Мультифизика - Multiphysics

Мультифизика определяется как связанные процессы или системы, включающие более одного одновременно возникающего физического поля, а также исследования и знания об этих процессах и системах.

Как междисциплинарная область исследования, мультифизика охватывает многие научные и инженерные дисциплины. Мультифизика - это практика, основанная на математике, физике, применении и численном анализе . Используемая математика обычно включает уравнения в частных производных и тензорный анализ .

Физика относится к общим типам физических процессов, например, теплопередача (термо-), движение поровой воды (гидро-), поле концентрации (концентро или диффузо / конвекто / адвекто), напряжение и деформация (механо-), динамика (динамометрическая система). -), химические реакции (химио- или химико-), электростатические (электро-), нейтронные (нейтро-) и магнитостатические (магнито-).

Определение

Есть несколько определений мультифизики. В широком смысле мультифизика относится к моделированию, которое включает несколько физических моделей или несколько одновременных физических явлений. Включение «множественных физических моделей» делает это определение очень широким и общим понятием, но это определение немного противоречиво, поскольку значение физических моделей может включать в себя определение физических явлений.

COMSOL определяет мультифизику в относительно узком смысле: мультифизика включает 1. связанные физические явления в компьютерном моделировании и 2. изучение множества взаимодействующих физических свойств . Согласно другому определению, мультифизическая система состоит из более чем одного компонента, регулируемого собственным принципом (принципами) эволюции или равновесия, обычно законами сохранения или основными законами. Это определение очень близко к предыдущему, за исключением того, что оно не подчеркивает физические свойства.

Более строго, мультифизику можно определить как процессы, включающие тесно связанные взаимодействия между отдельными физическими явлениями континуума . В этом определении двусторонний обмен информацией между физическими полями, который может включать неявную конвергенцию в пределах временного шага, является существенной особенностью.

Основываясь на приведенных выше определениях, мультифизика определяется как связанные процессы или системы, включающие более одного одновременно возникающего физического поля, а также исследования и знания об этих процессах и системах.

История и будущее

Мультифизика не является ни исследовательской концепцией, далекой от повседневной жизни, ни недавно разработанной теорией или техникой. Фактически, мы живем в мультифизическом мире. Естественные и искусственные системы работают с различными типами физических явлений в разных пространственных и временных масштабах: от атомов до галактик и от пикосекунд до столетий. Несколько характерных примеров в фундаментальных и прикладных науках - это нагрузки и деформации твердых тел, сложные потоки, взаимодействия жидкости и структуры, плазменные и химические процессы, термомеханические и электромагнитные системы.

Мультифизика быстро превратилась в область исследований и приложений во многих научных и технических дисциплинах. Существует четкая тенденция к тому, что все более сложные проблемы, с которыми мы сталкиваемся, связаны с физическими процессами, которые не могут быть покрыты одной традиционной дисциплиной. Эта тенденция требует от нас расширения возможностей анализа для решения более сложных и многодисциплинарных задач.

Современные академические сообщества сталкиваются с проблемами быстро возрастающей сложности, которые выходят за традиционные дисциплинарные границы между физикой, химией, материаловедением и биологией. Мультифизика также стала границей в промышленной практике. Программы моделирования превратились в инструмент проектирования, разработки продукции и контроля качества. Во время этих процессов создания инженеры теперь должны думать в областях, выходящих за рамки их обучения, даже с помощью инструментов моделирования. Современным инженерам все более необходимо знать и понимать концепцию того, что глубоко внутри инженерного мира известно как «мультифизика».

Автомобильная промышленность подает хороший пример. Традиционно разные группы людей уделяют внимание структуре, жидкостям, электромагнитам и другим индивидуальным аспектам по отдельности. Напротив, пересечение аспектов, которые могут представлять две темы физики и когда-то было серой зоной, может быть важным звеном в жизненном цикле продукта. Как прокомментировал: «Инженеры-конструкторы каждый день запускают все больше и больше мультифизических симуляций, потому что им нужно добавить реальности в свои модели».

Типы мультифизики

Часть «физика» в «мультифизике» означает «физическое поле». Здесь мультифизика означает сосуществование нескольких физических полей в процессе или системе. В физике поле - это физическая величина, имеющая значение для каждой точки пространства и времени. Например, на карте погоды вектор в каждой точке карты может использоваться для представления скорости приземного ветра вместе со скоростью и направлением движения воздуха в этой точке.

Как заниматься мультифизикой

Реализация мультифизики обычно следует следующей процедуре: идентификация мультифизического процесса / системы, разработка математического описания этого процесса / системы, дискретизация этой математической модели в алгебраическую систему, решение этой системы алгебраических уравнений и постобработка данных.

Абстрагирование мультифизической проблемы от сложного явления и описание такой проблемы обычно не акцентируются, но очень важны для успеха мультифизического анализа. Это требует определения системы, которую необходимо проанализировать, включая геометрию, материалы и доминирующие механизмы. Выявленная система будет интерпретироваться с использованием языков математики (функция, тензор, дифференциальное уравнение ) как вычислительная область, граничные условия, вспомогательные уравнения и управляющие уравнения. Дискретизация, решение и постобработка выполняются с помощью компьютеров. Таким образом, описанная выше процедура мало чем отличается от обычных методов численного моделирования, основанных на дискретизации дифференциальных уравнений в частных производных.

Математические модели

Математическая модель - это, по сути, набор уравнений. Уравнения можно разделить на три категории в зависимости от характера и предполагаемой роли: управляющие уравнения, вспомогательные уравнения и граничные / начальные условия. Основное уравнение описывает основные физические механизмы и процессы без дальнейшего выявления изменения и нелинейности свойств материала. Например, в задаче теплопередачи основное уравнение может описывать процесс, в котором тепловая энергия (представленная с использованием температуры или энтальпии) в бесконечно малой точке или репрезентативном объеме элемента изменяется из-за энергии, передаваемой из окружающих точек посредством проводимости, адвекции. , излучение и внутренние источники тепла или любые комбинации этих четырех механизмов теплопередачи в виде следующего уравнения:

${\ displaystyle {\ underbrace {\ frac {\ partial u} {\ partial t}} _ {\ rm {Accumulation}} \ underbrace {+ \ nabla \ cdot \ left (uv \ right)} _ {\ rm {Advection }} \ underbrace {- \ nabla \ cdot \ left (D \ nabla u \ right)} _ {{\ rm {Diffusion \;}} \ left ({\ rm {Conduction, Dispersion}} \ right)} = \ underbrace {Q} _ {\ rm {Источник}}}}$ .

Связь между полями может быть достигнута в каждой категории.

Метод дискретизации

Multiphysics, как правило , осуществляется с числовым дискретизации методов , таких как метод конечных элементов , метода конечных разностей и метода конечных объемов . Многие программные пакеты в основном полагаются на метод конечных элементов или аналогичные обычные численные методы для моделирования связанной физики: теплового напряжения, электро- и акустомагнитомеханического взаимодействия.

Смотрите также

Метод конечных разностей во временной области

Languages

In other projects