Quais são as diferenças entre simulações de CFD e simulações realistas de modelos oceano / atmosfera?

O campo da dinâmica dos fluidos computacional (CFD) é dedicado à resolução das equações de Navier-Stokes (ou alguma simplificação delas). Um subconjunto de CFD, modelos oceânicos e atmosféricos resolve numericamente as mesmas equações para aplicações realistas. Quais são as diferenças e trade-offs entre as abordagens gerais de CFD e os casos realistas aplicados?

— arkaia
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Os modelos oceânicos e atmosféricos que resolvem Navier-Stokes são um subconjunto de todos os métodos de CFD. Como está escrito, essa pergunta parece um pouco com a pergunta "Quais são as diferenças e compensações entre bicicletas de montanha e bicicletas?" Você quer perguntar que suposições ou especializações são necessárias nos modelos oceânico e atmosférico? Parece ser o que @Jed está respondendo abaixo.

— Doug Lipinski

Obrigado. Eu tentei editar a pergunta de acordo. Na minha experiência, a maioria das pessoas que realiza modelagem oceânica e atmosférica não se descreveria como CFD.

— Arkaia

Acho que ainda não tenho muita certeza sobre a questão. O que você consideraria uma abordagem CFD "geral". Depois de começar a discretizar as equações NS para CFD, você está fazendo escolhas que diminuem a generalidade, para que todos os métodos de CFD sejam de alguma forma especializados para as aplicações pretendidas. Faz muito mais sentido discutir as escolhas que são feitas (e por que) nos modelos de dinâmica de fluidos geofísicos (GFD). Por exemplo, quadros de referência rotativos, fluxos estratificados, modelos de turbulência. Essas opções são diferentes de, por exemplo, CFD para choques nos fluxos transônicos.

— Doug Lipinski

Acho que a pergunta que você mencionou sobre as opções nos modelos GFD também é relevante e pode valer a pena publicá-la. A meu ver, o que eu estou pedindo é bem respondida por @Jed_Brown

— Arkaia

Para algumas informações, você pode dar uma olhada na documentação do WRF. Por exemplo, consulte www2.mmm.ucar.edu/wrf/users/docs/arw_v3.pdf

— stali

Respostas:

A atmosfera e o oceano têm fluxos altamente estratificados, nos quais a força de Coriolis é uma importante fonte de dinâmica. Manter o equilíbrio geostrófico é extremamente importante e muitos esquemas numéricos devem ser exatamente compatíveis (pelo menos na ausência de topografia) para evitar irradiar energia nas ondas de gravidade. Devido à estratificação, limitar a difusão numérica vertical é extremamente importante e grades especiais são frequentemente usadas (especialmente no oceano) para esse fim. Muitos métodos são efetivamente formulações 2.5-dimensionais.

Para a simulação climática por longos períodos de tempo, a conservação de energia e outros fluxos (como o sal) são frequentemente considerados críticos para resultados estatisticamente significativos. Métodos menos precisos e com certos artefatos numéricos podem ser escolhidos para evitar que a dinâmica seja prejudicada. Observe que a dinâmica de longo prazo pode não se homogeneizar em escalas continentais em média em várias décadas.

Os solucionadores industriais de CFD tendem a ser usados para fluxos mais isotrópicos (genuinamente 3D) e geralmente negligenciam Coriolis. Eles geralmente têm forças mais fortes e, portanto, requisitos de conservação de energia menos críticos. É comum lidar com choques fortes; nesse caso, discretizações espaciais não lineares devem ser usadas, apesar de serem mais dissipativas.

Como as experiências de laboratório podem realmente ser realizadas para a maioria das aplicações industriais, o software experimenta mais validação. Os modelos climáticos também têm validação constante, mas os modelos climáticos são quase impossíveis de validar devido às escalas de tempo envolvidas e à inevitável adaptação excessiva.

— Jed Brown
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Embora seja necessário observar que os modelos climáticos recebem validação por meio de duas abordagens: (i) comparação com o clima passado, por exemplo, nos últimos 150 anos em que temos dados bastante precisos, (ii) comparando entre diferentes modelos climáticos que são independentes desenvolvido. Isso não é o mesmo padrão como aplicado a códigos CFD, mas é muito melhor do que qualquer código comum escrito por cientistas para cientistas :-)

— Wolfgang Bangerth

@WolfgangBangerth Ainda está super adaptado. Os modelos dependem de uma infinidade de parâmetros ajustáveis. Alterar a resolução, etapas de tempo ou outros componentes de um modelo requer "recalibração". A recalibração é um processo extremamente trabalhoso e subjetivo (muitas pessoas / ano). Não é possível que os cientistas de classe mundial de hoje ignorem os últimos 50 anos de observações enquanto passam anos calibrando um modelo para evitar ajustes excessivos em uma (arriscada) tentativa de reproduzir a história climática recente.

— Jed Brown

Eu não discordo. Os códigos climáticos são criaturas delicadas. Eu só queria salientar que sua resposta parece implicar que os códigos climáticos não recebem basicamente nenhuma validação. Isso não é verdade. (Também é algo que somos obrigados a enfatizar ao público em geral - consulte youtube.com/watch?v=ud7fHTswj5k ).

— Wolfgang Bangerth

Em comparação com a engenharia ou previsão do tempo, que tem muitas realizações independentes, o clima tem essencialmente uma realização que sabemos que sofre de ajuste excessivo. Quando visto o meu currículo de Matemática Aplicada, lembro que a verificação deve preceder a validação e que a validação é um processo contínuo e não uma tarefa que pode ser concluída. Mas os modelos climáticos não são convergentes no espaço ou no tempo, por isso é difícil falar sobre verificação, e só temos uma realização.

— Jed Brown

Enquanto nós, como comunidade, concordamos sobre certas relações causais e tendências gerais, não podemos concordar sobre se o sinal da temperatura média da superfície em 30 anos na América do Norte é algo que pode ser previsto. De fato, os resultados do recente Projeto Grande Conjunto do CESM sugerem que não. Conseqüentemente, não sabemos se as questões quantitativas da política regional são bem colocadas, muito menos se os modelos atuais podem ser confiáveis para fornecer respostas significativas. Isso não significa denegrir o campo ou reduzir a confiança na interpretação mais ampla. O problema é difícil.

— Jed Brown

Jed Brown descreveu a abordagem tradicional usada na mesoescala e em modelos em larga escala. Na verdade, em microescala, muitos modelos atmosféricos estão muito próximos dos códigos CFD tradicionais, usam discretizações de volume finito semelhantes, grades 3D similares em que a vertical é tratada da mesma forma que a horizontal e assim por diante. Dependendo das resoluções, até recursos como edifícios são resolvidos com as mesmas abordagens conhecidas do CFD de engenharia, como os métodos de limite imerso ou as grades montadas na carroceria.

Você pode encontrar todas as técnicas de discretização que conhece do CFD de engenharia, como diferenças finitas, volumes finitos, elementos pseudo-espectrais e até finitos. Os mesmos métodos de correção de pressão (passo fracionário) são freqüentemente usados para resolver as equações incompressíveis de Navier-Stokes (com os termos Boussinesq ou anelástico para flutuabilidade).

Obviamente, diferentes parametrizações para os fluxos de calor e momento próximos à superfície são comumente usadas, levando em consideração as especificidades das interações terra-superfície, como a similaridade de Monin-Obukhov ou outras relações semi-empíricas.

Todo o método de simulação por grandes redemoinhos (LES), agora muito popular na engenharia, na verdade se origina na meteorologia da camada limite. Eu diria mesmo que muitos modeladores atmosféricos nessa escala não hesitariam em chamar o trabalho de CFD.

Em muitos aplicativos (mas não em todos), você também precisa adicionar a força Coriolis. Os esquemas não precisam ser bem equilibrados, no entanto, é apenas uma força de volume adicional. Se você também calcula processos como formação de nuvens, precipitação e radiação, as coisas ficam mais complicadas, mas o mesmo vale para modelos de engenharia que resolvem cinética de reação, combustão e similares.

Essa classe de modelos também inclui aqueles que representam as interações oceano-atmosfera solicitadas; veja, por exemplo, https://ams.confex.com/ams/pdfpapers/172658.pdf

— Vladimir F
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A diferença entre o software de previsão do tempo e o "solucionador casual de CFD" é como a previsão do tempo funciona com a transição da água. A água está sendo tratada como segundo componente; portanto, o modelo se torna tridimensional com 2 componentes.

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

— sanaris
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Vários modelos trabalham com várias coisas. Se você quer dizer vorticidade por ômega do que alguns modelos climáticos usam, outros não.

— Vladimir F