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?
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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.
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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
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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.
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