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]
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 (динамический -), химические реакции (химио- или химико-), электростатические (электро-), нейтронные (нейтро-) и магнитостатические (магнито-). [2]
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. [1]
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. [3] [4] 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 . [5] 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 возникающих физических полей, 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 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. [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 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». [6]
Автомобильная промышленность дает 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 [7], «инженеры-проектировщики 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. [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 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. [1]
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: [1]
.
Связь между полями может быть достигнута в каждой категории.
Метод дискретизации
Multiphysics, как правило , осуществляется с числовым дискретизации методами такой метод конечных элементов , метод конечных разностей и метод конечных объемов . Многие программные пакеты в основном полагаются на метод конечных элементов или аналогичные обычные численные методы для моделирования взаимосвязанной физики: теплового напряжения, электро- и акустомагнитомеханического взаимодействия. [8]
Смотрите также
Рекомендации
- ^ a b c d e f g Мультифизика в пористых материалах | Чжэнь (Лев) Лю | Springer .
- ^ «Мультифизическое обучение и сети - Домашняя страница» . www.multiphysics.us . Проверено 19 августа 2018 .
- ^ а б Кржижановская, Валерия В .; Вс, Shuyu (2007), "Моделирование Multiphysics Многомасштабные систем: Введение в ICCS'2007 Workshop", Вычислительная наука - изношенность 2007 , Springer Berlin Heidelberg, стр 755-761,. Дои : 10.1007 / 978-3-540-72584 -8_100 , ISBN 9783540725831
- ^ Гроен, Дерек; Zasada, Stefan J .; Ковени, Питер В. (31.08.2012). «Обзор многомасштабных и мультифизических приложений и сообществ». arXiv : 1208,6444 [ cs.OH ].
- ^ 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 оригинального (PDF) на 2018-08-19 . Проверено 19 августа 2018 .
- ^ «Мультифизика позволяет моделировать реальный мир» . 2015-03-16 . Проверено 19 августа 2018 .
- ^ Тилмани, Жан (01.02.2010). «Мультифизика: все сразу» . Машиностроение . 132 (2): 39–41. DOI : 10.1115 / 1.2010-февраль-5 . ISSN 0025-6501 .
- ^ 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
- Сьюзен Л. Грэм , Марк Snir и Cynthia A. Patterson (редакторы), Получение до скорости: 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]