Использование компьютерных симуляций для борьбы с изменением климата

Когда мы представляем инструменты, которые мы применяем для борьбы с изменением климата, мы часто думаем о возобновляемой энергии и электромобилях. Редко мы задумываемся о симуляциях.

—

Вы́числительная гидродинамика (CFD) — раздел науки, который использует физику жидкостей (например, воду, воздух, топливо, пламя и т. д.), математику и информатику для создания точных реалистичных симуляций.

CFD помогает исследователям моделировать всё — от капель до сложных океанических течений и атмосферной турбулентности.

Это мощный инструмент, который играет решающую роль в понимании и прогнозировании поведения сложных природных систем и экстремальных погодных явлений.

Климат Земли представляет собой огромную сложную задачу по динамике жидкостей. Например, как показано на Рис. 1, поток воздуха над Канарскими островами формирует вихревую улицу Фон Кармана, феномен, который также наблюдают в классических задачах гидродинамики, таких как поток вокруг цилиндра.

Каждое климатическое явление, от воздушных и океанических течений до осадков, ураганов, торнадо и тепловых волн, вовлекает движение жидкости (воздуха, воды, капель, влажности). Используя уравнения, управляемые этим движением, CFD способна точно моделировать эти природные явления с помощью высокопроизводительных вычислительных систем и математики. Например, модель MIT General Circulation Model (Figure 2) используется для изучения океанических течений и переноса тепла, помогая нам понять долгосрочные тенденции океана.

Другие модели и симуляции на основе этих моделей помогают исследователям понять, как тепло и влага транспортируются в атмосфере, прогнозировать, как океаны циркулируют теплом по планете, моделировать формирование и траекторию ураганов или циклонов, а также моделировать влияние таяния ледяных щитов и повышение уровня моря.

Моделирование чистой энергетики

Реализация инфраструктуры возобновляемой энергии, такой как ветровые электростанции, приливные станции или другие чистые источники энергии, например атомная энергетика, требует дорогостоящых и энергоемких физических испытаний. Это, в свою очередь, может приводить к выбросам углерода и образованию отходов, частично нивелируя экологические преимущества, связанные с этими технологиями.

Симуляции предлагают устойчивую альтернативу и помогают инженерам проектировать, оптимизировать и внедрять технологии чистой энергетики с гораздо меньшим воздействием на окружающую среду. Например, как показано на Рис. 3, симуляции CFD можно использовать для оптимизации форм лопастей турбин или определения наилучшего размещения турбин на ветрофазах, чтобы снизить потери из-за wake и Максимизировать выход энергии. Аналогичные подходы применяются для моделирования систем охлаждения на солнечных электростанциях или моделирования динамики потока в приливных и ядерных энергетических системах.

Эти цифровые эксперименты не только быстрее и экономичнее, но и значительно снижают углеродный след и количество отходов материалов.

Прогнозирование и контроль разлива нефти

Водные ресурсы Земли постоянно загрязняются промышленными отходами, сбросами сточных вод, мусором и сельскохозяйственными стоками. Независимо от причин, разливы нефти представляют огромную угрозу для окружающей среды и морских экосистем, как видно на катастрофах вроде разлива Deepwater Horizon 2010 года — самого крупного за всю историю морского разлива нефти.

CFD используется для исследования того, как нефть распространяется в океане. Эти симуляции помогают прогнозировать перемещение нефти в воде, её распад и взаимодействие с ветром, волнами и течениями.

Например, модель ADIOS, разработанная Национальным управлением океанов и атмосферы (NOAA), использует подобные симуляции, чтобы оценить поведение нефти при разных условиях. Различные другие вычислительные инструменты также применялись для моделирования того, как нефть поднимается из-под морского дна и перемещается по океану. Эти инструменты помогают аварийным службам быстрее реагировать, показывая, куда направится нефть и как ее локализовать без необходимости проведения дорогостоящих или загрязняющих окружающую среду физических испытаний.

Эта технология позволяет не только лучше готовиться к авариям разлива нефти, но и совершенствовать законы и правила безопасного обращения.

Что ожидает будущее

Приведённые выше примеры — лишь вершина айсберга. Существует ещё множество способов того, как компьютерные симуляции, включая CFD, помогают нам бороться с изменением климата. Разумеется, создание таких высокодостоверных симуляций сопряжено и с собственными трудностями.

Запуск симуляций требует вычислительной мощности, что потребляет энергию и способствует выбросам углерода. Однако экологическая стоимость симуляций составляет лишь малую долю по сравнению с расходами полномасштабных физических экспериментов

Мир вычислительной науки стремительно развивается. Новые алгоритмы и численные методы постоянно повышают эффективность симуляций, сокращая как время, так и энергопотребление. Более того, всё больше дата-центров переходят на возобновляемые источники энергии и эффективно охлаждаются. От систем жидкостного охлаждения до гибридных проектов — эти достижения существенно снижают углеродный след крупных симуляций.

По мере углубления климатического кризиса возрастает необходимость действовать быстро и разумно. CFD не просто помогает нам предсказывать будущее, он позволяет разрабатывать лучшие решения, сокращать отходы и предотвращать экологические повреждения еще до их начала. Он дает возможность моделировать тот мир, который мы хотим построить, и тот, которого мы хотим избежать.