CFD 시뮬레이션과 실제 해양 / 분위기 모델 시뮬레이션의 차이점은 무엇입니까?

전산 유체 역학 (CFD)은 Navier-Stokes 방정식 (또는 일부 단순화)을 푸는 데 전념합니다. CFD, 해양 및 대기 모델의 하위 집합은 실제 적용을 위해 동일한 방정식을 수치 적으로 해결합니다. 일반적인 CFD 접근법과 적용된 실제 사례의 차이점과 장단점은 무엇입니까?

대기와 바다는 코리올리 힘이 주요 역학의 원천 인 고도로 계층화 된 흐름을 가지고 있습니다. 지구 영양 균형을 유지하는 것은 매우 중요하며 많은 수치 체계는 중력파에서 에너지를 방출하지 않도록 (적어도 지형이없는 경우) 정확하게 호환되도록 고안되었습니다. 계층화로 인해 수직 수치 확산을 제한하는 것이 매우 중요하며 특수 그리드가 그 목적을 위해 (특히 바다에서) 종종 사용됩니다. 많은 방법들이 효과적으로 2.5 차원 제형이다.

오랜 기간 동안 기후 시뮬레이션의 경우, 에너지 및 기타 플럭스 (소금 등)의 보존은 통계적으로 의미있는 결과에 중요한 것으로 간주되는 경우가 많습니다. 역학의 감쇠를 피하기 위해 덜 정확하고 특정 수치 인공물을 갖는 방법을 선택할 수 있습니다. 장기적인 역학은 수십 년 동안 평균적으로 대륙 규모에서 균질화되지 않을 수 있습니다.

산업용 CFD 솔버는보다 등방성 (일반적으로 3D)이고 종종 코리올리를 무시하는 흐름에 사용되는 경향이 있습니다. 그들은 종종 더 강한 강제력을 가지므로 덜 중요한 에너지 보존 요구 사항이 있습니다. 강한 충격을 처리하는 것이 일반적이며,이 경우 비 소형 공간 이산 법은 더 소산 되기는하지만 사용해야합니다.

실제로 대부분의 산업 응용 분야에 대해 실험실 실험을 수행 할 수 있기 때문에 소프트웨어의 유효성이 더욱 향상됩니다. 날씨 모델도 지속적으로 검증되지만 기후 모델은 관련된 시간 척도 및 불가피한 과적 합으로 인해 검증이 거의 불가능합니다.

Jed Brown은 중간 규모 및 대규모 모델에 사용 된 전통적인 접근 방식을 설명했습니다. 실제로, 소규모에서 많은 대기 모델은 전통적인 CFD 코드에 매우 가깝고 유사한 유한 체적 이산화, 수직이 수평과 유사하게 처리되는 유사한 3D 그리드를 사용합니다. 해상도에 따라 건물과 같은 피쳐도 침지 된 경계 방법 또는 차체 적합 그리드와 같이 CFD 엔지니어링에서 알려진 것과 동일한 접근 방식으로 해결됩니다.

유한 차분, 유한 체적, 의사 스펙트럼 및 유한 요소와 같이 엔지니어링 CFD에서 알고있는 모든 이산화 기술을 접할 수 있습니다. 동일한 압력 보정 (분수 단계) 방법을 사용하여 압축 불가능한 Navier-Stokes 방정식 (부력에 대한 Boussinesq 또는 비탄성 항)을 해결하는 경우가 종종 있습니다.

물론, Monin-Obukhov 유사성 또는 다른 반구 적 관계와 같은 지표-면 상호 작용의 특성을 고려하여 표면 근처의 열 및 운동량 플럭스에 대한 다른 매개 변수화가 일반적으로 사용됩니다.

공학에서 매우 인기있는 LES (Land-eddy Simulation)의 전체 방법은 실제로 경계층 기상학에서 비롯됩니다. 나는이 규모의 많은 대기 모델러들이 그들의 작업 CFD를 부르기를 주저하지 않을 것이라고 말했다.

많은 (전부는 아님) 응용 프로그램에서 Coriolis 힘을 추가해야합니다. 계획은 균형을 잘 맞출 필요는 없지만 하나의 추가 체적 힘입니다. 구름 형성, 강수 및 복사와 같은 공정을 계산하면 상황이 더 복잡해 지지만 반응 역학, 연소 및 유사성을 해결하는 엔지니어링 모델도 마찬가지입니다.

이 모델 클래스에는 요청한 해양 대기 상호 작용을 설명하는 모델도 포함되어 있습니다 (예 : https://ams.confex.com/ams/pdfpapers/172658.pdf 참조).

날씨 예측 소프트웨어와 "캐주얼 CFD 솔버"의 차이점은 날씨 예측이 물의 전이와 어떻게 작동하는지입니다. 물은 두 번째 구성 요소로 취급되므로 모델은 2 개의 구성 요소로 3 차원이됩니다.

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