Top

معالجة تحديات ديناميكا الموائع الحسابية

مدير مركز أبحاث الحوسبة الفائقة في جامعة الملك عبدالله ديفيد كيز خلال مؤتمر ديناميكا الموائع الحسابية المعقدة التنبؤية الذي عقد أخيراً في الحرم الجامعي.


عُقد في جامعة الملك عبدالله للعلوم والتقنية مؤتمر ديناميكا الموائع الحسابية المعقدة التنبؤية (CFD) في الفترة من 22 إلى 24 مايو 2017. وشارك في هذا المؤتمر المتعدد التخصصات العلماء والباحثين المحليين والدوليين والمتخصصين في ديناميكا الموائع الحسابية من الأوساط الأكاديمية والصناعية لمناقشة وعرض أحدث أعمالهم ونتائجهم والجهود الجارية في مجالات الرياضيات التطبيقية والتحليل العددي وعلوم الحاسب الآلي التي تعتبر بالغة الأهمية لتطوير الجيل القادم من خوارزميات ديناميكا الموائع الحسابية ومحاكاة التدفق المعقدة متعددة النطاق.


​جانب من حضور المؤتمر يتناقشون معرض الملصقات في ختام الحدث. ​

اجتماع العقول في جامعة الملك عبدالله

وشملت المواضيع التي تم طرحها في المؤتمر الخوارزميات اللا خطية المستقرة متغيرة الترتيب للتدفقات القابلة للانضغاط في الهندسة المعقدة، وكفاءة وقوّة الترشيح الشبكي التكيفي (AMR)، والتفاعل بين الموائع والهياكل، والحفظ الإيجابي، واستقرار التدفقات الصفائحية والتحول المضطرب، والتحليل الكمي وتحليل الحساسية العالمية لديناميكا الموائع الحسابية، ومحاكاة التدفق التنبؤية للبيئات الطبيعية والصناعية؛ وأهمية ديناميكا الموائع الحسابية في صناعة الطيران والزيوت.

كما سلطت دراسات الحالة التي نوقشت خلال المؤتمر الضوء على العديد من المجموعات والمراكز البحثية في جامعة الملك عبدالله للعلوم والتقنية، بما في ذلك الرياضيات التطبيقية والعلوم الحاسوبية، والهندسة الميكانيكية، وعلوم الأرضوعلوم وهندسة البيئية.

التقدم في القدرة الحاسوبية

وألقى الكلمة الافتتاحية للمؤتمر البروفيسور فيليب كوليلا، وهو أستاذ في قسم الهندسة الميكانيكية في جامعة كاليفورنيا في بيركلي، وعالم في مختبر لورانس بيركلي الوطني ومختبر لورنس ليفرمور الوطني​. وتركز حديثه على تصميم الخوارزميات العددية للمعادلات التفاضلية الجزئية على معماريات الجيل القادم من الحاسبات الآلية.

وقدم كوليلا أمثلة عديدة عن الكيفية التي تؤدي بها هذه المعماريات الجديدة إلى مقايضات في تصميم الخوارزميات للمعادلات التفاضلية الجزئية، الأمر الذي يقلل من حركة البيانات الكلية وبصمة الذاكرة المطلوبة للحصول على مستوى معين من الدقة في العمليات الحسابية.​

التحالف بين الأبحاث والصناعة

بريان ميتشيل، مهندس رئيسي أول في شركة جنرال إلكتريك غلوبال للأبحاث، متحدثاً للحضور في اليوم الأول للمؤتمر. ​

 ​
منذ افتتاح الجامعة، أصبح تدفق البراءات والتقنيات حجر الأساس للعلاقات المشتركة والتعاون بين جامعة الملك عبدالله للعلوم والتقنية وشركائها الصناعيين العالميين. وفي هذا السياق، تحدث مدير مركز أبحاث الحوسبة الفائقة في الجامعة البروفيسور ديفيد كيز عن هذه الشراكات المستمرة من خلال تقديمه لبريان ميتشيل، وهو مهندس رئيسي أول في شركة الأبحاث جنيرال الكتريك غلوبال، للتحدث عن أبحاث شركة جنرال إلكتريك في مجال ديناميكا الموائع الحسابية. وقال ميتشيل بهذه المناسبة: "جنرال إلكتريك لديها تاريخ طويل من الابتكار بداية من المصابيح الكهربائية إلى المحركات النفاثة، ونحن نعمل باستمرار على إعادة اختراع صناعاتنا المؤثرة. تمتلك جنرال إلكتريك كفاءة أساسية في الديناميكا الهوائية. وكما تعلمون فإن الديناميكا الهوائية هي مجال تنافسي للغاية وعال التقنية -فالأداء الأفضل أصبح مطلباً اليوم أكثر من أي وقت مضى ونحن مصممون على تقديم الأفضل من خلال الاستفادة من شراكاتنا مع العديد من المنظمات الأكاديمية وشركائنا المختلفين، بما في ذلك جامعة الملك عبدالله للعلوم والتقنية."​


التنبؤ بالتحديات المستقبلية الملحة

افتتحت البروفيسورة أماندا راندلز، الأستاذة المساعدة في الهندسة الطبية الحيوية من جامعة ديوك، اليوم الثاني من المؤتمر بكلمة رئيسية حملت عنوان "تخطيط العلاج وحركة الخلايا السرطانية في مجرى الدم". وركزت البروفيسورة راندلز على تأثير ديناميكا الدم في توطين وتطوير الأمراض. وناقشت الطرق الحسابية التي يمكنها أن تطور النماذج الحسابية لتشمل مستويات دقيقة من الهيماتوكريت (حجم الكريات الحمراء المكدسة) من الناحية الفسيولوجية في مناطق واسعة من الدورة الدموية. حيث تقدم هذه النماذج المعتمدة على التصوير نظرة فاحصة عن الآليات الكامنة وراء تطور المرض، فضلاً عن فائدتها الكبيرة في التخطيط الجراحي أو تصميم الجيل القادم من أنظمة توصيل الدواء. وتشرح البروفيسورة أماندا ذلك بقولها: "نحاول التنبؤ بالمكان الذي قد تحدث فيه هجرة للخلايا السرطانية من خلال رفع القدرة التنبؤية للأطباء". وذكرت أماندا أن نسبة الإصابة بأمراض القلب والأوعية الدموية مرتفعة جداً في الولايات المتحدة وأن هجرة الخلايا السرطانية مسؤولة عن أكثر من 90 في المائة من الوافيات المرتبطة بالسرطان.​

البروفيسور ماتيو بارساني، أستاذ مساعد في الرياضيات التطبيقية والعلوم الحاسوبية في جامعة الملك عبدالله.​


ظاهرة التبديد أو التشتت 

افتتحت كاثرين جورلي، الأستاذة المساعدة في الهندسة المدنية والبيئية من جامعة ستانفورد​، اليوم الأخير من المؤتمر من خلال تسليطها الضوء على زيادة استخدام ديناميكا الموائع الحسابية في اتخاذ قرارات التصميم للمباني والمدن. ولفتت جورلي الانتباه إلى حقيقة أن ديناميكا الموائع الحسا​بية تلعب دوراً كبيراً في الكشف الدقيق لأنماط التدفق والتشتت، حيث يمكن استخدامها لعمل تصاميم مثلى في مجال التهوية وجودة الهواء، ومصادر الطاقة المتجددة وحركة الرياح. 

وقالت جورلي: "بحلول عام 2030، سيعيش ما يقرب من 60 في المائة من سكان العالم في المناطق الحضرية. وتحتل مدن العالم 3 في المائة فقط من مساحة الأرض ولكنها تمثل 60 إلى 80 في المائة من استهلاك الطاقة و75 في المائة من انبعاثات الكربون. هناك علاقة معروفة بين تلوث الهواء وأمراض الجهاز التنفسي والقلب والأوعية الدموية. وقد يؤدي تنفيذ استراتيجيات التهوية الطبيعية إلى خفض استهلاك الطاقة في المباني إلى النصف في جميع أنحاء العالم."

ظهور ديناميكا الموائع الحسابية

تحدث فريدي ويثردن، وهو زميل ما بعد الدكتوراه في جامعة ستانفورد، نيابة عن أنتوني جيمسون، أستاذ الطيران والملاحة الفضائية في ستانفورد. وقام بتقديم عرض عن تطور ديناميكا الموائع الحسابية على مدى العقود الأربعة الماضية، وشمل الانتقال التدريجي إلى نماذج أعلى دقة وهندسة أكثر تعقيداً. كما ناقش التطبيقات الصناعية لديناميكا الموائع الحسابية وبعض التطورات الحالية للطرق ذات الترتيب العالي باستخدام شبكات غير منظمة.

"اعتمد ظهور ديناميكا الموائع الحسابية في الفترة من 1965 إلى 2005 على حجم التقدم في قوة الحاسب الآلي وتطور الخوارزميات، وهي ذات طبيعة تنبؤيه منذ بداياتها."

وفي نفس السياق اختتم البروفيسور ديفيد كيز أعمال المؤتمر بكلمة قال فيها: "إن جعل ديناميكا الموائع الحسابية أكثر تنبؤية يعتبر تحدياً تتشارك فيه العديد من التطبيقات ويتم معالجته من قبل جميع دول مجموعة الثمانية العاملة في الحوسبة الفائقة بنفس النطاق الذي تعمل به جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية وشركائها".

وعلى الرغم من أن ديناميكا الموائع الحسابية تعتبر من أقدم مجالات العلوم الحسابية، إلا أنها لا تزال من أكثرها تحدياً حيث تستخدم بصورة واسعة في دعم التجارب والتفاعلات بين السيناريوهات التجريبية. وعلى الصعيد العالمي، تركز العديد من مراكز الأبحاث والمختبرات في القطاع الخاص والحكومي والأوساط الأكاديمية على تطوير وتطبيق خوارزميات ديناميكا الموائع الحسابية نظراً لأهميتها الكبيرة.​


 ​

مواضيع ذات صلة: