Мультифизика - Multiphysics

Мультифизика определяется как связанные процессы или системы, включающие более одного одновременно происходящего физического поля, а также исследования и знания об этих процессах и системах.^[1] Как междисциплинарный область исследования, мультифизика охватывает многие научные и инженерные дисциплины. Мультифизика - это практика, основанная на математике, физике, применении и численный анализ. Используемая математика обычно содержит уравнения в частных производных и тензорный анализ. Физика относится к обычным типам физических процессов, например, теплопередача (термо-), движение поровой воды (гидро-), поле концентрации (концентро или диффузо / конвекто / адвекто), напряжение и деформация (механо-), динамика (дино-), химические реакции (химио- или химико-), электростатика (электро-), нейтронные (нейтро-) и магнитостатика (магнито-).^[2]

Определение

Есть несколько определений мультифизики. В широком смысле мультифизика относится к моделированию, в котором задействовано 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 определение физических явлений.^[1] COMSOL определяет мультифизику в относительно узком смысле: мультифизика включает 1. связанные физические явления в компьютерное моделирование 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.^[3][4] Это определение очень близко к предыдущему, за исключением того, что оно не подчеркивает физические свойства. Более строго, мультифизика может быть определена как процессы, включающие тесно связанные взаимодействия между отдельными физическими явлениями континуума.^[5] В этом определении существенной особенностью является двусторонний обмен информацией между физическими полями, который может включать неявную конвергенцию в пределах временного шага. 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.^[1]

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 репрезентативных 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.^[1][3]

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 многопрофильных 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». ^[6] Автомобильная промышленность подает хороший пример. Традиционно разные группы людей уделяют внимание конструкции, жидкостям, электромагнитам и другим индивидуальным аспектам отдельно. 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,^[7] «Инженеры-проектировщики с каждым днем ​​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, которая имеет значение для каждой точки пространства и времени. Например, на карте погоды вектор в каждой точке карты может использоваться для представления скорости приземного ветра со скоростью и направлением движения воздуха в этой точке.^[1]

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 расчетная 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.^[1]

Математические модели

Смотрите также: Математические модели

Математическая модель - это, по сути, набор уравнений. Уравнения можно разделить на три категории^{[который? ]} в соответствии с характером и предполагаемой ролью. Первая категория - это управляющие уравнения. 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:^[1]

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

Связь между полями может быть достигнута в каждой категории.

Метод дискретизации

Мультифизика обычно реализуется численно с помощью таких методов дискретизации, как метод конечных элементов, метод конечных разностей, и метод конечных объемов. Многие программные пакеты в основном полагаются на метод конечных элементов или аналогичные распространенные численные методы для моделирования взаимосвязанной физики: теплового напряжения, электро- и акустомагнитомеханического взаимодействия.^[8]

Смотрите также

• Метод конечных разностей во временной области

использованная литература

1. Мультифизика в пористых материалах | Чжэнь (Лео) Лю | Springer.
2. «Мультифизическое обучение и сети - Домашняя страница». www.multiphysics.us. Получено 2018-08-19.
3. Кржижановская, Валерия В .; Сунь, Шую (2007), "Моделирование мультифизических многомасштабных систем: Введение в семинар ICCS'2007", Вычислительные науки - ICCS 2007, Springer Berlin Heidelberg, стр. 755–761, Дои:10.1007/978-3-540-72584-8_100, ISBN  9783540725831
4. Гроен, Дерек; Zasada, Stefan J .; Ковени, Питер В. (31.08.2012). «Обзор многомасштабных и мультифизических приложений и сообществ». arXiv:1208.6444 [cs.OH ].
5. www.duodesign.co.uk. «NAFEMS загружает инженерный анализ и моделирование - FEA, анализ методом конечных элементов, CFD, вычислительную гидродинамику и моделирование» (PDF). nafems.org. Архивировано из оригинал (PDF) на 2018-08-19. Получено 2018-08-19.
6. «Мультифизика превращает реальный мир в моделирование». 2015-03-16. Получено 2018-08-19.
7. Тилмани, Жан (01.02.2010). «Мультифизика: все сразу». Машиностроение. 132 (2): 39–41. Дои:10.1115 / 1.2010-5 февр.. ISSN  0025-6501.
8. С. Багвелл, П.Д. Леджер, А.Дж. Гил, М. Маллетт, М. Круип, Линеаризованная структура HP – конечных элементов для акустомагнитомеханической связи в осесимметричных сканерах МРТ, DOI: 10.1002 / nme.5559

• Сьюзан Л. Грэм, Марк Снир и Синтия А. Паттерсон (редакторы), Быстрое развитие: будущее суперкомпьютеров, Приложение D.. The National Academies Press, Вашингтон, округ Колумбия, 2004 г. ISBN  0-309-09502-6.
• Пол Летбридж, Мультифизический анализ, стр. 26, Промышленный физик, декабрь 2004 г. / январь 2005 г., [1], Архив: [2]