Υπολογιστική ρευστομηχανική: ιστορικά στοιχεία της ανάπτυξής της

Το Εθνικό Κέντρο Έρευνας Φυσικών Επιστημών “Δημόκριτος”, συνεχίζοντας μία μακρά παράδοση, διοργάνωσε από 3 έως 14 Ιουλίου 2017 Θερινό Σχολείο προσανατολισμού και ενημέρωσης, που απευθύνεται σε πτυχιούχους και τελειόφοιτους ΑΕΙ/ΤΕΙ.
 

Οι διαλέξεις του Θερινού Σχολείου κάλυψαν τις παρακάτω θεματικές περιοχές:

• Περιβάλλον – Ενέργεια – Ασφάλεια
• Προηγμένα Υλικά, Μικρο – Νανοτεχνολογία & Διατάξεις
• Βασική Έρευνα στις Φυσικές Επιστήμες
• Τεχνολογίες Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών
• Επιστήμες Ζωής
• Νέες Τεχνολογίες και Πολιτιστική Κληρονομιά

Οι διαλέξεις του Θερινού Σχολείου  πραγματοποιήθηκαν από διακεκριμένους επιστήμονες από Ερευνητικά Κέντρα και Πανεπιστήμια της Ελλάδας και του εξωτερικού  και του ΕΚΕΦΕ ''Δ''. Επίσης στο πλαίσιο του Θερινού Σχολείου πραγματοποιήθηκαν επισκέψεις στις εργαστηριακές εγκαταστάσεις του κέντρου και πρακτική εξάσκηση σε επιλεγμένα εργαστήρια.

Στο πλαίσιο του Θερινού Σχολείου, οι συμμετέχοντες είχαν την ευκαιρία να παρακολουθήσουν και μία Ημερίδα Μεταπτυχιακής Εκπαίδευσης - Eurαxess - Marie-Currie, καθώς και τις επιστημονικές διαλέξεις του 5th Hellenic Forum for Science, Technology and Innovation (plenary sessions).

Περίληψη της ομιλίας

Η ρευστομηχανική, η επιστήμη που ασχολείται με τη ροή των ρευστών, είναι ύψιστης σημασίας στη ζωή των ανθρώπων, καθώς:
 

    - 71% της επιφάνειας της γης καλύπτεται από νερό.

    - 100% της γης περιβάλλεται από αέρα.

    - Οι περισσότερες φυσικές διεργασίες εμπλέκουν ρευστομηχανική.

    - Οι περισσότερες κατασκευές εμπλέκουν ρευστομηχανική.
 

Η ροή των ρευστών περιγράφεται με μεγάλη ακρίβεια από τις εξισώσεις Navier-Stokes που έχουν ανακαλυφθεί εδώ και σχεδόν 200 χρόνια. Δυστυχώς όμως αυτές είναι μη γραμμικές διαφορικές εξισώσεις δευτέρας τάξεως και δεν επιλύονται αναλυτικά. Έτσι για να υπολογίσουμε τη ροή αναγκαζόμαστε και καταφεύγουμε σε προσεγγιστικές αριθμητικές μεθοδολογίες, δηλαδή στη λεγόμενη Υπολογιστική Ρευστομηχανική (ΥΡ ή στα αγγλικά 'CFD': Computational Fluid Dynamics).
 

Στην Υπολογιστική Ρευστομηχανική συνήθως χωρίζουμε το χώρο (στον οποίο μας ενδιαφέρει να μάθουμε τη ροή) σε μικρά τμήματα με ένα πλέγμα. Στους κόμβους (ή κέντρα ή σημεία ελέγχου κτλ) του πλέγματος βρίσκουμε τις τιμές των μεταβλητών (ταχύτητα, πίεση κτλ), καθώς οι εξισώσεις μετά από κάποια διαδικασία γραμμικοποιούνται. Έτσι κάνοντας πολύ μεγάλο αριθμό απλών πράξεων που γίνονται σε Η/Υ βρίσκουμε προσεγγιστικές τιμές στους κόμβους.
 

Η Υπολογιστική Ρευστομηχανική λοιπόν εμπλέκει κυρίως τις επιστήμες της ρευστομηχανικής, της αριθμητικής ανάλυσης (μαθηματικά) και των ηλεκτρονικών υπολογιστών.
 

Στην παρουσίαση αυτή, μετά από μια σύντομη εισαγωγή στην ΥΡ και τις εφαρμογές της, αναφέρονται οι απαρχές της επιστήμης αυτής, μέσω των πρώτων προσπαθειών που έγιναν πριν την έλευση των Η/Υ, οι οποίες απαιτούσαν πολύμηνες πράξεις με το χέρι. Στη συνέχεια παρουσιάζονται οι κύριες επιστημονικές ομάδες που ενεπλάκησαν στην αλματώδη ανάπτυξη αυτής της επιστήμης, καθώς και τα πρόσωπα που έπαιξαν πρωταγωνιστικό ρόλο στην προσπάθεια αυτή.
 

Κεντρικό σημείο της παρουσίασης αποτελεί ένα χρονικό διάγραμμα στο οποίο έχουν τοποθετηθεί σε μία διαφάνεια όλοι οι σημαντικοί σταθμοί ανάπτυξης της ΥΡ (εστιάζοντας στη μεθοδολογία των «πεπερασμένων όγκων») μέσω αναφοράς των κύριων δημοσιεύσεων. Οι δημοσιεύσεις αυτές έχουν τοποθετηθεί σε παράλληλους άξονες, ανάλογα με τη θεματολογία τους. Έτσι εκτός από τους άξονες που αφορούν την καθαυτό ΥΡ, υπάρχουν και άξονες που αφορούν τις κύριες συνιστώσες της ΥΡ όπως η αριθμητική ανάλυση και οι ηλεκτρονικοί υπολογιστές. Έχουν προστεθεί και δύο άξονες που αφορούν την τύρβη (ασταθή ροή με πολλές δίνες και διακυμάνσεις) και την μοντελοποίηση της τύρβης η οποία είναι καθοριστική σε κάποιες μεθοδολογίες ΥΡ. Παρουσιάζεται η εξέλιξη και τα πρόσωπα-κλειδιά και σε όλα αυτά τα επιστημονικά πεδία, κάνοντας συνεχώς αναφορά στο διάγραμμα.
 

Με την παρουσίαση συνάγονται πολύτιμα συμπεράσματα σχετικά με πώς έγινε και το πώς μπορεί να συνεχιστεί η ανάπτυξη της ΥΡ. Καταλαβαίνει κανείς την καθοριστική συμβολή που είχαν οι μεγάλοι μαθηματικοί και οι θεωρητικοί φυσικοί στην εξέλιξή της, όπως επίσης και την μεγάλη σημασία της διάδοσης της γνώσης. Μεγάλη ώθηση στην ΥΡ έδωσαν η έρευνα της τύρβης, η ανάγκη πρόβλεψης του καιρού και η εξέλιξη των Η/Υ. Γίνεται σαφές ότι από θεωρητικής πλευράς, η κύρια ανάπτυξη της ΥΡ έχει ήδη επιτελεστεί, αν εξαιρέσουμε την υποενότητα της κατανόησης της τύρβης. Απομένει να εξαπλωθεί και να αναπτυχθεί περαιτέρω η χρήση της ΥΡ σε νέα πεδία εφαρμογών.