بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله سعی شده است تا با بیان مفهوم فرآیندهای چند مقیاسی به عنوان یک استراتژی برای شبیه سازی دقیق تر مسائل پیچیده از لحاظ مقیاس های مختلف مکانی و زمانی، برخی از روشهای توانمند در شبیهسازی فرآیندها، همراه با تکنیک دینامیک سیالات محاسباتی CFD مورد مطالعه قرار گیرد . مفهوم فرآیندهای چند مقیاسی شامل مجموعه ای از مدلهای منفرد برای مقیاس های مختلف پدیدههای مرتبط به یکدیگر به جای استفاده از یک مدل تودهای برای سیستم پیچیده می باشد.
در این میان آنچه که دارای اهمیت ویژه ای میباشد شناخت دقیق فرآیندهای موجود در یک سیستم پیچیده و نحوه ارائه مدل مناسب بر اساس ذات فرآیند مربوط به هر پدیده است . بررسیها نشان می دهد که شبیه سازی دینامیک سیالات محاسباتی CFD در فرآیندهای چند مقیاسی همراه با تکنیک های مناسب برای بررسی اثر پدیده ها در مقیاس های مختلف به عنوان روشی قدرتمند توانسته است با شبیهسازی دقیقتر سیستم های فرآیندی، ویژگیهای حقیقی این دسته از سیستم ها را با در نظر گرفتن پدیدههای موثر در مقیاس های مختلف مدل و نتایج را بهبود بخشد.
مقدمه
مفهوم مدلسازی چند مقیاسی یک ایده قوی و جدید و مناسب برای بررسی فرآیندهای شیمیایی توزیع شده پیچیده به منظور بیان پدیده های حاکم در سیستم در مقیاس های مکانی و زمانی متفاوت میباشد. عموماً مدلسازی فرآیندهای شیمیایی حاکثر شامل پنج مقیاس طولی میباشد که عبارتند از:
▪ سطح نانومقیاس - شبیهسازی ملکولی و خواص ترمودینامیکی و ... -
▪ سطح میکرومقیاس - شبیهسازی سیستمهای بیوملکولی و پلیمرها و ... -
▪ سطح ماکرومقیاس - مدلسازی فرآیند برای طراحی مهندسی عملیات واحدهای مختلف -
▪ سطح کیلومقیاس - شبیهسازی واحد -
▪ سطح مگا مقیاس - شبیهسازی سیستم اکولوژی -
به منظور درک بهتر از سیستمهای چند مقیاسی، یک سیستم پیچیده شیمیایی در شکل - ٌ - از ساختار ملکولی تا ساختار صنعتی و در نهایت سیستم اکولوژی نشان داده شده است که شامل سطوح ذکر شده فوق در طبقهبندی سیستم چند مقیاسی میباشد. در شکل - ٌ - در ابتدا می توانیم ساختار ذاتی سیستم پیچیده عمومی و کلی سیستم را مشاهده نماییم، ساختاری مشتمل بر یک سیستم ملکولی که توسط شیمیدان ها و فیزیکدانها مطالعه میشود، ساختار راکتور که توسط مهندسین بررسی می گردد و ساختار اکولوژی که توسط اکولوژیست ها مورد مطالعه قرار می گیرد که هر کدام به تنهایی یک سیستم چند مقیاسی پیچیده میباشد.
رهیافت متداول مطالعه پیچیدگی سیستم های چند مقیاسی تمرکز بر روی هر مقیاس به طور جداگانه میباشد. تمرکز بر روی هر مقیاس و درک پدیده مربوط برای توصیف منفرد آن پدیده و استخراج معادلات پدیده شناسی میتواند در آینده در مدلسازی دقیق ریاضی یک فرآیند مورد استفاده قرار گیرد. برهمکنش و ارتباط میان مقیاسهای مختلف از طریق توصیف تودهای رفتار فیزیکی در هر مقیاس ارائه میگردد، سپس این ارتباط در مدلسازی رفتار فرآیند در مقیاس بالاتر مورد استفاده قرار میگیرد.
یک مسئله مهم در چنین حالتی فقدان یکپارچگی محاسباتی این روابط میباشد، که به طور غیر مستقیم از طریق رهیافتهای فاقد عمومیت و الگوهای ناهماهنگ به یکدیگر متصل میشوند]ٌ.[ رهیافت تجزیه مقیاس به علت اینکه قادر به شبیهسازی و طراحی تعداد زیادی از فرآیندهای جاری می باشد برای مدلسازی فرآیند به طور قابل توجهی موثر می باشد، ]ٍ.[ کاربردهای فرآیندهای شیمیایی مدرن اغلب به جایی میرسند که مدلسازی تودهای دچار محدودیت در بیان موثر فرآیند و توضیح پدیدههای شیمیایی-فیزیکی میگردد. رهیافت دیگر تجمیع مقیاس می باشد.
این رهیافت در جهت ترکیب بهترین توصیف ها موجود در مقیاسهای مختلف در یک مدل محاسباتی منفرد میباشد. در واقع میتوان گفت که رتبهبندی مناسب مجموعهای از معادلات ریاضی همزمان در این طبقهبندی وسیع قرار میگیرند که مطابق با مفهوم تجمیع مقیاس می باشد. این ایده احتیاج به توضیح توده ای را کاهش میدهد، در نتیجه توسعه بالقوه در دقت پیشبینی مدل و بازده محاسباتی را توسعه میدهد. با این وجود موانع ریاضی شدید در زمینه آنالیز عددی PDE مقیاس بزرگ می بایست به منظور استفاده از فواید این مدل حل گردند ]ٍ.[ ضرورت توسعه آنالیز عددی PDE برای موارد دشوار فرآیندهای شیمیایی توزیع شده فضایی روشن و واضح می باشد: برای این موارد، بیان ریاضی در مجموعه ای از سیستمهای معادلات دیفراسیل جزئی همراه تغییرات کامل زمانی و مکانی قرار میگیرند.
مدلسازی چند مقیاسی یک پتانسیل قابل توجه برای کاهش موثر مرتبه مدل را ارائه میکند. به جای کاهش مرتبه مدل به کمک الگوریتم های استاندارد محاسباتی گسسته سازی معادلات PDE، شخص می تواند از درک صحیح فیزیک حاکم و جزءبندی پدیده های فرآیند مرتبه مدل را کاهش دهد. این رهیافت مدلسازی نیازمند درک خوب فیزیک حاکم در سیستم می باشد. این نیاز ممکن است عمومیت مسئله را هنگامی که پدیده های کلیدی به طور عمیق شناخته نشده باشند، محدود نمایند ]ٍ.[
ٌ-ٌ-مدلسازی چند مقیاسی در مهندسی شیمی
مدلسازی چند مقیاسی در سیستم های فرآیندی و مهندسی شیمی اشاره به شبیهسازی کیفی و آنالیز پدیده های مستقل به طور مناسب در یک طیف گسسته مشخصهای که اصولا مکان میباشد دارند. حضور مقیاس زمانی - مشخصه زمانی - در پدیدهها نیز ممکن میباشد. شکل و قالب این طیف گسسته - یا شبه گسسته - به خوبی فهمیده شده است، معادلات ساختاری یا پدیدهشناسی به طور صریح متغیرهای مبنایی را به یکدیگر مرتبط مینماید و بیشتر مدلهای کیفی بر اساس قوانین بقاء جرم، انرژی و منتوم ایجاد شدهاند. با این وجود، عدم قطعیت هنگامی که داده های آزمایشگاهی در حجم قابل توجهی در دسترس نباشد وجود خواهد داشت ]ٍ.[
