¿Cuáles son las diferencias entre las simulaciones CFD y las simulaciones realistas de modelos de océano / atmósfera?

El campo de la dinámica de fluidos computacional (CFD) está dedicado a resolver las ecuaciones de Navier-Stokes (o alguna simplificación de ellas). Un subconjunto de modelos CFD, oceánicos y atmosféricos resuelve numéricamente las mismas ecuaciones para aplicaciones realistas. ¿Cuáles son las diferencias y compensaciones entre los enfoques generales de CFD y los casos realistas aplicados?

— arkaia
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Los modelos oceánicos y atmosféricos que resuelven Navier-Stokes son un subconjunto de todos los métodos CFD. Como está escrito, esta pregunta parece un poco como preguntar "¿Cuáles son las diferencias y las compensaciones entre bicicletas de montaña y bicicletas?" ¿Quiere decir qué supuestos o especializaciones se necesitan en los modelos oceánicos y atmosféricos? Esto parece ser lo que @Jed responde a continuación.

— Doug Lipinski

Gracias. Traté de editar la pregunta en consecuencia. En mi experiencia, la mayoría de las personas que hacen modelos oceánicos y atmosféricos no se describirían a sí mismos como CFD.

— arkaia 01 de

Supongo que todavía no estoy muy seguro de la pregunta. ¿Qué consideraría un enfoque CFD "general"? Una vez que comienza a discretizar las ecuaciones NS para CFD, está haciendo elecciones que disminuyen la generalidad, por lo que todos los métodos CFD están especializados de alguna manera para sus aplicaciones previstas. Para mí tiene mucho más sentido discutir las elecciones que se hacen (y por qué) en los modelos de dinámica de fluidos geofísicos (GFD). Por ejemplo, marcos de referencia giratorios, flujos estratificados, modelos de turbulencia. Esas opciones son diferentes de, por ejemplo, CFD para los choques en los flujos transónicos.

— Doug Lipinski

Creo que la pregunta que menciona sobre las opciones en los modelos GFD también es relevante y podría valer la pena publicarla. Según lo veo, lo que pido está bien respondido por @Jed_Brown

— arkaia

Para algunos antecedentes, puede echar un vistazo a la documentación de WRF. Por ejemplo, vea www2.mmm.ucar.edu/wrf/users/docs/arw_v3.pdf

— stali

Respuestas:

La atmósfera y el océano tienen flujos altamente estratificados en los que la fuerza de Coriolis es una fuente importante de dinámica. Mantener el equilibrio geostrófico es extremadamente importante y muchos esquemas numéricos están destinados a ser exactamente compatibles (al menos en ausencia de topografía) para evitar la radiación de energía en las ondas de gravedad. Debido a la estratificación, limitar la difusión numérica vertical es extremadamente importante y a menudo se utilizan redes especiales (especialmente en el océano) para ese propósito. Muchos métodos son efectivamente formulaciones de 2.5 dimensiones.

Para la simulación del clima durante largos períodos de tiempo, la conservación de energía y otros flujos (como la sal) a menudo se consideran críticos para obtener resultados estadísticamente significativos. Se pueden elegir métodos que sean menos precisos y que tengan ciertos artefactos numéricos para evitar amortiguar la dinámica. Tenga en cuenta que la dinámica a largo plazo puede no homogeneizarse a escalas continentales promediadas durante varias décadas.

Los solucionadores de CFD industriales tienden a usarse para flujos que son más isotrópicos (genuinamente 3D) y a menudo descuidan a Coriolis. A menudo tienen un forzamiento más fuerte y, por lo tanto, requisitos de conservación de energía menos críticos. Es común lidiar con choques fuertes, en cuyo caso se deben usar discretizaciones espaciales no lineales, a pesar de ser más disipativas.

Como los experimentos de laboratorio se pueden realizar para la mayoría de las aplicaciones industriales, el software experimenta más validación. Los modelos climáticos también tienen una validación constante, pero los modelos climáticos son casi imposibles de validar debido a las escalas de tiempo involucradas y el sobreajuste inevitable.

— Jed Brown
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Aunque debe tenerse en cuenta que los modelos climáticos reciben validación a través de dos enfoques: (i) comparación con el clima pasado, por ejemplo, en los últimos 150 años donde tenemos datos bastante precisos, (ii) al comparar entre diferentes modelos climáticos que son independientes desarrollado. Ese no es el mismo estándar que se aplica a los códigos CFD, pero es mucho mejor que cualquier código ordinario escrito por científicos para científicos :-)

— Wolfgang Bangerth

@WolfgangBangerth Sigue siendo demasiado ajustado. Los modelos dependen de una gran cantidad de parámetros ajustables. Cambiar la resolución, los pasos de tiempo u otros componentes de un modelo requieren "recalibración". La recalibración es un proceso extremadamente laborioso y subjetivo (muchos años-persona). Simplemente no es posible hacer que los científicos de clase mundial de hoy ignoren los últimos 50 años de observaciones mientras pasan años calibrando un modelo para evitar un ajuste excesivo en un intento (riesgoso) de reproducir la historia climática reciente.

— Jed Brown

No estoy en desacuerdo Los códigos climáticos son criaturas delicadas. Solo quería señalar que su respuesta parece implicar que los códigos climáticos básicamente no reciben validación. Esto no es verdad (También es algo que estamos obligados a enfatizar al público en general; consulte youtube.com/watch?v=ud7fHTswj5k ).

— Wolfgang Bangerth

En comparación con la ingeniería o el pronóstico del tiempo, que tienen muchas realizaciones independientes, el clima tiene esencialmente una realización que sabemos que sufre de sobreajuste. Cuando me pongo mi sombrero de Matemática Aplicada, recuerdo que se supone que la verificación precede a la validación y que la validación es un proceso continuo en lugar de una tarea que se puede completar. Pero los modelos climáticos no son convergentes en el espacio o el tiempo, por lo que es difícil hablar de verificación, y solo tenemos una realización.

— Jed Brown

Si bien nosotros como comunidad estamos de acuerdo sobre ciertas relaciones causales y tendencias generales, no podemos estar de acuerdo sobre si el signo de la temperatura promedio de la superficie de 30 años en América del Norte es algo que se puede predecir. De hecho, los resultados del reciente proyecto CESM Large Ensemble sugieren que tal vez no sea así. En consecuencia, no sabemos si las preguntas cuantitativas de política regional están bien planteadas, y mucho menos si se puede confiar en los modelos actuales para dar respuestas significativas. Esto no es para denigrar el campo o reducir la confianza en la interpretación más amplia. El problema es dificil.

— Jed Brown

Jed Brown describió el enfoque tradicional utilizado en los modelos a mesoescala y a mayor escala. En realidad, en microescala muchos modelos atmosféricos están muy cerca de los códigos CFD tradicionales, utilizan discretizaciones de volumen finito similares, cuadrículas 3D similares donde vertical se trata de manera similar a horizontal, y así sucesivamente. Dependiendo de las resoluciones, incluso las características como los edificios se resuelven con los mismos enfoques conocidos de la ingeniería de CFD, como los métodos de límites sumergidos o las rejillas ajustadas al cuerpo.

Puede encontrar todas las técnicas de discretización que conoce del CFD de ingeniería, como diferencias finitas, volúmenes finitos, pseudo-espectrales e incluso elementos finitos. Los mismos métodos de corrección de presión (paso fraccional) se utilizan a menudo para resolver las ecuaciones incomprensibles de Navier-Stokes (con Boussinesq o términos anelastic para flotabilidad).

Por supuesto, se usan comúnmente diferentes parametrizaciones para los flujos de calor y momento cerca de la superficie, teniendo en cuenta los detalles de las interacciones tierra-superficie como la similitud de Monin-Obukhov u otras relaciones semiempíricas.

Todo el método de simulación de grandes remolinos (LES), ahora muy popular en ingeniería, en realidad se origina en la meteorología de capa límite. Incluso diría que muchos modeladores atmosféricos a esta escala no dudarían en llamar CFD a su trabajo.

En muchas (pero no todas) aplicaciones, también debe agregar la fuerza de Coriolis. Los esquemas no tienen que estar bien equilibrados, sin embargo, es solo una fuerza de volumen adicional. Si también calcula los procesos como la formación de nubes, la precipitación y la radiación, las cosas se vuelven más complicadas, pero lo mismo ocurre con los modelos de ingeniería que resuelven la cinética de reacción, la combustión y similares.

Esta clase de modelos también incluye aquellos que representan las interacciones océano-atmósfera que solicitó, consulte por ejemplo https://ams.confex.com/ams/pdfpapers/172658.pdf

— Vladimir F
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La diferencia entre el software de predicción meteorológica y el "solucionador casual de CFD" es cómo funciona la predicción meteorológica con la transición del agua. El agua se trata como un segundo componente, por lo que el modelo se vuelve tridimensional con 2 componentes.

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

— sanaris
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Varios modelos funcionan con varias cosas. Si te refieres a vorticidad por omega que algunos modelos climáticos lo usan, otros no.

— Vladimir F