از تخیل تا فناوری؛ ایده فضا–زمان چگونه دینامیک سیالات را دگرگون ساخت
به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، محققان دانشگاه رایس و دانشگاه واسدا با روش‌های جدیدی که دقت در حل مسائل پیچیده دنیای واقعی را به میزان قابل توجهی افزایش می‌دهند، حوزه دینامیک سیالات محاسباتی را پیشرفت داده‌اند.
این کار، به رهبری تایفون تزدویار، جیمز اف. باربور و کنجی تاکیزاوا، در کتاب اخیرشان با عنوان «تحلیل جریان محاسباتی فضا-زمان» مستند شده است.
تِزدویار برای اولین بار در سال ۱۹۹۰ تحلیل محاسباتی جریان فضا-زمان را به عنوان چارچوبی برای مدل‌سازی جریان سیال با دقت بیشتر معرفی کرد. از سال ۱۹۹۸، بخش عمده‌ای از توسعه در دانشگاه رایس انجام شده است و در سال ۲۰۰۷، تاکیزاوا به این همکاری پیوست و دامنه بین‌المللی آن را گسترش داد.
این رویکرد، نمایش‌های مکانی و زمانی الگو‌های جریان را که روش‌های سنتی اغلب جداگانه با آنها برخورد می‌کنند، متحد می‌کند.
تِزدویار گفت: «تعداد بسیار کمی از مردم در جهان می‌توانند این طیف از مسائل را با این دقت حل کنند. ما مسائلی را که دیگران آنها را حل‌ناپذیر می‌دانند، می‌پذیریم و راهی برای مدل‌سازی دقیق آنها پیدا می‌کنیم و نمایش‌هایی با دقت بالا از راه‌حل واقعی ایجاد می‌کنیم.
کاربرد‌های کلیدی
تیم رایس-واسدا به مشکلاتی در حوزه‌های پزشکی، هوافضا، حمل و نقل و انرژی‌های تجدیدپذیر پرداخته است. ناسا این روش را در طراحی چتر‌های فرود برای فضاپیمای اوریون به کار برد و استقرار مطمئن آن را در هنگام ورود مجدد تضمین کرد.
در پزشکی، شبیه‌سازی جریان خون از طریق دریچه‌های قلب، داده‌های دقیقی را برای درمان بیماری‌های قلبی عروقی در اختیار جراحان قرار داده است.
تولیدکنندگان تایر از این مدل‌ها در بخش خودرو برای تجزیه و تحلیل آیرودینامیک و خنک‌سازی، بهبود ایمنی و دوام استفاده می‌کنند.
در انرژی‌های تجدیدپذیر، از این روش برای ارزیابی اثرات جریان آشفته توربین‌های بادی استفاده شده است که به اطلاع‌رسانی در مورد قرارگیری ایمن میدان‌های توربین کمک می‌کند و در عین حال خطرات را برای هواپیما‌های نزدیک، پهپاد‌ها و حیات وحش کاهش می‌دهد.
درباره شبیه‌سازی‌های سنتی
شبیه‌سازی‌های سنتی، فضا و زمان را جداگانه در نظر می‌گیرند، و جدیدترین پیشرفت‌ها عمدتاً بر مدل‌سازی فضایی متمرکز شده‌اند. دیدگاه تزدویار از سال ۱۹۹۰، این دو بازنمایی را با هم ترکیب کرده است.
او گفت: «در زندگی واقعی، الگو‌های جریان نه تنها به مکان، بلکه به لحظه‌ی زمانی نیز بستگی دارند. شما نمی‌توانید یکی را کمتر از حد واقعی نشان دهید و انتظار داشته باشید که بهترین پاسخ را دریافت کنید. روش ما به طور منحصر‌به‌فرد، نمایش با دقت بالا را در هر دو بعد ارائه می‌دهد.
تزدویار همچنین توضیح داد که پیچیدگی هندسه یک سیستم تقریباً همیشه الگو‌های جریان به همان اندازه پیچیده‌ای را ایجاد می‌کند که هم در فضا و هم در زمان تغییر می‌کنند.
برای بهترین راه‌حل، روش‌های شبیه‌سازی کامپیوتری باید در نمایش الگو‌های جریان در زمان به همان اندازه که در نمایش الگو‌های جریان در مکان پیچیده هستند، در نمایش الگو‌های جریان در فضا نیز پیچیده باشند.
این روش همچنین امکان قرار دادن نقاط محاسباتی متراکم در نواحی بحرانی، مانند تماس لاستیک با جاده یا بسته شدن لت‌های دریچه قلب را فراهم می‌کند.
برخلاف تکنیک‌های سنتی که اغلب با ایجاد شکاف یا کاهش تراکم نقاط، دقت را از دست می‌دهند، شبیه‌سازی‌های تزدویار-تاکیزاوا دقت ثابتی را در الگو‌های جریان حفظ می‌کنند.
مقابله با چالش‌های دنیای واقعی
تزدویار همچنین توضیح داد که تحقیقات آنها نه تنها در مورد معادلات، بلکه در مورد پاسخ به چالش‌های دنیای واقعی است.
او گفت: «بسیاری از پروژه‌های ما به این دلیل آغاز شدند که کسی با مشکلی که می‌خواست حل شود، به ما مراجعه کرد. چه ناسا، چه ارتش ایالات متحده یا یک محقق تایر، آنها به پاسخ‌هایی نیاز داشتند که با ابزار‌های موجود در دسترس نبودند.
این روش نقاط محاسباتی متراکم را در نواحی بحرانی قرار می‌دهد و از شکاف‌ها و افت دقت رایج در شبیه‌سازی‌های سنتی جلوگیری می‌کند.
