อะไรคือความแตกต่างระหว่างการจำลอง CFD และแบบจำลองมหาสมุทร / บรรยากาศจริง?

สาขาพลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณ (CFD) อุทิศตนเพื่อแก้สมการเนเวียร์ - สโตคส์ (หรือทำให้เรียบง่ายขึ้น) ชุดย่อยของ CFD มหาสมุทรและแบบจำลองบรรยากาศแก้สมการเดียวกันสำหรับการใช้งานจริง อะไรคือความแตกต่างและการแลกเปลี่ยนระหว่างแนวทาง CFD ทั่วไปกับกรณีที่ใช้จริง

บรรยากาศและมหาสมุทรมีการไหลเวียนของชั้นบรรยากาศที่แรงโคลิโอลิสเป็นแหล่งกำเนิดของการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญ การรักษาความสมดุลของ geostrophic เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งและแผนการตัวเลขจำนวนมากมีวัตถุประสงค์เพื่อให้เข้ากันได้อย่างแน่นอน (อย่างน้อยก็ในกรณีที่ไม่มีภูมิประเทศ) เพื่อหลีกเลี่ยงการแผ่พลังงานในคลื่นแรงโน้มถ่วง เนื่องจากการแบ่งชั้นการ จำกัด การแพร่กระจายในแนวตั้งเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งและมักใช้กริดพิเศษ (โดยเฉพาะในมหาสมุทร) เพื่อจุดประสงค์นั้น วิธีการหลายอย่างมีประสิทธิภาพสูตร 2.5 มิติ

สำหรับการจำลองสภาพภูมิอากาศในช่วงเวลานานการอนุรักษ์พลังงานและฟลักซ์อื่น ๆ (เช่นเกลือ) มักถูกพิจารณาว่ามีความสำคัญสำหรับผลลัพธ์ที่มีความหมายทางสถิติ วิธีการที่มีความแม่นยำน้อยกว่าและมีสิ่งประดิษฐ์ที่เป็นตัวเลขบางอย่างอาจถูกเลือกเพื่อหลีกเลี่ยงการทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลง โปรดทราบว่าการเปลี่ยนแปลงในระยะยาวอาจไม่ทำให้เป็นเนื้อเดียวกันในระดับทวีปโดยเฉลี่ยในช่วงหลายทศวรรษ

ตัวแก้ CFD อุตสาหกรรมมักใช้กับกระแสที่มี isotropic มากกว่า (3D อย่างแท้จริง) และมักจะละเลย Coriolis พวกเขามักจะมีการบังคับที่แข็งแกร่งและทำให้ความต้องการการอนุรักษ์พลังงานที่สำคัญน้อยลง เป็นเรื่องปกติที่จะต้องรับมือกับแรงกระแทกที่รุนแรงซึ่งในกรณีนี้จะต้องใช้การแบ่งแยกเชิงพื้นที่แบบไม่เชิงเส้นแม้จะมีการกระจายมากขึ้น

เนื่องจากสามารถทำการทดลองในห้องปฏิบัติการสำหรับแอปพลิเคชันอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ซอฟต์แวร์จะได้รับการตรวจสอบมากขึ้น แบบจำลองสภาพอากาศยังมีการตรวจสอบความถูกต้องอย่างต่อเนื่อง แต่แบบจำลองสภาพภูมิอากาศนั้นแทบจะเป็นไปไม่ได้ที่จะตรวจสอบความถูกต้องเนื่องจากเกล็ดเวลาที่เกี่ยวข้อง

Jed Brown อธิบายวิธีการดั้งเดิมที่ใช้ในเครื่อง Mesoscale และเครื่องชั่งขนาดใหญ่กว่า ในความเป็นจริงในกล้องจุลทรรศน์แบบจำลองบรรยากาศหลายแบบอยู่ใกล้กับรหัส CFD แบบดั้งเดิมมากใช้ discretizations ปริมาณ จำกัด ที่คล้ายกันกริด 3 มิติที่คล้ายกันซึ่งแนวตั้งจะได้รับการปฏิบัติเหมือนกันในแนวนอน ขึ้นอยู่กับความละเอียดแม้คุณสมบัติเช่นอาคารได้รับการแก้ไขด้วยวิธีการเดียวกันที่รู้จักกันในวิศวกรรม CFD เช่นวิธีการแช่ขอบเขตหรือกริดติดตั้งร่างกาย

คุณสามารถพบกับเทคนิคการแยกส่วนทั้งหมดที่คุณรู้จักจาก CFD ทางวิศวกรรมเช่นความแตกต่างอันตะ จำกัด ปริมาณปริมาตรไฟหลอกหลอกและองค์ประกอบที่แน่นอน วิธีการแก้ไขความดัน (เศษส่วน - ขั้นตอน) แบบเดียวกันมักใช้เพื่อแก้สมการเนเวียร์ - สโตกส์ที่อัดไม่ได้ (ด้วย Boussinesq หรือเงื่อนไขเชิงขั้วสำหรับการลอยตัว)

แน่นอนว่าการใช้พาราเมทเทรเซชั่นที่แตกต่างกันสำหรับฟลักซ์ความร้อนและโมเมนตัมใกล้พื้นผิวมักถูกนำมาใช้โดยคำนึงถึงลักษณะเฉพาะของปฏิสัมพันธ์ระหว่างพื้นผิวดินเช่นความคล้ายคลึงกันของ Monin-Obukhov หรือความสัมพันธ์กึ่งประจักษ์อื่น ๆ

วิธีการจำลองแบบวนทั้งหมด (LES) ซึ่งเป็นที่นิยมอย่างมากในด้านวิศวกรรมนั้นมาจากอุตุนิยมวิทยาชั้นเขตแดนจริงๆ ฉันจะบอกว่าผู้สร้างแบบจำลองบรรยากาศจำนวนมากในระดับนี้จะไม่ลังเลเลยที่จะเรียกงาน CFD ของพวกเขา

ในแอปพลิเคชั่นมากมาย (แต่ไม่ใช่ทั้งหมด) คุณต้องเพิ่มแรงโคลิโอลิสด้วย รูปแบบไม่จำเป็นต้องมีความสมดุลที่ดี แต่มันเป็นเพียงแรงปริมาณหนึ่งเพิ่มเติม หากคุณคำนวณกระบวนการเช่นการก่อตัวของเมฆการตกตะกอนและการแผ่รังสีสิ่งต่าง ๆ มีความซับซ้อนมากขึ้น แต่สิ่งที่เหมือนกันสำหรับแบบจำลองทางวิศวกรรมซึ่งแก้จลศาสตร์ของปฏิกิริยาการเผาไหม้และสิ่งที่คล้ายกัน

รุ่นของรุ่นนี้ยังรวมถึงการบัญชีสำหรับการโต้ตอบกับบรรยากาศมหาสมุทรที่คุณขอดูตัวอย่างhttps://ams.confex.com/ams/pdfpapers/172658.pdf

ความแตกต่างระหว่างซอฟต์แวร์พยากรณ์อากาศและ "ตัวแก้ CFD แบบชั่วคราว" คือวิธีพยากรณ์อากาศทำงานกับการเปลี่ยนถ่ายน้ำ น้ำได้รับการบำบัดเป็นองค์ประกอบที่สองดังนั้นแบบจำลองจะกลายเป็น 3 มิติพร้อม 2 องค์ประกอบ

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