Sự khác biệt giữa mô phỏng CFD và mô phỏng mô hình đại dương / khí quyển thực tế là gì?

Lĩnh vực động lực học chất lỏng tính toán (CFD) được dành riêng để giải các phương trình Navier - Stokes (hoặc một số đơn giản hóa chúng). Một tập hợp con của CFD, mô hình đại dương và khí quyển giải quyết một cách số lượng các phương trình tương tự cho các ứng dụng thực tế. Sự khác biệt và đánh đổi giữa các phương pháp CFD chung và các trường hợp thực tế được áp dụng là gì?

Khí quyển và đại dương có dòng chảy phân tầng cao, trong đó lực Coriolis là một nguồn động lực chính. Duy trì cân bằng địa chất là vô cùng quan trọng và nhiều sơ đồ số được dự định là tương thích chính xác (ít nhất là khi không có địa hình) để tránh năng lượng bức xạ trong sóng trọng lực. Do sự phân tầng, việc hạn chế khuếch tán số dọc là cực kỳ quan trọng và các lưới đặc biệt thường được sử dụng (đặc biệt là trong đại dương) cho mục đích đó. Nhiều phương pháp có hiệu quả công thức 2,5 chiều.

Đối với mô phỏng khí hậu trong thời gian dài, bảo tồn năng lượng và các thông lượng khác (như muối) thường được coi là rất quan trọng đối với các kết quả có ý nghĩa thống kê. Các phương pháp ít chính xác hơn và có các tạo tác số nhất định có thể được chọn để tránh làm giảm động lực học. Lưu ý rằng các động lực dài hạn có thể không đồng nhất hóa ở quy mô lục địa trung bình trong nhiều thập kỷ.

Các bộ giải CFD công nghiệp có xu hướng được sử dụng cho các dòng có nhiều đẳng hướng (3D thực sự) và thường bỏ qua Coriolis. Họ thường có lực lượng mạnh hơn và do đó yêu cầu bảo tồn năng lượng ít quan trọng hơn. Nó là phổ biến để đối phó với các cú sốc mạnh, trong trường hợp đó phải sử dụng sự phân biệt không gian phi tuyến, mặc dù có nhiều tiêu tan hơn.

Bởi vì các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm thực sự có thể được thực hiện cho hầu hết các ứng dụng công nghiệp, phần mềm trải nghiệm xác nhận nhiều hơn. Các mô hình thời tiết cũng có xác nhận liên tục, nhưng các mô hình khí hậu gần như không thể xác nhận do quy mô thời gian liên quan và không thể tránh khỏi sự phù hợp quá mức.

Jed Brown đã mô tả phương pháp truyền thống được sử dụng trong các mô hình quy mô lớn và quy mô lớn hơn. Trên thực tế, trong kính hiển vi, nhiều mô hình khí quyển rất gần với mã CFD truyền thống, sử dụng sự phân biệt khối lượng hữu hạn tương tự, các lưới 3D tương tự trong đó dọc được xử lý tương tự như ngang, v.v. Tùy thuộc vào độ phân giải, ngay cả các tính năng như các tòa nhà cũng được giải quyết bằng các phương pháp tương tự được biết đến từ CFD kỹ thuật, như các phương pháp đường biên chìm hoặc lưới được trang bị thân máy.

Bạn có thể bắt gặp tất cả các kỹ thuật phân biệt mà bạn biết từ CFD kỹ thuật, như sự khác biệt hữu hạn, khối lượng hữu hạn, giả phổ và các yếu tố hữu hạn. Các phương pháp điều chỉnh áp suất tương tự (bước phân đoạn) thường được sử dụng để giải các phương trình Navier-Stokes không thể nén (với các thuật ngữ Boussinesq hoặc anelastic cho độ nổi).

Tất nhiên, thông số khác nhau cho các thông lượng nhiệt và động lượng gần bề mặt thường được sử dụng, có tính đến các đặc điểm của các tương tác trên mặt đất như sự tương đồng của Monin - Obukhov hoặc các mối quan hệ bán thực nghiệm khác.

Toàn bộ phương pháp mô phỏng xoáy lớn (LES), hiện đang rất phổ biến trong kỹ thuật, thực sự bắt nguồn từ khí tượng học lớp biên. Tôi thậm chí sẽ nói rằng nhiều nhà lập mô hình khí quyển ở quy mô này sẽ không ngần ngại gọi CFD công việc của họ.

Trong nhiều ứng dụng (nhưng không phải tất cả), bạn cũng phải thêm lực Coriolis. Các sơ đồ không cần phải được cân bằng tốt, tuy nhiên, nó chỉ là một lực lượng bổ sung. Nếu bạn cũng tính toán các quá trình như hình thành đám mây, lượng mưa và bức xạ, mọi thứ trở nên phức tạp hơn, nhưng điều tương tự cũng xảy ra đối với các mô hình kỹ thuật giải quyết động học phản ứng, đốt cháy và tương tự.

Lớp mô hình này cũng bao gồm những mô hình kế toán cho các tương tác không khí đại dương mà bạn đã yêu cầu, xem ví dụ https://ams.confex.com/ams/pdfauge/172658.pdf

Sự khác biệt giữa phần mềm dự báo thời tiết và "người giải CFD thông thường" là cách dự đoán thời tiết hoạt động với sự chuyển đổi của nước. Nước đang được coi là thành phần thứ hai, vì vậy mô hình trở thành 3 chiều với 2 thành phần.

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