Nowy paradygmat w symulacjach wielofizycznych
Wiele systemów w świecie rzeczywistym uwzględnia złożone interakcje pomiędzy płynami (w stanie gazowym lub ciekłym) oraz fazami stałymi lub strukturami. Przykłady na to można znaleźć w różnych dziedzinach, np. w przemyśle farmaceutycznym, przemyśle żywnościowym i przetwórczym, górnictwie, budownictwie oraz przemyśle wytwarzania energii z odnawialnych źródeł. Produkty codziennego użytku, np. paliwa ze źródeł odnawialnych czy nawet kawa, zależą od gruntownej znajomości praw fizyki leżących u podstaw ich produkcji. Symulacje systemów wielokomponentowych zostały opracowane w tym samym czasie co same symulacje. W świetle stale rosnącego potencjału superkomputerów oraz coraz większych ambicji w zakresie prognoz naukowych i projektowania inżynieryjnego warto jednak spojrzeć na te symulacje z innej perspektywy. Badania przeprowadzone w ramach finansowanego ze środków UE projektu AMST (Advanced multi-physics simulation technology) zapewniły innowacyjne podejście do symulacji wielofizycznych. Koordynator projektu, profesor Bernhard Peters z Université du Luxembourg, wyjaśnia, że rozszerzona metoda elementów dyskretnych (XDEM) dla wielofizycznych i wielkoskalowych symulacji ma swoje korzenie w obróbce cieplnej odpadów, którą badano wcześniej w Instytucie Technologii w Karlsruhe (KIT), w Niemczech. Metoda XDEM tworzy podstawę do opracowania zaawansowanej platformy symulacyjnej, która dzięki swojej elastyczności i wszechstronności umożliwia tworzenie narzędzi symulacji wielkoskalowych i wielofizycznych następnej generacji". W metodzie XDEM dynamiczne zachowanie granulowanych materiałów stałych i cząsteczkowych zostaje rozszerzone zgodnie z opisem klasycznej metody elementów dyskretnych poprzez oszacowanie stanu termodynamicznego tych materiałów. Dodatkowo przewidywany jest stan termodynamiczny każdej cząsteczki, uwzględniając zmiany w temperaturze i rozmieszczeniu gatunków na skutek reakcji chemicznych i zewnętrznych źródeł ciepła oraz pola naprężeń i odkształceń. Profesor Peters dodaje: "Nowa platforma symulacyjna korzysta z połączenia różnych narzędzi predykcyjnych opartych na podejściu Eulera i Lagrange'a. W podejściu Eulera wykorzystywane są modele symulacyjne [uwzględniające wszystkie fazy jako kontinuum na poziomie makroskopowym]. Takie modele kontinuum uwzględniają obliczeniową dynamikę płynów oraz analizę metodą elementu skończonego. Z drugiej strony podejście Lagrange'a sprawdza się dla faz dyskretnych". Profesor zauważył, że "Naukowo udowodnionemu wdrożeniu metody XDEM towarzyszyło opracowanie graficznego interfejsu użytkownika funkcjonującego jako wstępny procesor dla solvera XDEM". Utworzenie platformy symulacyjnej AMST możliwe było dzięki owocnej współpracy pomiędzy placówką Université du Luxembourg oraz niemieckim małym/średnim przedsiębiorstwem inuTech oraz posiadanymi przez nie uzupełniającymi się kompetencjami w obszarze symulacji problemów opartych na prawach fizyki oraz projektowania oprogramowania. Projekt AMST umożliwił zniwelowanie luki technologicznej i przyczynił się do rozwoju europejskich badań w zakresie wielofizyki. Symulowanie zachowania systemów wielokomponentowych ułatwia naukowcom i inżynierom wykonywanie analiz na bazie danych eksperymentalnych oraz rozumienie występujących w tych analizach podstawowych praw fizyki. Dysponując informacjami teoretycznymi, które uzupełniają wiedzę doświadczalną, nasze zrozumienie wielofizyki staje się o wiele dokładniejsze.
Słowa kluczowe
Systemy wielokomponentowe, AMST, symulacje wielofizyczne, metoda elementów dyskretnych, termodynamika