CFD सिमुलेशन और यथार्थवादी महासागर / वायुमंडल मॉडल सिमुलेशन के बीच अंतर क्या हैं?

Question

कम्प्यूटेशनल तरल गतिकी (सीएफडी) का क्षेत्र नवियर-स्टोक्स समीकरण (या उनमें से कुछ सरलीकरण) को हल करने के लिए समर्पित है। सीएफडी, महासागर और वायुमंडलीय मॉडल का एक सबसेट संख्यात्मक रूप से यथार्थवादी अनुप्रयोगों के लिए समान समीकरणों को हल करता है। सामान्य सीएफडी दृष्टिकोण और लागू यथार्थवादी मामलों के बीच अंतर और व्यापार-बंद क्या हैं?

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महासागर और वायुमंडलीय मॉडल जो नवियर-स्टोक्स को हल करते हैं, सभी सीएफडी विधियों का एक सबसेट हैं। जैसा कि लिखा गया है, यह सवाल थोड़ा सा लगता है कि "माउंटेन बाइक और बाइक के बीच अंतर और ट्रेड-ऑफ क्या हैं?" क्या आपके कहने का मतलब यह है कि महासागर और वायुमंडलीय मॉडल में किन धारणाओं या विशेषज्ञता की आवश्यकता है? ऐसा लगता है कि @ जैद नीचे जवाब दे रहा है।

— डग लिपिंस्की

धन्यवाद। मैंने तदनुसार प्रश्न को संपादित करने का प्रयास किया। मेरे अनुभव में, ज्यादातर लोग जो महासागर और वायुमंडलीय मॉडलिंग करते हैं, वे खुद को सीएफडी के रूप में वर्णित नहीं करेंगे।

— अर्किया

मुझे लगता है कि मैं अभी भी सवाल के बारे में निश्चित नहीं हूं। आप "सामान्य" सीएफडी दृष्टिकोण पर क्या विचार करेंगे। एक बार जब आप सीएफडी के लिए एनएस समीकरणों का विवेक करना शुरू कर देते हैं तो आप ऐसे विकल्प बना रहे हैं जो सामान्यता को कम करते हैं इसलिए सभी सीएफडी तरीके किसी भी तरह से अपने इच्छित अनुप्रयोगों के लिए विशिष्ट हैं। यह मेरे लिए बहुत अधिक समझ में आता है कि भूभौतिकीय द्रव गतिकी (GFD) मॉडल में किए गए विकल्पों (और क्यों) पर चर्चा की जाए। उदाहरण के लिए घूर्णन संदर्भ फ्रेम, स्तरीकृत प्रवाह, अशांति मॉडल। वे विकल्प ट्रांज़ोनिक प्रवाह में झटके के लिए सीएफडी से अलग हैं।

— डग लिपिंस्की

मुझे लगता है कि जीएफडी मॉडल में विकल्पों के बारे में आपके द्वारा उल्लिखित प्रश्न भी प्रासंगिक है और यह इसे पोस्ट करने के लायक हो सकता है। जैसा कि मैं इसे देखता हूं, जो मैं पूछ रहा हूं वह @Jed_Brown द्वारा अच्छी तरह से उत्तर दिया गया है

— arkaia

कुछ पृष्ठभूमि के लिए आप डब्ल्यूआरएफ के प्रलेखन पर एक नज़र डाल सकते हैं। जैसे, www2.mmm.ucar.edu/wrf/users/docs/arw_v3.pdf

— stali

Answer 1

वायुमंडल और महासागर में अति-स्तरीकृत प्रवाह होता है जिसमें कोरिओलिस बल गतिशीलता का एक प्रमुख स्रोत है। जियोस्ट्रोफिक संतुलन बनाए रखना बेहद महत्वपूर्ण है और कई संख्यात्मक योजनाओं का उद्देश्य गुरुत्वाकर्षण तरंगों में विकिरण ऊर्जा से बचने के लिए बिल्कुल संगत होना (कम से कम स्थलाकृति की अनुपस्थिति में) है। स्तरीकरण के कारण, ऊर्ध्वाधर संख्यात्मक प्रसार को सीमित करना बहुत महत्वपूर्ण है और विशेष ग्रिड का उपयोग अक्सर (विशेष रूप से महासागर में) उस उद्देश्य के लिए किया जाता है। कई विधियां प्रभावी रूप से 2.5-आयामी योग हैं।

लंबे समय तक जलवायु सिमुलेशन के लिए, ऊर्जा और अन्य प्रवाह (जैसे नमक) का संरक्षण अक्सर सांख्यिकीय रूप से सार्थक परिणामों के लिए महत्वपूर्ण माना जाता है। ऐसी विधियाँ जो कम सटीक हैं और कुछ संख्यात्मक कलाकृतियों को चुना जा सकता है ताकि डायनामिक्स को भीगने से बचाया जा सके। ध्यान दें कि कई दशकों से चली आ रही महाद्वीपीय तराजू पर दीर्घकालिक गतिशीलता समरूप नहीं हो सकती है।

औद्योगिक सीएफडी सॉल्वर का उपयोग उन प्रवाह के लिए किया जाता है जो अधिक आइसोट्रोपिक (वास्तव में 3 डी) हैं और अक्सर कोरिओलिस की उपेक्षा करते हैं। वे अक्सर मजबूत मजबूर करते हैं और इस प्रकार कम महत्वपूर्ण ऊर्जा संरक्षण आवश्यकताओं को पूरा करते हैं। यह मजबूत झटके से निपटने के लिए आम है, जिस स्थिति में अधिक असंतुलित होने के बावजूद गैर-भाला स्थानिक विवेक का उपयोग किया जाना चाहिए।

क्योंकि प्रयोगशाला प्रयोगों को वास्तव में अधिकांश औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए किया जा सकता है, सॉफ्टवेयर अधिक सत्यापन का अनुभव करता है। मौसम के मॉडल में भी निरंतर सत्यापन होता है, लेकिन शामिल किए गए समय के पैमाने और अपरिहार्य ओवर-फिटिंग के कारण जलवायु मॉडल को मान्य करना लगभग असंभव है।

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हालांकि यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि जलवायु मॉडल दो दृष्टिकोणों के माध्यम से मान्यता प्राप्त करते हैं: (i) पिछले जलवायु के साथ तुलना, उदाहरण के लिए पिछले 150 वर्षों में जहां हमारे पास काफी सटीक डेटा है, (ii) विभिन्न जलवायु मॉडल के बीच तुलना करके स्वतंत्र रूप से विकसित की है। यह सीएफडी कोड के समान मानक नहीं है, लेकिन यह वैज्ञानिकों के लिए वैज्ञानिकों द्वारा लिखे गए किसी भी सामान्य कोड से कहीं बेहतर है :-)

— वोल्फगैंग बैंगर्थ

@WolfgangBangerth यह अभी भी अधिक उपयुक्त है। मॉडल ट्यून करने योग्य मापदंडों के ढेर पर निर्भर करते हैं। किसी मॉडल के रिज़ॉल्यूशन, टाइम स्टेप्स या अन्य घटकों को बदलने के लिए "रिकैलिब्रेशन" की आवश्यकता होती है। पुनर्गणना एक अत्यंत श्रम-गहन और व्यक्तिपरक प्रक्रिया है (कई व्यक्ति-वर्ष)। आज के विश्व स्तरीय वैज्ञानिकों ने हाल के जलवायु इतिहास को पुन: पेश करने के लिए (जोखिम भरे) प्रयास में अति-फिटिंग से बचने के लिए एक मॉडल को कैलिब्रेट करने में वर्षों बिताने के दौरान पिछले 50 वर्षों की टिप्पणियों की अनदेखी करना संभव नहीं है।

— जेड ब्राउन

मैं असहमत नहीं हूं। जलवायु कोड नाजुक प्राणी हैं। मैं सिर्फ यह बताना चाहता था कि आपका उत्तर यह लगता है कि जलवायु कोड मूल रूप से कोई मान्यता नहीं प्राप्त करते हैं। यह सच नहीं है। (यह भी ऐसी चीज है जिसे हम आम जनता तक पहुँचाने के लिए बाध्य हैं - youtube.com/watch?v=ud7fHTswj5k देखें )।

— वोल्फगैंग बैंगर्थ

इंजीनियरिंग या मौसम पूर्वानुमान की तुलना में, जिसमें कई स्वतंत्र अहसास हैं, जलवायु में अनिवार्य रूप से एक एहसास है जिसे हम जानते हैं कि ओवर-फिटिंग से पीड़ित है। जब मैं अपनी एप्लाइड गणित की टोपी लगाता हूं, तो मुझे याद आता है कि सत्यापन को पूर्व सत्यापन के लिए माना जाता है और यह सत्यापन एक कार्य के बजाय चल रही प्रक्रिया है जिसे पूरा किया जा सकता है। लेकिन जलवायु मॉडल अंतरिक्ष या समय में अभिसरण नहीं हैं, इसलिए सत्यापन के बारे में बात करना मुश्किल है, और हमें केवल एक ही अहसास है।

— जेड ब्राउन

जब हम एक समुदाय के रूप में कुछ कारण संबंधों और सामान्य रुझानों के बारे में सहमत होते हैं, तो हम इस बारे में सहमत नहीं हो सकते हैं कि क्या पूरे उत्तरी अमेरिका में 30 साल के औसत तापमान का संकेत कुछ ऐसा है जिसकी भविष्यवाणी की जा सकती है। दरअसल, हाल ही में CESM लार्ज एन्सेम्बल प्रोजेक्ट के परिणाम बताते हैं कि यह नहीं हो सकता है। नतीजतन, हमें पता नहीं है कि क्या मात्रात्मक क्षेत्रीय नीति प्रश्न अच्छी तरह से प्रस्तुत किए जाते हैं, क्या अकेले आज के मॉडल पर सार्थक जवाब देने के लिए भरोसा किया जा सकता है। यह क्षेत्र की व्याख्या या व्यापक व्याख्या में विश्वास को कम करने के लिए नहीं है। समस्या कठिन है।

— जेड ब्राउन

Answer 2

जेड ब्राउन ने मसोस्केल और बड़े पैमाने के मॉडल में उपयोग किए जाने वाले पारंपरिक दृष्टिकोण का वर्णन किया। दरअसल, सूक्ष्मदर्शी में कई वायुमंडलीय मॉडल पारंपरिक सीएफडी कोड के बहुत करीब हैं, समान परिमित विवेक का उपयोग करते हैं, समान 3 डी ग्रिड जहां ऊर्ध्वाधर को समान रूप से क्षैतिज और इसी तरह से व्यवहार किया जाता है। रिज़ॉल्यूशन के आधार पर, इंजीनियरिंग सीएफडी से ज्ञात समान दृष्टिकोणों के साथ इमारतों को भी हल किया जाता है, जैसे डूबे हुए सीमा के तरीके या बॉडी फिटेड ग्रिड।

आप इंजीनियरिंग CFD से ज्ञात सभी विवेक तकनीकों का सामना कर सकते हैं, जैसे परिमित अंतर, परिमित मात्रा, छद्म-वर्णक्रमीय और यहां तक ​​कि परिमित तत्व। एक ही दबाव सुधार (आंशिक-चरण) विधियों का उपयोग अक्सर असंगत नवियर-स्टोक्स समीकरणों को हल करने के लिए किया जाता है (उछाल के लिए बूसिनेसक या एनेलास्टिक शर्तों के साथ)।

बेशक, सतह के पास गर्मी और संवेग प्रवाह के लिए विभिन्न पैरामीरिजेशन का आमतौर पर उपयोग किया जाता है, भूमि-सतह की बातचीत की बारीकियों को ध्यान में रखते हुए जैसे मोनिन-ओबुखोव समानता या अन्य अर्ध-आनुभविक संबंध।

इंजीनियरिंग में बहुत लोकप्रिय बड़े-अनुकरण सिमुलेशन (एलईएस) की पूरी विधि, वास्तव में सीमा परत मौसम विज्ञान में उत्पन्न होती है। मैं यहां तक ​​कहूंगा कि इस स्तर पर कई वायुमंडलीय मॉडलर अपने काम को सीएफडी कहने में संकोच नहीं करेंगे।

कई (लेकिन सभी नहीं) अनुप्रयोगों में आपको कोरिओलिस बल भी जोड़ना होगा। योजनाओं को अच्छी तरह से संतुलित होने की जरूरत नहीं है, यह सिर्फ एक अतिरिक्त मात्रा बल है। यदि आप क्लाउड निर्माण, वर्षा और विकिरण जैसी प्रक्रियाओं की गणना करते हैं, तो चीजें अधिक जटिल हो जाती हैं, लेकिन इंजीनियरिंग मॉडल के लिए भी यही स्थिति है जो प्रतिक्रिया कैनेटीक्स, दहन और समान को हल करती है।

मॉडल के इस वर्ग में उन समुद्र-वायुमंडल अंतःक्रियाओं के लिए लेखांकन भी शामिल हैं, जो आपने पूछे थे, उदाहरण के लिए देखें https://ams.confex.com/ams/pdfpapers/172658.pdf

Answer 3

मौसम भविष्यवाणी सॉफ्टवेयर और "आकस्मिक सीएफडी सॉल्वर" के बीच अंतर यह है कि मौसम की भविष्यवाणी पानी के संक्रमण के साथ कैसे काम करती है। पानी को दूसरे घटक के रूप में माना जा रहा है, इसलिए मॉडल 2 घटकों के साथ 3 आयामी हो जाता है।

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

Comments

विभिन्न मॉडल विभिन्न चीजों के साथ काम करते हैं। यदि आप कुछ मौसम मॉडल की तुलना में ओमेगा द्वारा उल्टी का मतलब है, इसका इस्तेमाल करते हैं, कुछ नहीं।

— व्लादिमीर एफ