计算流体力学：其碳足迹及在碳减排中的作用
物理与社会
2024-02-12 v1
摘要
湍流物理决定了升力面的空气动力学特性、蒸汽动力系统的热力学效率，以及大气和海洋之间自然和人为量的交换，这仅是众多应用中的一小部分。湍流的动力学是通过对非线性 Navier-Stokes 方程进行数值积分来描述的——这一过程被称为计算流体力学（CFD）。在 20 世纪 50 年代末科学计算诞生之初，距离“碳足迹”或“可持续性”等术语进入词典还有数十年，而这些主题成为发达经济体的国家优先事项则需更长时间。本文介绍了一个旨在计算 CFD 碳足迹及其对碳减排策略贡献的框架。我们将区分“英雄”计算和“常规”计算，指出英雄计算的碳足迹主要由所使用的能源结构决定。我们还将回顾对湍流效应进行建模的 CFD 流动，从而减少自由度。针对此类完全和部分解析的模拟，给出了作为湍流活性和计算年份函数的碳足迹估计，证明了在实际条件下碳排放量可减少两到五个数量级。除了分析 CO2 排放外，我们还量化了应用 CFD 促进整体碳减排的效益。社区通过湍流数据库避免冗余计算的努力值得特别关注，估计表明单个数据库可能减少约 O(1) 百万公吨的 CO2 排放。此外，在流体工业中实施 CFD 显著减少了对风洞测试的依赖，预计这将带来 CO2 排放的减少。
引用
@article{arxiv.2402.05985,
title = {Computational Fluid Dynamics: its Carbon Footprint and Role in Carbon Emission Reduction},
author = {Xiang I A Yang and Wen Zhang and Mahdi Abkar and William Anderson},
journal= {arXiv preprint arXiv:2402.05985},
year = {2024}
}
备注
18 pages, 6 figures