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?

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 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

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$