CFD simülasyonları ile gerçekçi okyanus / atmosfer modeli simülasyonları arasındaki farklar nelerdir?

Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (CFD), Navier-Stokes denklemlerini (veya bunların basitleştirilmesini) çözmeye adanmıştır. CFD, okyanus ve atmosferik modellerin bir alt kümesi, gerçekçi uygulamalar için aynı denklemleri sayısal olarak çözer. Genel CFD yaklaşımları ve uygulanan gerçekçi durumlar arasındaki farklar ve değişimler nelerdir?

— Arkaia
kaynak

Navier-Stokes'i çözen okyanus ve atmosfer modelleri, tüm CFD yöntemlerinin bir alt kümesidir. Yazıldığı gibi, bu soru biraz "Dağ bisikleti ve bisiklet arasındaki farklar ve değişimler nelerdir?" Okyanus ve atmosfer modellerinde hangi varsayımlara veya uzmanlıklara ihtiyaç olduğunu sormak istiyor musunuz? @Jed'in aşağıda cevapladığı şey budur.

— Doug Lipinski

Teşekkürler. Soruyu buna göre düzenlemeye çalıştım. Deneyimlerime göre, okyanus ve atmosferik modelleme yapan çoğu insan kendilerini CFD yapmak olarak tanımlamaz.

— arkaia

Soru hakkında hala emin değilim. "Genel" bir CFD yaklaşımı neyi düşünürdünüz? CFD için NS denklemlerini ayırmaya başladığınızda, genelliği azaltan seçimler yaparsınız, böylece tüm CFD yöntemleri bir şekilde amaçlanan uygulamaları için uzmanlaşır. Jeofizik akışkanlar dinamiği (GFD) modellerinde yapılan seçimleri (ve nedenini) tartışmak benim için daha anlamlı. Dönen referans çerçeveleri, tabakalı akışlar, türbülans modelleri. Bu seçenekler, transonik akışlardaki şoklar için örneğin CFD'den farklıdır.

— Doug Lipinski

GFD modellerindeki seçimler hakkında bahsettiğiniz sorunun da alakalı olduğunu ve göndermeye değer olabileceğini düşünüyorum. Gördüğüm gibi, sorduğum şey @Jed_Brown tarafından cevaplandı

— arkaia

Arka plan için WRF'nin belgelerine göz atabilirsiniz. Örneğin, bkz. Www2.mmm.ucar.edu/wrf/users/docs/arw_v3.pdf

— stali

Yanıtlar:

Atmosfer ve okyanus, Coriolis kuvvetinin önemli bir dinamik kaynağı olduğu çok katmanlı akışlara sahiptir. Jeostrofik dengenin korunması son derece önemlidir ve yerçekimi dalgalarında enerji yayılmasını önlemek için birçok sayısal şemanın tam olarak uyumlu olması (en azından topografinin yokluğunda) olması amaçlanmıştır. Tabakalaşma nedeniyle, dikey sayısal difüzyonun sınırlandırılması son derece önemlidir ve bu amaçla genellikle (özellikle okyanusta) özel ızgaralar kullanılır. Birçok yöntem etkili bir şekilde 2.5 boyutlu formülasyonlardır.

Uzun süreler boyunca iklim simülasyonu için, enerjinin ve diğer akıların (tuz gibi) korunması genellikle istatistiksel olarak anlamlı sonuçlar için kritik olarak kabul edilir. Dinamikleri sönümlemekten kaçınmak için daha az doğru olan ve bazı sayısal artefaktlara sahip yöntemler seçilebilir. Uzun vadeli dinamiklerin, birkaç on yıl boyunca ortalama kıta ölçeklerinde homojenleşmeyebileceğini unutmayın.

Endüstriyel CFD çözücüleri, daha izotropik (gerçekten 3D) ve genellikle Coriolis'i ihmal eden akışlar için kullanılma eğilimindedir. Genellikle daha güçlü zorlamalara ve dolayısıyla daha az kritik enerji tasarrufu gereksinimlerine sahiptirler. Güçlü şoklarla başa çıkmak yaygındır, bu durumda daha dağıtıcı olmasına rağmen doğrusal olmayan uzamsal takdirler kullanılmalıdır.

Laboratuar deneyleri çoğu endüstriyel uygulama için gerçekleştirilebildiğinden, yazılım daha fazla doğrulama deneyimi yaşar. Hava durumu modellerinin de sürekli doğrulaması vardır, ancak ilgili zaman ölçekleri ve kaçınılmaz aşırı uydurma nedeniyle iklim modellerinin doğrulanması neredeyse imkansızdır.

— Jed Kahve
kaynak

İklim modellerinin iki yaklaşımla doğrulama aldığını belirtmekle birlikte: (i) geçmiş iklimle karşılaştırmak, örneğin oldukça doğru verilere sahip olduğumuz son 150 yılda, (ii) bağımsız olarak farklı iklim modelleri arasında karşılaştırma yaparak gelişmiş. Bu, CFD kodlarına uygulananla aynı standart değildir, ancak bilim adamları tarafından bilim adamları için yazılmış sıradan bir koddan çok daha iyidir :-)

— Wolfgang Bangerth

@ WolfgangBangerth Hala aşırı uydurma. Modeller, ayarlanabilir parametrelerin çokluğuna bağlıdır. Çözünürlüğü, zaman adımlarını veya bir modelin diğer bileşenlerini değiştirmek için "yeniden kalibrasyon" gerekir. Yeniden kalibrasyon son derece emek-yoğun ve öznel bir süreçtir (birçok insan-yıl). Günümüzün birinci sınıf bilim adamlarının son 50 yıllık gözlemleri göz ardı etmeleri mümkün değildir, aynı zamanda son iklim tarihini yeniden üretmek için (riskli) bir girişimde aşırı uymayı önlemek için yıllarını bir modeli kalibre ederek geçirir.

— Jed Brown

Katılmıyorum. İklim kodları hassas yaratıklardır. Sadece cevabınızın iklim kodlarının temelde hiçbir doğrulama almadığını ima ettiğini belirtmek istedim. Bu doğru değil. (Bu aynı zamanda genel halka vurgulamak zorunda olduğumuz bir şeydir - bkz. Youtube.com/watch?v=ud7fHTswj5k ).

— Wolfgang Bangerth

Pek çok bağımsız gerçekleştirmeye sahip olan mühendislik veya hava durumu tahminlerine kıyasla, iklimin aslında aşırı uydurma olduğunu bildiğimiz bir farkındalığı vardır. Uygulamalı Matematik şapkamı taktığımda, doğrulamanın validasyondan önce yapılması gerektiğini ve validasyonun tamamlanabilecek bir görevden ziyade devam eden bir süreç olduğunu hatırlıyorum. Ancak iklim modelleri uzayda veya zamanda yakınsak değildir, bu nedenle doğrulama hakkında konuşmak zordur ve sadece bir farkımız var.

— Jed Brown

Bir topluluk olarak bazı nedensel ilişkiler ve genel eğilimler konusunda hemfikir olsak da, Kuzey Amerika'daki 30 yıllık ortalama yüzey sıcaklığının işaretinin tahmin edilebilecek bir şey olup olmadığı konusunda anlaşamayız. Gerçekten de, yakın zamandaki CESM Büyük Topluluk Projesi'nin sonuçları bunun olmayabileceğini düşündürmektedir. Sonuç olarak, bugünün modellerine anlamlı cevaplar vermeye güvenilip güvenilemeyeceğine bakılmaksızın, nicel bölgesel politika sorularının iyi sorulup sorulmadığını bilmiyoruz. Bu, alanı kötüleştirmek ya da daha geniş yorumlamaya olan güveni azaltmak değildir. Sorun zor.

— Jed Brown

Jed Brown mezoskal ve daha büyük ölçekli modellerde kullanılan geleneksel yaklaşımı anlattı. Aslında, mikro ölçekte birçok atmosferik model geleneksel CFD kodlarına çok yakındır, benzer sonlu hacimli takdirler, dikeyin yatay olarak benzer şekilde işlendiği benzer 3D ızgaralar ve benzerlerini kullanın. Kararlara bağlı olarak, binalar gibi özellikler, daldırılmış sınır yöntemleri veya gövdeye monte edilmiş ızgaralar gibi mühendislik CFD'sinden bilinen aynı yaklaşımlarla çözülür.

Sonlu farklar, sonlu hacimler, sözde spektral ve hatta sonlu elemanlar gibi mühendislik CFD'sinden bildiğiniz tüm ayrıklaştırma teknikleriyle karşılaşabilirsiniz. Sıkıştırılamaz Navier-Stokes denklemlerini (Boussinesq veya yüzdürme için anelastik terimlerle) çözmek için genellikle aynı basınç düzeltme (fraksiyonel adım) yöntemleri kullanılır.

Tabii ki, Monin-Obukhov benzerliği veya diğer yarı deneysel ilişkiler gibi kara-yüzey etkileşimlerinin özellikleri dikkate alınarak, yüzeye yakın ısı ve momentum akıları için farklı parametreler yaygın olarak kullanılmaktadır.

Şimdi mühendislikte çok popüler olan büyük girdap simülasyonu (LES) yöntemi aslında sınır katmanı meteorolojisinden kaynaklanmaktadır. Hatta bu ölçekte birçok atmosferik modelcinin çalışmalarına CFD demekten hiç tereddüt etmeyeceğini söyleyebilirim.

Birçok uygulamada (hepsi değil) Coriolis kuvvetini de eklemelisiniz. Şemaların iyi dengelenmiş olması gerekmemektedir, sadece bir hacim hacmidir. Bulut oluşumu, yağış ve radyasyon gibi süreçleri de hesaplarsanız, işler daha karmaşık hale gelir, ancak aynı şey reaksiyon kinetiklerini, yanmayı ve benzerlerini çözen mühendislik modelleri için de geçerlidir.

Bu model sınıfı ayrıca istediğiniz okyanus-atmosfer etkileşimlerini hesaba katanları da içerir, örneğin bkz. Https://ams.confex.com/ams/pdfpapers/172658.pdf

— Vladimir F
kaynak

Hava tahmini yazılımı ve "sıradan CFD çözücü" arasındaki fark, hava tahmininin suyun geçişi ile nasıl çalıştığıdır. Su ikinci bileşen olarak ele alındığından, model 2 bileşenle 3 boyutlu hale gelir.

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

— sanaris
kaynak

Çeşitli modeller çeşitli şeylerle çalışır. Bazı hava modellerinde kullanılana göre omega ile girdap demek istiyorsan, bazıları kullanmıyor.

— Vladimir F