Ordinadors en el servei de simulació

1989/01/01 Bardino von, K. Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Softwarea

Modelizar és representar el comportament dels fenòmens reals com a expressió teòrica o matemàtica. La resolució d'aquesta declaració simula el comportament natural de la realitat.

Les sensacions numèriques són sovint més apropiades que els experiments físics per a provar idees i cal no oblidar que els supercomputadors tenen una enorme capacitat per a resoldre problemes complexos.

Per tant, els ordinadors són molt apropiats per al seu ús en simulacions, però sobretot en els següents casos:

• Fer un model quan és molt car.
• Quan el temps real d'assaig és un obstacle (en la predicció meteorològica, per exemple).
• Investigar fenòmens de grans dimensions (jaciments de petroli submarins, etc.). ).
• Quan és difícil instal·lar mesuradors (per exemple, en la recerca del pistó motor d'explosió).

La casa Mazda simula per ordinador el comportament dinàmic de l'automòbil.

Per descomptat, un ordinador de gran capacitat és car. Pot costar vint milions de dòlars, però els investigadors poden posar els seus problemes a través de la dinàmica dels fluids (F.D.O.) L'eina és rendible quan la resolen. El FDO simula el comportament de fluids (gasos o líquids), resolent numèricament les equacions bàsiques del moviment dels fluids.

Els processos físics presents en el comportament dels fluids es produeixen a escala o nivell molt baix. Per això, la FDO divideix l'àrea de fluids en milers de petites cèl·lules computables i resol les equacions de cada cèl·lula. A l'hora de decidir el nombre de cèl·lules es tenen en compte diferents factors: el fenomen estudiat, la complexitat de la geometria del fenomen, la precisió necessària, la capacitat de memòria de l'ordinador, la velocitat de resolució de càlculs, etc.

La descripció precisa del fenomen natural requereix una simulació tridimensional en la qual es preveu l'acció del comportament físic en les tres direccions espacials. Això significa que la memòria principal de l'ordinador ha de ser molt gran i que el temps de càlcul també és llarg.

La simulació en dues dimensions és menys complexa i es pot realitzar més ràpid. Per això es fa moltes vegades com a primera aproximació. No obstant això, quan es tracta de realitzar càlculs precisos de geometria complexa, només els ordinadors gegants són capaços de realitzar els càlculs de simulació a una velocitat acceptable. S'utilitzen per a analitzar el comportament complex dels fluids durant el seu disseny en automoció, naval i aviació. Empreses com a Jaguar a Gran Bretanya, Mazda k al Japó o General Motors als EUA estan utilitzant aquestes tècniques per a investigar les característiques aerodinàmiques dels seus vehicles. Mitjançant aquests estudis de simulació es pretén augmentar el rendiment del combustible, millorar l'estabilitat a altes velocitats de translació, preservar la seguretat i l'estètica, etc.

Els primers dissenyadors calculaven l'aerodinàmica i estabilitat dels vehicles en túnels de vent. Per a això es necessita molt temps i el sistema és car a causa de les grans instal·lacions. Per contra, el supercomputador amb programari FDO pot prescindir d'aquest plantejament.

A través de supercomputadors, els dissenyadors compten amb una gran ajuda en la simulació de l'aerodinàmica dels avions. En aquest avió de guerra F-16A, per exemple, es poden veure remolins d'aire en les ales.

És molt difícil simular l'aerodinàmica de l'automòbil. De fet, la geometria del vehicle és complexa i els remolins d'aire tridimensionals. A més, els investigadors han de tenir en compte la influència del paviment en qualsevol simulació de fluids, la qual cosa resulta molt difícil d'investigar experimentalment.

Segons els càlculs realitzats amb supercomputador, els resultats suggereixen que els dissenyadors poden reduir la resistència de l'aire millorant el corrent d'aire sota el vehicle. També es va indicar que el moviment del paviment afecta a l'estabilitat del vehicle. Els investigadors poden simular el comportament dels fluids en tres dimensions mitjançant l'ús de xarxes que contenen milions de cèl·lules en les seves simulacions, obtenint només així dades exactes de resistència i estabilitat a l'aire.

L'aplicació industrial més habitual del FDO és la recerca aerodinàmica. Mitjançant supercomputadors d'última generació, els investigadors poden avui dia simular fluids viscosos en tot el fuselatge dels avions.

És un problema a tenir molt en compte en la simulació mitjançant aquests ordinadors. No obstant això, a vegades no és l'únic factor. Hi ha fenòmens que es duen a terme a una escala de temps molt llarga, i si no es resumeix aquest temps amb una simulació per ordinador, l'investigador no té cap solució.

A l'hora de simular processos dinàmics en l'atmosfera (per exemple, en la predicció del temps) cal tenir en compte factors com la termodinàmica, la humitat, la continuïtat, la hidrostàtica, etc. Els investigadors fragmenten la part de l'espai que volen estudiar en milers de cel·les que s'estenen en xarxes horitzontals i capes verticals.

La capacitat dels supercomputadors actuals permet tractar cada quinze minuts les petites cel·les quadrades de cent quilòmetres de longitud i un quilòmetre d'alt. Aquests processos físics del temps poden estudiar-se també en zones restringides a menor escala, prenent com a base submodelos.

En la simulació numèrica del temps poden existir dos objectius diferents:

• Prediccions a curt termini
• Prediccions a llarg termini

Els meteoròlegs han començat a utilitzar mòduls climàtics per a estudiar la influència de l'activitat humana en el clima: pluja àcida, vent nuclear, efectes d'hivernacle, etc. Per a simular aquests fenòmens, els supercomputadors necessiten molt temps, encara que siguin de gran capacitat.

La simulació per ordinador també és molt adequada per a l'explotació de reserves de petroli i gas. En els casos més simples, les reserves presenten capes diferents de permeabilitat constant. Altres vegades les característiques varien d'un bloc a un altre. El procediment normal consisteix a injectar gas, aigua o aigua i detergent a la reserva a pressió per a facilitar l'alliberament del petroli. Tot això es pot simular per ordinador unes poques hores.

En el món industrial i tècnic es troben cada vegada més aplicacions a la simulació per ordinador. I no és d'estranyar. No hi ha més que veure els avanços que han sofert els ordinadors en el quadre adjunt.