Fysiksimuleringar

Fysiksimuleringar är numeriska beräkningsmetoder som används för att modellera och förutsäga fysiska system genom att lösa matematiska modeller av naturens lagar. Vanligtvis beskriver modellerna hur storheter som hastighet, temperatur, tryck eller elektromagnetiska fält utvecklas i tid och rum, och bevarar fysiska kvantiteter som massa och energi. Genom att discretisera rum och tid kan simulationer ge detaljerade prognoser där experiment är svåra eller kostsamma att genomföra.

Historiskt utvecklades metoderna under 1900-talet i takt med datorutvecklingen. Idag används fysiksimuleringar inom forskning, ingenjörsvetenskap, industri och digitala medier för virtuell prototyping, optimering, riskbedömning och realism i visuella effekter.

Vanliga tekniker inkluderar kontinua metoder som finite difference (FDM), finite element (FEM) och finite volume (FVM) för att lösa partiella differentialekvationer; samt partikelbaserade metoder som molekylär dynamik (MD) och smoothed particle hydrodynamics (SPH). Andra angreppssätt är lattice Boltzmann och Monte Carlo. Tidstegen kan vara explicit eller implicit; valet påverkar stabilitet och beräkningskostnad.

Domänerna spänner från mekanik och fluiddynamik till värmeöverföring, elektromagnetism och kemisk reaktion, medan datorgrafik ofta fokuserar på realistiskt beteende hos vätskor och mjuka material. Inom vetenskaplig forskning används simuleringar också på atom- och molekylnivå samt i klimat- och materialstudier.

Validering mot experiment, granskning av meshdens kvalitet, konvergens och osäkerheter är centralt. Fysiska simuleringar är ofta datorintensiva och kräver parallellisering, optimering och ibland GPU-acceleration.

Vanliga verktyg och programvaror inkluderar OpenFOAM, LAMMPS, GROMACS, COMSOL Multiphysics och ANSYS, samt bibliotek och gränssnitt för visualisering och anpassningar.