podlegają weryfikacji. To nie jest prawda. (Jest to również coś, co jesteśmy zobowiązani do podkreślenia opinii publicznej - patrz youtube.com/watch?v=ud7fHTswj5k ).

Wolfgang Bangerth,

W porównaniu z prognozami inżynieryjnymi lub pogodowymi, które mają wiele niezależnych realizacji, klimat ma zasadniczo jedną realizację, o której wiemy, że cierpi z powodu nadmiernego dopasowania. Kiedy zakładam czapkę matematyki stosowanej, przypominam sobie, że weryfikacja powinna poprzedzać walidację i że walidacja jest procesem ciągłym, a nie zadaniem, które można wykonać. Ale modele klimatyczne nie są zbieżne w przestrzeni ani w czasie, więc trudno mówić o weryfikacji, a my mamy tylko jedną realizację.

Jed Brown,

Chociaż jako społeczność zgadzamy się co do pewnych związków przyczynowych i ogólnych trendów, nie możemy się zgodzić co do tego, czy znak 30-letniej średniej temperatury powierzchni w Ameryce Północnej jest czymś, co można przewidzieć. Rzeczywiście wyniki ostatniego projektu dużego zespołu CESM sugerują, że tak nie jest. W związku z tym nie wiemy, czy pytania ilościowe dotyczące polityki regionalnej są dobrze postawione, nie mówiąc już o tym, czy można zaufać dzisiejszym modelom i dać sensowne odpowiedzi. Nie ma to na celu oczernienia pola ani zmniejszenia zaufania do szerszej interpretacji. Problem jest trudny.

Jed Brown,

Jed Brown opisał tradycyjne podejście stosowane w modelach mezoskalowych i większych. W rzeczywistości w mikroskali wiele modeli atmosferycznych jest bardzo zbliżonych do tradycyjnych kodów CFD, stosuje podobne dyskretyzacje o skończonej objętości, podobne siatki 3D, w których pion jest traktowany podobnie jak poziomo i tak dalej. W zależności od rozdzielczości nawet funkcje takie jak budynki są rozwiązywane przy użyciu tych samych metod znanych z inżynieryjnego CFD, takich jak metody zanurzenia na granicy lub siatki montowane na nadwoziu.

Możesz napotkać wszystkie techniki dyskretyzacji, które znasz z inżynierskiego CFD, takie jak skończone różnice, skończone objętości, pseudo-spektralne, a nawet skończone elementy. Te same metody korekcji ciśnienia (krok ułamkowy) są często stosowane do rozwiązywania nieściśliwych równań Naviera-Stokesa (z Boussinesq lub anelastycznymi określeniami wyporu).

Oczywiście powszechnie stosuje się różne parametryzacje strumieni ciepła i pędu w pobliżu powierzchni, biorąc pod uwagę specyfikę interakcji ląd-powierzchnia, takich jak podobieństwo Monina-Obuchowa lub inne relacje półempiryczne.

Cała metoda symulacji dużych wirów (LES), obecnie bardzo popularna w inżynierii, faktycznie wywodzi się z meteorologii warstw granicznych. Powiedziałbym nawet, że wielu modelarzy atmosferycznych w tej skali nie zawahałoby się nazywać swojej pracy CFD.

W wielu (ale nie wszystkich) aplikacjach musisz również dodać siłę Coriolisa. Schematy nie muszą być dobrze wyważone, jest to tylko jedna dodatkowa siła objętości. Jeśli obliczymy również takie procesy, jak tworzenie się chmur, opady i promieniowanie, sprawy staną się bardziej skomplikowane, ale to samo dotyczy modeli inżynieryjnych, które rozwiązują kinetykę reakcji, spalanie i podobne.

Ta klasa modeli obejmuje również te uwzględniające interakcje ocean-atmosfera, o które prosiłeś, patrz na przykład https://ams.confex.com/ams/pdfpapers/172658.pdf

Vladimir F.
źródło

Różnica między oprogramowaniem do prognozowania pogody a „zwykłym solwerem CFD” polega na tym, jak prognozowanie pogody działa z przejściem wody. Woda jest traktowana jako drugi komponent, więc model staje się trójwymiarowy z 2 komponentami.

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

sanaris
źródło

Różne modele działają z różnymi rzeczami. Jeśli masz na myśli wirowość omegą niż niektóre modele pogodowe, używaj jej, a niektóre nie.

Vladimir F.