Multifysik - Multiphysics

Multiphysics er defineret som de koblede processer eller systemer, der involverer mere end et samtidigt forekommende fysisk felt og studier af og viden om disse processer og systemer.

Som et tværfagligt studieområde spænder flerfysik over mange videnskabelige og tekniske discipliner. Multiphysics er en praksis bygget på matematik, fysik, anvendelse og numerisk analyse . Den involverede matematik indeholder normalt delvise differentialligninger og tensoranalyse .

Fysik henviser til almindelige typer fysiske processer, fx varmeoverførsel (termo-), porevandbevægelse (hydro-), koncentrationsfelt (concentro eller diffuso / convecto / advecto), stress og belastning (mechano-), dynamik (dyno -), kemiske reaktioner (kemo- eller kemisk-), elektrostatik (elektro-), neutronik (neutro-) og magnetostatik (magneto-).

Definition

Der er flere definitioner for flerfysik. I bred forstand henviser multifysik til simuleringer, der involverer flere fysiske modeller eller flere samtidige fysiske fænomener. Inkluderingen af ​​"flere fysiske modeller" gør denne definition til et meget bredt og generelt begreb, men denne definition er lidt selvmodsigende, da implikationen af ​​fysiske modeller kan omfatte fysiske fænomeners.

COMSOL definerer multifysik i en relativt snæver forstand: flerfysik inkluderer 1. koblede fysiske fænomener i computersimulering og 2. undersøgelse af flere interagerende fysiske egenskaber . I en anden definition består et flerfysiksystem af mere end en komponent, der styres af dets egne principper for udvikling eller ligevægt, typisk bevarelse eller konstitutive love. Denne definition er meget tæt på den foregående bortset fra at den ikke lægger vægt på fysiske egenskaber.

På en mere streng måde kan flerfysik defineres som de processer, der inkluderer tæt koblede interaktioner mellem separate kontinuumfysiske fænomener. I denne definition er tovejs udveksling af information mellem fysiske felter, som kan involvere implicit konvergens inden for et tidstrin, det væsentlige træk.

Baseret på ovenstående definitioner defineres flerfysik som de sammenkoblede processer eller systemer, der involverer mere end et samtidigt forekommende fysisk felt, og også undersøgelser af og viden om disse processer og systemer.

Historie og fremtid

Multiphysics er hverken et forskningskoncept langt fra dagligdagen eller en nyudviklet teori eller teknik. Faktisk lever vi i en multifysikverden. Naturlige og kunstige systemer kører med forskellige typer fysiske fænomener på forskellige rumlige og tidsmæssige skalaer: fra atomer til galakser og fra pico-sekunder til århundreder. Et par repræsentative eksempler inden for grundlæggende og anvendt videnskab er belastninger og deformationer på faste stoffer, komplekse strømme, væskestrukturinteraktioner, plasma- og kemiske processer, termomekaniske og elektromagnetiske systemer.

Multiphysics har hurtigt udviklet sig til et forsknings- og anvendelsesområde på tværs af mange videnskabelige og tekniske discipliner. Der er en klar tendens til, at flere og mere udfordrende problemer, vi står over for, involverer fysiske processer, der ikke kan dækkes af en enkelt traditionel disciplin. Denne tendens kræver, at vi udvider vores analysekapacitet til at løse mere komplicerede og mere tværfaglige problemer.

Moderne akademiske samfund konfronteres med problemer med hurtigt stigende kompleksitet, der strækker sig over de traditionelle disciplinære grænser mellem fysik, kemi, materialevidenskab og biologi. Multiphysics er også blevet en grænse inden for industriel praksis. Simuleringsprogrammer har udviklet sig til et værktøj inden for design, produktudvikling og kvalitetskontrol. Under disse oprettelsesprocesser kræves det, at ingeniører tænker i områder uden for deres træning, selv med hjælp fra simuleringsværktøjerne. Det er mere og mere nødvendigt for de moderne ingeniører at kende og forstå begrebet hvad der er kendt dybt inde i ingeniørverdenen som "flerfysik."

Bilindustrien giver et godt eksempel. Traditionelt fokuserer forskellige grupper af mennesker på strukturen, væsker, elektromagneter og det andet individuelle aspekt hver for sig. Derimod kan skæringspunktet mellem aspekter, der kan repræsentere to fysiske emner og en gang var et gråt område, være det væsentlige led i produktets livscyklus. Som kommenteret af: "Designingeniører kører flere og flere multifysiske simuleringer hver dag, fordi de har brug for at tilføje virkelighed i deres modeller."

Typer af flerfysik

Delen "fysik" i "flerfysik" betegner "fysisk felt". Der betyder flerfysik sameksistens mellem flere fysiske felter i en proces eller et system. I fysik er et felt en fysisk størrelse, der har en værdi for hvert punkt i rum og tid. For eksempel på et vejrkort kan en vektor på hvert punkt på kortet bruges til at repræsentere overfladens vindhastighed med både hastighed og retning for luftens bevægelse på det punkt.

Hvordan man laver flerfysik

Implementeringen af ​​flerfysik følger normalt følgende procedure: identifikation af en flerfysisk proces / system, udvikling af en matematisk beskrivelse af denne proces / system, diskretisering af denne matematiske model til et algebraisk system, løsning af dette algebraiske ligningssystem og efterbehandling af dataene.

Abstraktionen af ​​et flerfysisk problem fra et komplekst fænomen og beskrivelsen af ​​et sådant problem understreges normalt ikke, men meget kritisk for succesen med multifysikanalysen. Dette kræver at identificere det system, der skal analyseres, herunder geometri, materialer og dominerende mekanismer. Det identificerede system fortolkes ved hjælp af matematiske sprog (funktion, tensor, differentialligning ) som beregningsdomæne, randbetingelser, hjælpeligninger og styrende ligninger. Diskretisering, løsning og efterbehandling udføres ved hjælp af computere. Derfor er ovenstående procedure ikke meget forskellig fra dem i almindelig numerisk simulering baseret på diskretisering af delvise differentialligninger.

Matematiske modeller

En matematisk model er i det væsentlige et sæt ligninger. Ligningerne kan opdeles i tre kategorier efter karakteren og den tilsigtede rolle: styrende ligninger, hjælpeligninger og grænse / startbetingelser. En styrende ligning beskriver de vigtigste fysiske mekanismer og proces uden yderligere at afsløre ændringen og ikke-lineariteten af ​​materialegenskaberne. For eksempel i et varmeoverføringsproblem kunne den regulerende ligning beskrive en proces, hvor den termiske energi (repræsenteret ved hjælp af temperatur eller entalpi) ved et uendeligt lille punkt eller et repræsentativt elementvolumen ændres på grund af energi overført fra omgivende punkter via ledning, føring , stråling og interne varmekilder eller kombinationer af disse fire varmeoverførselsmekanismer som følgende ligning:

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

Koblinger mellem felter kan opnås i hver kategori.

Diskretiseringsmetode

Multiphysics er normalt numerisk implementeret med diskretiseringsmetoder såsom finite element-metode , finite difference-metode og finite volume-metode . Mange softwarepakker er hovedsageligt afhængige af finite element-metoden eller lignende almindelige numeriske metoder til simulering af koblet fysik: termisk stress, elektro- og akustomagnetomekanisk interaktion.

Se også

• Endelig metode til tidsdomæne

Referencer

• Susan L. Graham , Marc Snir, og Cynthia A. Patterson (redaktører), Kom op på beatet: Fremtiden for Supercomputing, appendiks D . The National Academies Press, Washington DC, 2004. ISBN  0-309-09502-6 .
• Paul Lethbridge, Multiphysics Analysis , p26, The Industrial Physicist, Dec 2004 / Jan 2005, [1] , Arkiveret ved: [2]