Multi-Fizik

Multifizik, eşzamanlı olarak meydana gelen fiziksel alanları birden fazla birleştiren süreçler veya sistemler ve bu süreçler ve sistemler hakkındaki çalışma ve bilgi olarak tanımlanır. Disiplinler arası bir çalışma alanı olarak, birçok bilim ve mühendislik disiplinleri üzerinde multifizik yayılır. Multifizik matematik, fizik, uygulama ve sayısal analiz üzerine kurulmuş bir uygulamadır. İlgili matematik genellikle kısmi diferansiyel denklemler ve tensör analizi içerir. Fizik, fiziksel süreçlerin, örneğin ısı geçişinin (termo-), gözenekli su hareketinin (hidro-), konsantrasyon alanının (konsantro veya diffuso / convecto / advecto), stres ve gerilmenin (mechano-), dinamiğin (dyno) ortak türlerini ifade eder. -), kimyasal reaksiyonlar (kemo veya kimyasal), elektrostatikler (elektro-) ve manyetostatikler (manyeto-).

Tanımı

Multifizik için çoklu tanımlamalar vardır. Geniş anlamda, çoklu fizik birden fazla fiziksel modeli veya çoklu eş zamanlı fiziksel fenomeni içeren simülasyonlara atıfta bulunur. “Çoklu fiziksel modellerin” dahil edilmesi, bu tanımı çok geniş ve genel bir kavram haline getirmektedir, ancak bu tanım, fiziksel modellerin içerdiği fiziki fenomenleri içerebileceğinden, kendiliğinden çelişkilidir. COMSOL, multifizik'i nispeten dar bir anlamda tanımlar: multifizik, 1. bilgisayar simülasyonunda birleştirilmiş fiziksel fenomeni ve 2. çoklu etkileşimli fiziksel özelliklerin çalışmasını içerir. Bir başka tanımda, bir çoklu sistem, evrim veya denge için kendi prensipleri tarafından yönetilen birden fazla bileşenden, tipik olarak koruma veya kurucu yasalardan oluşur. Bu tanım fiziksel özelliklere vurgu yapmaması dışında bir öncekine çok yakındır. Daha katı bir şekilde, çoklu fizik, ayrı sürekli fizik fenomenleri arasında birbirine yakın etkileşimleri içeren süreçler olarak tanımlanabilir. Bu tanımda, bir zaman adımı içinde örtük yakınsamaya yol açabilecek fiziksel alanlar arasındaki iki yönlü bilgi alışverişi temel özelliktir. Yukarıdaki tanımlara dayanarak, multifizik eşzamanlı olarak meydana gelen fiziksel alanları birden fazla birleştiren birleştirilmiş süreçler veya sistemler ve aynı zamanda bu süreçler ve sistemler hakkındaki bilgi ve çalışmalardır.

Tarih ve Gelecek

Multifizik, günlük yaşamdan ne de yeni geliştirilmiş bir teori veya tekniğe kadar uzanan bir araştırma kavramı değildir. Aslında, bir multhysics dünyasında yaşıyoruz. Doğal ve yapay sistemler, farklı mekansal ve zamansal ölçeklerde, atomlardan galaksilere ve piknikten asırlara kadar çeşitli fiziksel fenomenlerle çalışır. Temel ve uygulamalı bilimlerdeki birkaç temsili örnek, katılar, karmaşık akışlar, akışkan-yapı etkileşimleri, plazma ve kimyasal süreçler, termo-mekanik ve elektromanyetik sistemler üzerindeki yükler ve deformasyonlardır.

Multifizik birçok bilim ve mühendislik disiplininde hızla bir araştırma ve uygulama alanı haline gelmiştir. Karşılaştığımız giderek daha zorlayıcı problemlerin, tek bir geleneksel disiplinin kapsayamayacağı fiziksel süreçleri içerdiği açık bir eğilim var. Bu eğilim, daha karmaşık ve daha çok disiplinli sorunları çözmek için analiz kapasitemizi genişletmemizi gerektirmektedir. Modern akademik topluluklar, fizik, kimya, malzeme bilimi ve biyoloji arasındaki geleneksel disiplin sınırlarını aşan hızla artan karmaşıklık sorunları ile karşı karşıyadır. Multifizik de endüstriyel uygulamada bir sınır haline gelmiştir. Simülasyon programları tasarım, ürün geliştirme ve kalite kontrolde bir araca dönüşmüştür. Bu yaratım süreçleri sırasında mühendislerin, simülasyon araçlarının yardımıyla bile, eğitimlerinin dışındaki alanlarda düşünmeleri gerekiyor. Modern mühendislerin, mühendislik dünyasının derinliklerinde bilinen kavramını “çokyüzlülük” olarak tanıması ve kavraması daha fazla gereklidir. Otomobil endüstrisi iyi bir örnek veriyor. Geleneksel olarak, farklı insan grupları yapıya, sıvılara, elektromıknatıslara ve diğer bireysel yönlere ayrı ayrı odaklanır. Aksine, iki fizik konusunu temsil edebilen ve bir zamanlar gri bir alan olan yönlerin kesişimi, ürünün yaşam döngüsündeki temel bağlantı olabilir. Tarafından yorumlandığı gibi, “Tasarım mühendisleri her geçen gün daha fazla çoklu simülasyonlar çalıştırıyorlar çünkü modellerine gerçeklik katmaları gerekiyor.”

Multifizik Çeşitleri

“Çoklu iletişim” deki “fizik” kısmı “fiziksel alan” anlamına gelir. Orada, çoklu teknoloji, bir süreç veya sistemdeki çoklu fiziksel alanların bir arada bulunması anlamına gelir. Fizikte, bir alan, uzayda ve zamanda her nokta için bir değere sahip olan fiziksel bir miktardır. Örneğin, bir hava haritasında, haritanın her noktasında bulunan bir vektör, bu noktada havanın hareketi için hem hız hem de yön ile yüzey rüzgâr hızını temsil etmek için kullanılabilir.

Multifizik nasıl yapılır?

Çokluhızanın uygulanması genellikle aşağıdaki prosedürü izler: çokhızlı bir süreç / sistemin tanımlanması, bu sürecin / sistemin matematiksel bir tanımının geliştirilmesi, bu matematiksel modelin cebirsel bir sisteme ayrıştırılması ve bu cebirsel denklem sisteminin çözülmesi ve verilerin işlemden geçirilmesi. Kompleks bir fenomenden gelen çokhenkli bir problemin soyutlanması ve böyle bir problemin tarifi genellikle vurgulanmamakta, ancak çokhızlık analizinin başarısı için çok önemlidir. Bu, geometri, materyaller ve baskın mekanizmalar da dahil olmak üzere analiz edilecek sistemi tanımlamayı gerektirir. Tanımlanan sistem matematik dilleri (fonksiyon, tensör, diferansiyel denklem) kullanılarak hesaplama alanı, sınır koşulları, yardımcı denklemler ve yönetim denklemleri olarak yorumlanacaktır. Discretization, solution ve postprocessing bilgisayarlar kullanılarak gerçekleştirilmektedir. Bu nedenle, yukarıdaki prosedür, kısmi diferansiyel denklemlerin ayrılmasına dayanan genel sayısal simülasyonlardan çok farklı değildir.

Matematik Modeli

Matematiksel bir model aslında bir dizi denklemdir. Denklemler, doğaya ve amaçlanan role göre üç kategoriye ayrılabilir. İlk kategori yönetim denklemleridir. Bir yönetim denklemi, maddi özelliklerin değişimini ve doğrusallığını daha fazla ortaya koymadan büyük fiziksel mekanizmaları ve süreci tanımlar. Örneğin, bir ısı aktarım probleminde, yönetim denklemi, ısı noktasının (sıcaklık veya entalpi kullanılarak temsil edilen) sonsuz bir noktada veya temsili bir eleman hacminin, çevreleyen noktalardan iletme, aktarma yoluyla aktarılan enerji nedeniyle değiştirildiği bir işlemi tarif edebilir. radyasyon ve iç ısı kaynakları ya da aşağıdaki denklem olarak bu dört ısı transfer mekanizmasının herhangi bir kombinasyonu:

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

Her kategoride alanlar arasındaki bağlantılar yapılabilir.

Ayrılma Yöntemi

Multifizik genellikle Sonlu Elemanlar Yöntemi, Sonlu Fark Metodu ve Sonlu Hacim Metodu gibi diskleştirme yöntemleri ile sayısal olarak uygulanır. Birçok yazılım paketi, esas olarak eşleşmiş fiziği simüle etmek için sonlu elemanlar yöntemine veya benzer yaygın sayısal yöntemlere dayanır: termal stres, elektro ve acousto-manyetomekanik etkileşim.

Kaynakça

• Susan L. Graham, Marc Snir, and Cynthia A. Patterson (Editors), Getting Up to Speed: The Future of Supercomputing, Appendix D. The National Academies Press, Washington DC, 2004. 0-309-09502-60-309-09502-6.
• Paul Lethbridge. "Multiphysics Analysis". The Industrial Physicist. s. 26. 24 Kasım 2005 tarihinde kaynağından arşivlendi.