JP2009193110A - Solid-gas two-phase flow simulation program using grid-free method, storage medium with the program stored, and solid-gas two-phase flow simulation device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は,微小な固体粒子が気流中に分散し,気流と相互作用を及ぼし合いながら流れる固気二相流の挙動の解析方法に関する,グリッドフリー手法を用いた固気二相流シミュレーションプログラム及びそれを記憶した記憶媒体並びに固気二相流シミュレーション装置に関する. The present invention relates to a solid-gas two-phase flow simulation program using a grid-free method and a method for analyzing the behavior of a solid-gas two-phase flow in which minute solid particles are dispersed in an air flow and interact with each other. It relates to a storage medium storing it and a solid-gas two-phase flow simulation device.
微小な固体粒子が気流中に分散し,気流と相互作用を及ぼし合いながら流れる固気二相流は,微粉炭燃焼機器,固体ロケットエンジン,サンドブラスト装置など,様々な工業装置において観察される.このため,この固気二相流の挙動について,合理的な数値解析方法の確立が望まれている. Solid-gas two-phase flow in which fine solid particles are dispersed in an air stream and interact with each other is observed in various industrial equipment such as pulverized coal combustion equipment, solid rocket engines, and sandblasting equipment. Therefore, the establishment of a rational numerical analysis method for the behavior of this solid-gas two-phase flow is desired.
固気二相流の数値解析には,従来,差分法や有限体積法などのオイラー型解法が多用されている.これらの解析では,その前処理として,解析領域を多数の格子(グリッド)に分割する必要がある.格子は解析領域の全域をメッシュ状に覆うものであり,計算格子とよばれている.各格子の形状は,一般に四角形である.各格子の頂点で流れの変数(速度や圧力など)が定義され,上記解法により計算される.図1(a)は,液体を満たした円筒容器内に円柱が設置された場合に対する,円柱周りの液体流れ場(解析領域)を示す.図1(b)は,格子分割の一例を示す.解析精度は格子分割の状態に依存するため,高い精度を確保するには,流れが急峻に変化するものと予測される領域は多数の細かな格子に分割する必要がある.また,格子の間には重なりや隙間があってはならないという幾何学的条件も満足しなければならない.したがって,複雑な幾何形状をもつ流れ場を扱う工学上の実務的シミュレーションでは,格子分割に細心の注意と多大な作業が要求され,解析を複雑化する原因となっていた. For numerical analysis of solid-gas two-phase flow, Euler-type methods such as the difference method and the finite volume method have been widely used. In these analyses, it is necessary to divide the analysis area into a number of grids (grids) as preprocessing. The grid covers the entire analysis area in a mesh and is called a calculation grid. The shape of each grid is generally rectangular. Flow variables (velocity, pressure, etc.) are defined at the vertices of each grid and calculated by the above solution. Fig. 1 (a) shows the liquid flow field (analysis region) around a cylinder when the cylinder is installed in a cylindrical container filled with liquid. Fig. 1 (b) shows an example of grid division. Since the analysis accuracy depends on the state of grid division, to ensure high accuracy, the region where the flow is expected to change sharply needs to be divided into many fine grids. It must also satisfy the geometric requirement that there should be no overlap or gaps between the grids. Therefore, in engineering practical simulations dealing with flow fields with complex geometric shapes, careful attention and a great deal of work were required for grid division, which caused the analysis to be complicated.
また,前記の従来の解析方法では,流れの変数として速度と圧力が用いられ,それらを支配する複数の偏微分方程式が解析され,上記計算格子の頂点において流れの変数が計算されていた.これらの偏微分方程式は,微分を差分で近似表現することにより,代数方程式に置き換えられるが,非線形項が数値不安定性を有するため,固気二相流のレイノルズ数が高い場合には,計算過程で発散が生じるおそれがある.とくに,工業装置で見受けられる固気二相流は,レイノルズ数が高いものが多く,精度の高い解析ができないという問題があった. In the conventional analysis method described above, velocity and pressure were used as flow variables, multiple partial differential equations governing them were analyzed, and flow variables were calculated at the top of the calculation grid. These partial differential equations can be replaced by algebraic equations by approximating the differential with a difference. However, since the nonlinear term has numerical instability, if the Reynolds number of the solid-gas two-phase flow is high, the calculation process There is a risk of divergence. In particular, solid-gas two-phase flows found in industrial equipment often have high Reynolds numbers, and there is a problem that high-precision analysis cannot be performed.
ところで,従来,気体あるいは液体のみの単相流の解析については渦法が有効に利用されている.ここで,渦法とは,渦度をもつ渦要素を追跡して渦度場の時間変化を求めるラグランジュ型解法であり,計算格子を用いることなく,大規模渦の形成や変形などの渦構造の発展過程を良好に計算できる特徴がある.下記非特許文献1〜8には,この渦法を利用して,固気二相流の挙動を解析する技術が開示されている.
しかしながら,上記非特許文献1に記載の技術は,まず粒子がない場合の気流を渦法により計算し,つぎに前記気流の中におかれた粒子の運動を計算するものであり,粒子が気流に及ぼす影響は無視されており,固気二相流の挙動を精度良く解析できるものではなかった.
However, the technique described in Non-Patent
上記非特許文献2および3に記載の技術は,本願が対象とする,渦法による固気二相流のシミュレーションに関するものである.しかし,粒子が気流に及ぼす影響を計算する際に解析領域を計算格子(グリッド)に分割する手法を用いている.よって,本願が対象とする計算格子を用いない手法(グリッドフリー手法)は導入されていない.本願のグリッドフリー手法は,上記非特許文献2および3に記載の方程式およびアルゴリズムとは全くことなるため,これらの手法を適用することはできない.
The technologies described in
上記非特許文献4に記載の技術は,上記非特許文献2に記載の技術を三次元解析用に拡張したものであり,上記非特許文献2の技術と同様,解析領域を計算格子(グリッド)に分割する手法を用いている.よって,本願が対象とする計算格子を用いない手法(グリッドフリー手法)は導入されていない.また,本願のグリッドフリー手法は,上記非特許文献4に記載の方程式およびアルゴリズムとは全くことなるため,これらの手法を適用することはできない.
The technique described in Non-Patent
上記非特許文献5〜8は,上記非特許文献2〜4のいずれかに記載のシミュレーション技術を用いて,様々な固気二相流を解析した場合の解析結果を記述したものである.よって,本願のグリッドフリー手法とは関連しない内容である.
The
特許文献1の技術は,渦法を用いて流体の流れを解析するものであるが,水または空気などの単相流を解析の対象とするものであり,本願が解析対象とする固気二相流は解析できない.
特許文献2の技術は,液中に分散した気泡が液体と相互作用を及ぼし合いながら流れる気泡流に対する渦法による解析方法に関するものであり,本願が解析の対象とする固気二相流の解析には適用できない.
The technique of
The technique of
特許文献3〜10には,固体粒子の運動をその支配方程式から計算によって解析しようとする技術が開示されているが,いずれも,本願が対象とする計算格子を使用しないグリッドフリー手法を用いた渦法に準拠した解法ではなく,かつ気流中を運動する粒子に関するものでもない.
すなわち,特許文献3の技術は,海底に投入された土砂を対象として,海浜流による移動現象をシミュレーションするものであり,固体粒子を含む気流すなわち固気二相流に関するものではない.
特許文献4の技術は,容器内の粒子の挙動シミュレーションに関するものであるが,渦法に基づく解法ではない.
In other words, the technology of
The technique of
特許文献5の技術は,離散粒子法による粒子挙動シミュレーション装置、粒子挙動シミュレーション方法、及びコンピュータプログラムを提供するものであり,粒子間の衝突や接触の計算に関するものであり,気流中の粒子挙動を対象としていない.
特許文献6の技術は,多数の粒子が存在する場合の粒子間衝突のためのシミュレーションに関するものであり,流体の計算は対象としていない.
The technology of
The technique of
特許文献7の技術は,個別要素法を用いて粒子間の影響を考慮する解析方法ならびにコンピュータプログラムに関するものであり,固気二相流としての扱いはしていない.
特許文献8の技術は,自熔炉内の精鉱粒子同士の衝突および成長現象を考慮した燃焼現象を予測する手法を提供するものであり,気体の流動については省略している.
The technique of
The technique of
特許文献9の技術は,粉粒体を収容した容器内での撹拌部材を用いた混合撹拌操作に伴って発生する静電気量を基にしたシミュレーションであり,流動に関するシミュレーションではない.
特許文献10の技術は,回転する混合容器内の粒子挙動の予測に関するものであり,粒子間の衝突による運動を解析しており,流体運動に起因する粒子挙動までは扱ってはいない.
The technique of
The technique of Patent Document 10 relates to the prediction of particle behavior in a rotating mixing vessel, analyzes the motion due to collision between particles, and does not deal with particle behavior due to fluid motion.
本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって,気流中に粒子が混在する固気二相流を対象として,解析領域を計算格子(グリッド)に分割することなく精度よく解析できる,グリッドフリー手法を用いた固気二相流シミュレーションプログラム及びそれを記憶した記憶媒体並びに固気二相流シミュレーション装置を提供することを目的とする. The present invention has been completed based on the above-described circumstances, and is intended for a solid-gas two-phase flow in which particles are mixed in an air current, and without being divided into calculation grids (grids) with high accuracy. The purpose is to provide a solid-gas two-phase flow simulation program using a grid-free method, a storage medium storing it, and a solid-gas two-phase flow simulation device.
上記の目的を達成するための手段として,請求項1の発明に関するグリッドフリー手法を用いた固気二相流シミュレーションプログラムは,気流中に微小な固体粒子を含む固気二相流を解析するための固気二相流シミュレーションプログラムであって,コンピュータに,次のステップ(a)〜(i)を実行させて,前記固気二相流の挙動を解析する.
(a)前記解析領域内に存在する各粒子の速度をラグランジュ的に計算するステップ.
(b)前記各粒子の位置をラグランジュ的に計算するステップ.
(c)前記各粒子の周りに4つの正方形のセルを配置するステップ.
(d)前記各粒子に作用する流体抗力を,前記ステップ(a)で算出された速度に基づいて計算するステップ.
(e)前記ステップ(d)で算出された流体抗力に基づいて,前記各セルにおける循環変化量を,気流の運動量保存方程式から導出される渦度方程式と,レイノルズの輸送定理とに基づいて計算するステップ.
(f)前記ステップ(e)で算出された前記各セルにおける循環変化量に基づいて,当該セル内の各渦要素の循環を計算し,各渦要素の位置と循環を記憶手段(1)に保存するステップ.
(g)各渦要素のコア半径をラグランジュ的に計算して記憶手段(2)に保存するステップ.
(h)前記ステップ(f)および前記ステップ(g)によって保存された各渦要素の位置,循環およびコア半径データを読み出して,各渦要素の移流すなわち位置をラグランジュ的に計算し,各渦要素の位置,循環およびコア半径を記憶手段(3)に保存するステップ.
(i)前記ステップ(h)によって保存された各渦要素の位置,循環およびコア半径データを読み出して,前記評価点における気体の速度をビオサバールの式を用いて計算し,記憶手段(4)に保存するステップ.
As a means for achieving the above object, a solid-gas two-phase flow simulation program using a grid-free method relating to the invention of
(A) calculating a velocity of each particle existing in the analysis region in a Lagrangian manner.
(B) A step of calculating the position of each particle in a Lagrangian manner.
(C) placing four square cells around each particle;
(D) calculating a fluid drag acting on each particle based on the velocity calculated in the step (a).
(E) Based on the fluid drag calculated in step (d), the amount of change in circulation in each cell is calculated based on the vorticity equation derived from the momentum conservation equation of airflow and the Reynolds transport theorem. Step to do.
(F) Based on the circulation change amount in each cell calculated in the step (e), the circulation of each vortex element in the cell is calculated, and the position and circulation of each vortex element are stored in the storage means (1). Saving step.
(G) A step of calculating the core radius of each vortex element in a Lagrangian manner and storing it in the storage means (2).
(H) The position, circulation and core radius data of each vortex element stored in the step (f) and the step (g) are read, and the advection, that is, the position of each vortex element is calculated in a Lagrangian manner. Storing the position, circulation and core radius of the memory in the storage means (3).
(I) The position, circulation and core radius data of each vortex element stored in the step (h) is read out, the gas velocity at the evaluation point is calculated using the Biosavart equation, and stored in the storage means (4) Saving step.
請求項2の発明は,上記請求項1に記載のグリッドフリー手法を用いた固気二相流シミュレーションプログラムを記憶した記憶媒体である.なお,記憶媒体としては,フロッピー(登録商標)ディスク,CD−ROM等が好適である.
The invention of
請求項3に係る固気二相流シミュレーション装置は,気流中に微小な固体粒子を含む固気二相流を解析するためのグリッドフリー手法を用いた固気二相流シミュレーション装置であって,次の手段(a)〜(i)を備え,これらの手段を実行させて,前記固気二相流の挙動を解析する.
(a)前記解析領域内に存在する各粒子の速度をラグランジュ的に計算する手段.
(b)前記各粒子の位置をラグランジュ的に計算する手段.
(c)前記各粒子の周りに4つの正方形のセルを配置する手段.
(d)前記各粒子に作用する流体抗力を,前記手段(a)で算出された速度に基づいて計算する手段.
(e)前記手段(d)で算出された流体抗力に基づいて,前記各セルにおける循環変化量を,気流の運動量保存方程式から導出される渦度方程式と,レイノルズの輸送定理とに基づいて計算する手段.
(f)前記手段(e)で算出された前記各セルにおける循環変化量に基づいて,当該セル内の各渦要素の循環を計算し,各渦要素の位置と循環を記憶手段(1)に保存する手段.
(g)各渦要素のコア半径をラグランジュ的に計算して記憶手段(2)に保存する手段.
(h)前記手段(f)および前記手段(g)によって保存された各渦要素の位置,循環およびコア半径データを読み出して,各渦要素の移流すなわち位置をラグランジュ的に計算し,各渦要素の位置,循環およびコア半径を記憶手段(3)に保存する手段.
(i)前記手段(h)によって保存された各渦要素の位置,循環およびコア半径データを読み出して,前記評価点における気体の速度をビオサバールの式を用いて計算し,記憶手段(4)に保存する手段.
A solid-gas two-phase flow simulation apparatus according to
(A) A means for calculating the velocity of each particle existing in the analysis region in a Lagrangian manner.
(B) Means for calculating the position of each particle in a Lagrangian manner.
(C) means for arranging four square cells around each particle;
(D) Means for calculating the fluid drag acting on each particle based on the velocity calculated by the means (a).
(E) Based on the fluid drag calculated by the means (d), the amount of change in circulation in each cell is calculated based on the vorticity equation derived from the momentum conservation equation of airflow and the Reynolds transport theorem. Means to do.
(F) Based on the circulation change amount in each cell calculated by the means (e), the circulation of each vortex element in the cell is calculated, and the position and circulation of each vortex element are stored in the storage means (1). Means for storage.
(G) Means for calculating the core radius of each vortex element in a Lagrangian manner and storing it in the storage means (2).
(H) The position, circulation and core radius data of each vortex element stored by the means (f) and the means (g) are read out, and the advection, that is, the position of each vortex element is calculated in a Lagrangian manner. Means for storing the position, circulation and core radius of the memory in the storage means (3).
(I) The position, circulation and core radius data of each vortex element stored by the means (h) is read out, the gas velocity at the evaluation point is calculated using the Biosavart equation, and stored in the storage means (4) Means for storage.
本発明は,微小な固体粒子が気流中に分散し,気流と相互作用を及ぼし合いながら流れる固気二相流の渦度場に着目して複数の渦要素で離散化し,気流に及ぼす粒子の力を考慮した運動量保存関係から渦度方程式を導出し,この渦度方程式のラグランジュ計算により渦要素の挙動を求めるものである.
解析領域を計算格子(グリッド)に分割する必要がない解析方法である.格子の寸法や配置は,解析精度に影響を及ぼすため,格子分割には細心の注意と多大な作業が要求される.よって,格子分割作業を省略できるこのグリッドフリー手法は,工業装置内など複雑な幾何形状をもつ流れ場の解析に極めて有用である.
The present invention focuses on the vorticity field of a solid-gas two-phase flow in which minute solid particles are dispersed in an air flow and interact with each other, and are discretized by a plurality of vortex elements, and The vorticity equation is derived from the momentum conservation relation considering the force, and the behavior of the vortex element is obtained by Lagrange calculation of this vorticity equation.
This is an analysis method that does not require the analysis area to be divided into grids. Since the size and arrangement of the grid influence the analysis accuracy, careful attention and a great deal of work are required for grid division. Therefore, this grid-free method, which can omit the grid division work, is extremely useful for analysis of flow fields with complicated geometric shapes such as in industrial equipment.
また,渦度輸送方程式のラグランジュ計算には非線形項が現れないため,レイノルズ数に依存することなく,高レイノルズ数の固気二相流についても安定で高精度の解析が可能となる.また,渦度の高い領域には渦要素が能動的に密集する特徴があるため,高い解析精度を自動的に確保できる. In addition, since the nonlinear term does not appear in the Lagrangian calculation of the vorticity transport equation, it is possible to perform a stable and highly accurate analysis of a solid-phase two-phase flow with a high Reynolds number without depending on the Reynolds number. In addition, the high vorticity region has the feature that vortex elements are actively concentrated, so that high analysis accuracy can be automatically secured.
さらに,渦度を求めるに際して,渦要素のコア半径を時間の経過とともに増大させるコアスプレッディング法を適用することが望ましい.このようにすれば,粘性拡散による渦度の減衰が考慮され,適切な渦度を求めることができる. Furthermore, when calculating the vorticity, it is desirable to apply a core spreading method that increases the core radius of the vortex element over time. In this way, the attenuation of vorticity due to viscous diffusion is taken into account, and an appropriate vorticity can be obtained.
<理論>
次の本発明の理論について説明する.
1.記号
本発明において下記に登場する各符号は次のように定義されている.
A:粒子の周りに設置するセルの一つあたりの面積
CD:粒子の抵抗係数
d:粒子直径
FD:単位体積の気体が粒子から受ける力
fD:粒子に作用する流体抗力
g:重力加速度
L:正方形セルの一辺の長さ
Nv:解析領域内の渦要素数
p:圧力
t:時間
u:速度
vp:気体に対する粒子の相対速度 =up-ug
x, y:空間座標
Γ:循環
ν:気体の動粘度
ρ:密度
σ:渦要素のコア半径
ω:渦度 =∇×ug
添字
g:気体
p:粒子
<Theory>
The following theory of the present invention will be described.
1. Symbols In the present invention, the following symbols are defined as follows.
A: Area per cell installed around the particle
C D : Particle resistance coefficient
d: Particle diameter
F D : Force that a unit volume of gas receives from particles
f D : Fluid drag acting on particles
g: Gravity acceleration
L: Length of one side of the square cell
N v : Number of vortex elements in the analysis region
p: Pressure
t: time
u: Speed
v p : Relative velocity of particles relative to gas = u p -u g
x, y: spatial coordinates
Γ: Circulation
ν: Kinematic viscosity of gas
ρ: Density
σ: Core radius of vortex element
ω: Vorticity = ∇ x u g
Subscript
g: Gas
p: Particle
2.仮定
本発明は以下の仮定を前提としている.
(a)気体は非圧縮である.
(b)粒子の密度は気体に比べ十分に大きい.
(c)粒子は球形であり,均一な直径をもつ.
(d)流れ場全体に及ぼす粒子間衝突の影響は小さく,無視できる.
2. Assumptions The present invention assumes the following assumptions.
(A) The gas is incompressible.
(B) The density of particles is sufficiently larger than that of gas.
(C) The particles are spherical and have a uniform diameter.
(D) The impact of interparticle collisions on the entire flow field is small and can be ignored.
3.基礎式
本発明では,所定の設定データ(後述する入力データ)に基づいて,計算に必要な条件を設定し,流れの基礎方程式に基づいて計算を実行する.以下,計算に用いる流れの基礎方程式について説明する.
3. Basic Expression In the present invention, conditions necessary for the calculation are set based on predetermined setting data (input data described later), and the calculation is executed based on the basic equation of flow. The basic flow equations used in the calculation are explained below.
(1)気体の支配方程式
気体の質量および運動量の保存方程式は,上記仮定(a)〜(d)を前提とした場合,それぞれ次式で表される.
(2)粒子の支配方程式
粒子に作用する支配的な力は,上記仮定(a)〜(d)を前提とした場合,流体抗力と重力であり,次式で与えられる.
(3)渦要素による渦度場の離散化
二次元流れ場を解析の対象とすれば,気体の渦度方程式は,上記数式2の回転をとり上記数式1を代入して得られる次式で表される.
つぎに,渦度場を多数の渦要素により離散化する.単相流解析に対する渦要素モデルを適用し,コア構造をもつ渦要素を導入する.渦要素αの循環をΓα,コア半径をσα,位置ベクトルをxα ,とすれば,渦要素αによる位置xの渦度は次式で与えられる.
渦度場をNv個の渦要素で離散化すれば,気体の速度は上記数式7と上記数式8から得られる次式で表される.
また,渦要素は気流速度で移流するので,次のラグランジュ解析から計算できる.
(4)粘性拡散によるコア半径の変化
渦度は粘性拡散により減衰する.ここで,液体のみまたは気体のみの単相流解析では,コア半径を時間の経過とともに増大させるコアスプレッディング(Core spreading)法により考慮される.そこで,本発明においても,これを準用し,次式をラグランジュ解析してコア半径の時間変化を求める.
(5)粒子運動による循環の変化
任意の閉曲線まわりの循環Γの時間変化率は,次式で表される.
(6)粒子運動による循環変化の計算方法
図2に示すように,粒子Pの周囲に4つの正方形のセル6を設ける.セル6は,粒子の位置が既知であれば容易に配置できる.よって,その配置に要する作業は,解析領域を多数の格子(グリッド)に分割する従来技術に比べて著しく簡単である.とくに,複雑な幾何形状をもつ解析領域を対象とする場合には,特段の効果が現れる.セル6は座標軸xおよびyに沿っており,一辺の長さをLとする.気体Gに対する粒子の相対速度をvp(=up-ug)とすれば,-vpの方向に流体抗力fDが作用する.fDがx軸となす角度をθとする.この場合,粒子Pが位置するセル頂点Oに作用するFDのx方向成分FDxおよびy方向成分FDyは,それぞれ次式で与えられる.
セル頂点7の間でFDが線形変化するものと仮定し,4つのセル1,2,3,4に上記数式15を適用すれば,セル1,2,3,4の循環変化ΔΓ1,ΔΓ2,ΔΓ3,ΔΓ4は次式で表される.
Assuming that F D between the
各粒子Pのまわりに設置した4つのセルに対し,セルβ(β=1,2,3,4)にnv個の渦要素が存在する場合には,渦要素一つ当たりの循環をΔΓβ/nvとする.渦要素が存在しない場合には循環ΔΓβをもつ1つの渦要素をセル中央から発生させる. When n v vortex elements exist in the cell β (β = 1, 2, 3, 4) for four cells installed around each particle P, the circulation per vortex element is expressed as ΔΓ. Let β / n v . When there is no vortex element, one vortex element with circulation ΔΓ β is generated from the cell center.
いま,試みに,粒子運動により4つのセル6から渦要素5が一つずつ新たに発生する場合を考えてみる.θ=90°のときには,図3(a)に示すように,気流に対する粒子Pの運動方向に関して,渦要素5の配置が左右対称となる.さらに,数式17からわかるように循環の絶対値も対称となる.4つの渦要素5が誘起する粒子Pまわりの気流を計算すると図3(b)のようになり,粒子運動方向に関して気流も左右対称となる.粒子は球形であり進行方向に対して形状は軸対称であるから,その運動に起因する流れは,二次元解析の場合には軸に関して線対称すなわち左右対称であらねばならない.よって,図3(b)では合理的な速度場が求められている.θ=0°,180°,270°の場合にも同様な気流速度が求められる.
Let us consider a case where a
一方,θの値が0°,90°,180°,270°でない場合には,図4(a)に示すように渦要素5の配置と循環の絶対値が粒子進行方向に関して対称でない.たとえばθ=65°の場合の気流を求めると,図4(b)に示すように非対称な速度分布となり,適切な結果は得られない.
On the other hand, when the value of θ is not 0 °, 90 °, 180 °, or 270 °, the arrangement of the
そこで,図5に示すように,粒子位置(セル頂点O)からセル頂点Nに向かうベクトルがつねにfDと一致するように4つのセル6を配置する.このセル配置は,図3(a)の配置に相当するため,粒子まわりの左右対称な気流を正確に計算できる[図3 (b)参照].
Therefore, as shown in FIG. 5, to place the four
(7)解析手順
時刻t=tでの粒子および気体の流れが既知であれば,時刻t=t+Δtの流れを,例えば以下の手順で計算できる.なお,図6に示すように,解析領域Hには渦要素5と粒子Pが存在し,気体の速度を計算する評価点8が予め配置されている.
(a)粒子Pの運動を数式3から求める.
(b)粒子Pの周囲に4つの正方形セル6を設置し,各セル6における循環変化量ΔΓ1〜ΔΓ4を数式17においてθ=90°として求める.
(c)各セル6における循環変化量ΔΓ1〜ΔΓ4を当該セル6内の渦要素の循環に付与する.セル内に渦要素がない場合には,循環変化量に等しい循環をもつ1つの渦要素をセル中央から発生させる.
(d)渦要素5のコア半径σを数式13から求める.
(e)渦要素5の位置を数式12から求める.
(f)評価点8における気流の速度ugを数式10から求める.
(7) Analysis procedure If the flow of particles and gas at time t = t is known, the flow at time t = t + Δt can be calculated by the following procedure, for example. In addition, as shown in FIG. 6, the
(A) The motion of the particle P is obtained from
(B) Four
(C) The circulation variation amounts ΔΓ 1 to ΔΓ 4 in each
(D) The core radius σ of the
(E) The position of the
(F) determining the velocity u g of the airflow at the
このような手順を予め定めた時間間隔毎に繰り返し実行することで,計算格子を用いることなく(グリッドフリー),固気二相流を高精度で解析することができる. By repeating this procedure at predetermined time intervals, it is possible to analyze solid-gas two-phase flow with high accuracy without using a grid (grid-free).
以下,本発明の一実施形態を前述した理論および図1〜図10によって説明する. Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the above-described theory and FIGS.
本実施形態に係るグリッドフリー手法を用いた固気二相流シミュレーションプログラムは,後述する情報記憶装置16に記録され,パーソナルコンピュータ(以下「コンピュータ11」という)に導入することにより,そのコンピュータ11に後述する固気二相流の挙動の解析ステップを実行させるためのものである.
A solid-gas two-phase flow simulation program using the grid-free method according to the present embodiment is recorded in an
1.コンピュータとその周辺機器の構成
図7には,コンピュータ11とその周辺機器の構成を示した.コンピュータ11には,演算および周辺機器の制御等を行うための中央処理部12,この中央処理部12と周辺機器との接続を行うためのI/Oインターフェイス13,および周辺機器である表示装置14,印刷装置15,情報記憶装置16および入力装置17が接続されている.
1. Configuration of Computer and its Peripheral Equipment Figure 7 shows the configuration of the
なお,表示装置14には,カソードレイチューブ(CRT)の他に液晶装置,液晶プロジェクタ等が含まれる.また,印刷装置15は,コンピュータ11に直接に連結されている必要はなく,LAN等のネットワークを介して連結されていてもよい.また,入力装置17は,例えばキーボードやマウスなどのコンソールであって,ここでの操作によって解析領域Hの境界を設定する座標位置データや流体特性を設定する入力データなどを入力することができる.
In addition to the cathode ray tube (CRT), the
中央処理部12の詳細については図示しないが,中央演算処理装置(CPU)のほかに,ROM,各種RAM,チップセット等から構成されている.情報記憶装置6は,ハードディスクやフロッピー(登録商標)ディスク,およびMOやCD−ROM等であり,コンピュータ1のプログラムや各種データを読み込みまたは記録することができる.
Although details of the
2.固気二相流の解析
さて,本実施形態の作用を上記中央処理部12にて実行される固気二相流シミュレーションプログラムのフローチャートを参照しつつ説明する.
2. Analysis of Solid-Gas Two-Phase Flow Now, the operation of this embodiment will be described with reference to a flowchart of a solid-gas two-phase flow simulation program executed by the
(1)計算に必要な入力データの入力および境界条件の設定
まず,上記入力装置17の操作によって,計算に必要な入力データを入力する.ここで,入力データとしては,気体Gの密度ρgおよび動粘度νg,固体粒子Pの密度ρpおよび直径d,解析領域Hの入口における単位時間当たりの粒子Pの流入個数,解析領域Hの幾何形状および寸法,解析時間,解析時間タイミングΔtである.
(1) Input of input data necessary for calculation and setting of boundary condition First, input data necessary for calculation is input by operating the
(1)条件設定
本実施形態では,壁面で囲まれていない自由空間における,粒子Pを含む気流(固気二相流)に対する数値解析である.より,具体的には,図8に示すような,粒子Pが静止空気中に落下し,落下粒子が周囲に気体Gの流れ(気流)を誘起し,粒子Pと気体Gが相互作用を及ぼし合いながら流れる固気二相流を解析対象としている.
(1) Condition setting In this embodiment, it is a numerical analysis with respect to the air flow (solid-gas two-phase flow) containing the particle P in the free space not surrounded by the wall surface. More specifically, as shown in FIG. 8, the particles P fall into still air, the falling particles induce a flow of gas G (air flow) around them, and the particles P and the gas G interact with each other. The analysis target is a solid-gas two-phase flow flowing together.
(2)解析処理
コンピュータ11は,上記条件設定後,図9に示すフローチャートの処理を上記解析時間タイミングΔtで繰り返し実行し,固気二相流の挙動を数値解析する.
(2) Analysis processing After setting the above conditions, the
ステップS1で解析時間タイミングになったかどうかを判断し,解析時間タイミングになったとき(ステップS1で「Y」),ステップS2で粒子Pの速度upを,数式3から計算する.すなわち,本発明の請求項に記載の「ステップ(a)」および「手段(a)」でいう「解析領域内に存在する各粒子の速度をラグランジュ的に計算」に相当する処理を実行する.より具体的には,数式3にオイラーの前進差分法を適用し,ラグランジュ解析により解析領域H内の各粒子Pを追跡するのである.この際,数式3のfDは数式4で与えられるが,数式4の右辺の気体Gと粒子Pの速度には,前回の解析時間タイミングで算出された速度を用いるのである.なお,気体Gの速度は,解析領域H内に予め配置した評価点8の速度の補間から定められるのである.補間には,評価したい位置の近傍点8を選択し,内挿補間法を利用すればよい.
To determine what happened to the analysis time timing in step S1, when it is analysis time timing ( "Y" in step S1), the velocity u p of the particles P in step S2, is calculated from
ステップS3では,上記ステップS2で算出された粒子Pの速度upをもとにして,粒子Pの位置をラグランジュ法により計算する.すなわち,本発明の請求項に記載の「ステップ(b)」および「手段(b)」でいう「各粒子の位置をラグランジュ的に計算」に相当する処理を実行する.より具体的には,速度が既知であれば,その時間積分により位置が求められるので,上記粒子速度の場合と同様,オイラーの前進差分法により計算するのである. In step S3, the position of the particle P is calculated by the Lagrangian method based on the velocity p of the particle P calculated in step S2. That is, a process corresponding to “calculate the position of each particle in a Lagrangian manner” in “step (b)” and “means (b)” described in the claims of the present invention is executed. More specifically, if the velocity is known, the position can be obtained by integration over time, so it is calculated by Euler's forward difference method as in the case of the particle velocity.
ステップS4では,各粒子の周りに4つの正方形のセル6を配置する.すなわち,本発明の請求項に記載の「ステップ(c)」および「手段(c)」でいう「各粒子の周りに4つの正方形のセルを配置」に相当する処理を実行する.より具体的には,気体Gに対する粒子Pの相対速度vp(=up-ug)を計算し,図5に示したように,粒子位置(セル頂点O)からセル頂点Nに向かうベクトルがvpと一致するようにセル6を配置する.
In step S4, four
ステップS5では,各粒子に作用する流体抗力fDを,前回の解析時間タイミングで算出された気体Gの速度ugと,ステップS1で計算した粒子Pの速度upを用いて,数式4から算出する.すなわち,本発明の請求項に記載の「ステップ(d)」および「手段(d)」でいう「各粒子に作用する流体抗力を,ステップ(a)あるいは手段(a)で算出された速度に基づいて計算」に相当する処理を実行する.なお,気体Gの速度ugは,解析領域H内に予め配置した評価点の速度の補間から定められるのである.
In step S5, the fluid drag force f D acting on each particle is calculated from
ステップS6では,各粒子のまわりの4つのセルにおける循環変化量ΔΓ1〜ΔΓ4を,上記ステップS5で算出された各粒子に作用する流体抗力に基づいて,数式17から計算する.すなわち,本発明の請求項に記載の「ステップ(e)」および「手段(e)」でいう「ステップ(d)あるいは手段(d)で算出された流体抗力に基づいて,前記各セルにおける循環変化量を,気流の運動量保存方程式から導出される渦度方程式と,レイノルズの輸送定理とに基づいて計算」に相当する処理を実行する.なお,ステップS4におけるセルの配置からして,数式17ではθ=90°として計算する.
In step S6, the circulating amount of change ΔΓ 1 ~ΔΓ 4 in four cells around each particle, based on the fluid drag force acting on each particle calculated in step S5, calculated from
ステップS7では,上記ステップS6で算出された各セルの循環変化量データを基にして,各セルに存在する渦要素の循環を計算し,各渦要素の位置と循環を,例えば上記情報記録装置16の所定の保存領域あるいはRAMの所定領域に保存する.すなわち,本発明の請求項に記載の「ステップ(f)」および「手段(f)」でいう「ステップ(e)あるいは手段(e)によって保存された前記各セルにおける循環変化量データを読み出して,当該セル内の各渦要素の循環を計算し,各渦要素の位置と循環を記憶手段(1)に保存」に相当する処理を実行する.具体的には,循環変化量がΔΓのセルの内部に渦要素がnv個存在する場合,各渦要素の循環の変化量をΔΓ/nvとする.渦要素が存在しない場合には,循環ΔΓをもつ渦要素を1つ新しく発生させる. In step S7, based on the circulation variation data of each cell calculated in step S6, the circulation of the vortex element existing in each cell is calculated, and the position and circulation of each vortex element are determined by, for example, the information recording device. The data is stored in 16 predetermined storage areas or a predetermined area of RAM. That is, the cyclic change data in each cell stored by “step (e)” or “means (e)” in “step (f)” and “means (f)” described in the claims of the present invention is read out. , Calculate the circulation of each vortex element in the cell, and execute the process corresponding to “save the position and circulation of each vortex element in the storage means (1)”. Specifically, if there are n v vortex elements in a cell with a circulation change of ΔΓ, the change of circulation of each vortex element is ΔΓ / n v . If there is no vortex element, a new vortex element with circulation ΔΓ is generated.
ステップS8では,時間変化する渦要素のコア半径σを数式13から計算し,例えば上記情報記録装置16の所定の保存領域あるいはRAMの所定領域に保存する.すなわち,本発明の請求項に記載の「ステップ(g)」および「手段(g)」でいう「各渦要素のコア半径をラグランジュ的に計算して記憶手段(2)に保存」に相当する処理を実行する.このラグランジュ計算には,オイラーの前進差分法が適用できる.
In step S8, the core radius σ of the time-varying vortex element is calculated from
ステップS9では,渦要素5の移流を数式12から計算し,例えば上記情報記録装置16の所定の保存領域あるいはRAMの所定領域に保存する.すなわち,本発明の請求項に記載の「ステップ(h)」および「手段(h)」でいう「ステップ(f)およびステップ(g)あるいは手段(f)および手段(g)によって保存された渦要素の位置,循環およびコア半径データを読み出して,各渦要素の移流すなわち位置をラグランジュ的に計算し,各渦要素の位置,循環およびコア半径を記憶手段(3)に保存」に相当する処理を実行する.より具体的には,上記粒子Pの運動計算の場合と同様,オイラーの前進差分法により数式12を解析して,解析領域Hにおける渦要素16の位置を追跡するのである.
In step S9, the advection of the
ステップS10では,ステップS7〜S9で計算した渦要素の位置,循環およびコア半径を数式10に代入して,解析領域に予め設定した評価点における気体Gの速度を計算し,例えば上記情報記録装置16の所定の保存領域内またはRAMの所定領域に保存する.すなわち,本発明の請求項に記載の「ステップ(i)」および「手段(i)」でいう「ステップ(h)あるいは手段(h)によって保存された各渦要素の位置,循環およびコア半径データを読み出して,前記評価点における気体の速度をビオサバールの式を用いて計算し,記憶手段(4)に保存」に相当する処理を実行する.ステップ12で解析継続の場合(ステップS12で「Y」),ステップS1に戻る. In step S10, the position, circulation and core radius of the vortex element calculated in steps S7 to S9 are substituted into Equation 10, and the velocity of the gas G at the evaluation point preset in the analysis region is calculated. Store in 16 predetermined storage areas or in a predetermined area of RAM. That is, the position, circulation, and core radius data of each vortex element stored by “step (h) or means (h)” in “step (i)” and “means (i)” described in the claims of the present invention , And the gas velocity at the evaluation point is calculated using the Biosavart equation, and the process corresponding to “save in the storage means (4)” is executed. If the analysis is continued in step 12 (“Y” in step S12), the process returns to step S1.
以上のステップを繰り返し実行することにより,粒子Pと気体Gの流れ,すなわち固気二相流の時間変化をシミュレートすることができる.なお,以上の演算が終了すると,コンピュータ11は,その解析データを例えば表示装置14や印刷装置15に引き渡す.解析データは,粒子Pおよび気体Gの速度upおよびug,粒子Pおよび渦要素5の位置座標であり,一般的に利用できる可視化ソフトウェアを用いることにより,ベクトル表示や等高線表示できる.
By repeatedly executing the above steps, the flow of particles P and gas G, that is, the time change of the solid-gas two-phase flow can be simulated. When the above calculation is completed, the
なお,図10は計算結果の一例であり,粒子Pが空気中を自由落下する場合に発生する粒子,渦要素および気流の挙動であり,上記解析データをもとにして,粒子P,渦要素6,気流の速度ベクトルを表示してある.
FIG. 10 shows an example of the calculation result, which shows the behavior of particles, vortex elements and air currents generated when the particles P freely fall in the air. Based on the analysis data, the particles P and
3.本実施形態の効果
固気二相流の解析に従来用いられている方法は,例外なく,解析の前処理として解析領域を計算格子(グリッド)に分割する必要がある.格子は解析領域の全域をメッシュ状に覆うものであり,計算格子とよばれている.各格子の形状は,一般に四角形である.各格子の頂点で流れの変数(速度や圧力など)が定義され,上記解法により計算される.解析精度は格子分割の状態に依存するため,高い精度を確保するには,流れが急峻に変化するものと予測される領域は多数の細かな格子に分割する必要がある.また,格子の間には重なりや隙間があってはならないという幾何学的条件も満足しなければならない.したがって,工業装置の設計などの際に用いられる実務的シミュレーションでは,複雑な幾何形状をもつ流れ場を解析の対象とする場合が多く,格子分割に多大な作業が要求されてきた.本実施形態による固気二相流の解析方法では,解析領域を計算格子に分割する必要がない.このグリッドフリー技術は,解析の前処理を著しく簡単化するものであり,実務的シミュレーションの合理化をもたらす.
3. Advantages of this embodiment The methods used in the past for analysis of solid-gas two-phase flows, without exception, need to divide the analysis region into calculation grids (grids) as preprocessing of the analysis. The grid covers the entire analysis area in a mesh and is called a calculation grid. The shape of each grid is generally rectangular. Flow variables (velocity, pressure, etc.) are defined at the vertices of each grid and calculated by the above solution. Since the analysis accuracy depends on the state of grid division, to ensure high accuracy, the region where the flow is expected to change sharply needs to be divided into many fine grids. It must also satisfy the geometric requirement that there should be no overlap or gaps between the grids. Therefore, in practical simulations used in the design of industrial equipment, flow fields with complex geometries are often the subject of analysis, and a great deal of work has been required for grid division. In the solid-gas two-phase flow analysis method according to this embodiment, it is not necessary to divide the analysis region into calculation grids. This grid-free technology greatly simplifies the preprocessing of analysis and brings about rationalization of practical simulation.
また,本実施形態による解析方法では,支配方程式の微分項を差分近似する必要がない.このため,従来の解析方法では数値不安定に起因して計算が破綻するような,高レイノルズ数の流れの解析にも適用可能である.
また,渦度の高い領域に渦要素が能動的に移流するため,高い解析精度を確保できる.
In the analysis method according to this embodiment, it is not necessary to approximate the differential term of the governing equation by difference. For this reason, the conventional analysis method can be applied to the analysis of high Reynolds number flows where the calculation fails due to numerical instability.
In addition, since the vortex element actively advects to the region with high vorticity, high analysis accuracy can be secured.
さらに,流体の速度や圧力を未知変数とする従来の解析方法では乱流モデルの利用が不可欠であったが,本実施形態の解析方法では乱流モデルを用いることなく,固気二相流を解析できる.
<他の実施形態>
本発明は上記記述および図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく,例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ,さらに,下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる.
(1)上記実施形態では,解析領域Hについて二次元解析を行った例を説明したが,本発明は三次元解析についても勿論適用することができる.
Furthermore, in the conventional analysis method in which the velocity and pressure of the fluid are unknown variables, the use of the turbulent flow model was indispensable. However, in the analysis method of this embodiment, the solid-gas two-phase flow is not used without using the turbulent flow model. Can be analyzed.
<Other embodiments>
The present invention is not limited to the embodiments described with reference to the above description and drawings. For example, the following embodiments are also included in the technical scope of the present invention, and are within the scope not departing from the gist other than the following. Various changes can be made with.
(1) In the above embodiment, the example in which the two-dimensional analysis is performed on the analysis region H has been described. However, the present invention can also be applied to the three-dimensional analysis.
(2)上記実施形態では,粒子Pは球形としたが,これに限らず,高機能化を図る観点で,例えば楕円球などであってもよい.この場合,例えば入力装置17にて粒子Pについての複数種の形状を選択可能とし,それらの複数種の粒子について計算してもよい.
(2) In the above-described embodiment, the particles P are spherical. However, the present invention is not limited to this, and may be, for example, an elliptical sphere from the viewpoint of achieving high functionality. In this case, for example, the
5・・・渦要素
6・・・セル
7・・・セル頂点
8・・・気体の速度の評価点
11・・・コンピュータ
12・・・中央処理部
16・・・情報記録装置(記憶手段)
G・・・気体
H・・・解析領域
P・・・固体粒子
DESCRIPTION OF
G ... Gas H ... Analysis area P ... Solid particles
Claims (3)
(a)前記解析領域内に存在する各粒子の速度をラグランジュ的に計算するステップ.
(b)前記各粒子の位置をラグランジュ的に計算するステップ.
(c)前記各粒子の周りに4つの正方形のセルを配置するステップ.
(d)前記各粒子に作用する流体抗力を,前記ステップ(a)で算出された速度に基づいて計算するステップ.
(e)前記ステップ(d)で算出された流体抗力に基づいて,前記各セルにおける循環変化量を,気流の運動量保存方程式から導出される渦度方程式と,レイノルズの輸送定理とに基づいて計算するステップ.
(f)前記ステップ(e)で算出された前記各セルにおける循環変化量に基づいて,当該セル内の各渦要素の循環を計算し,各渦要素の位置と循環を記憶手段(1)に保存するステップ.
(g)各渦要素のコア半径をラグランジュ的に計算して記憶手段(2)に保存するステップ.
(h)前記ステップ(f)および前記ステップ(g)によって保存された各渦要素の位置,循環およびコア半径データを読み出して,各渦要素の移流すなわち位置をラグランジュ的に計算し,各渦要素の位置,循環およびコア半径を記憶手段(3)に保存するステップ.
(i)前記ステップ(h)によって保存された各渦要素の位置,循環およびコア半径データを読み出して,前記評価点における気体の速度をビオサバールの式を用いて計算し,記憶手段(4)に保存するステップ. A solid-gas two-phase flow simulation program using a grid-free method for analyzing a solid-gas two-phase flow including minute solid particles in an air current, and the computer performs the following steps (a) to (i) This is a solid-gas two-phase flow simulation program that analyzes the position and velocity of particles in the analysis region and the velocity of airflow at the evaluation points set in advance in the analysis region.
(A) calculating a velocity of each particle existing in the analysis region in a Lagrangian manner.
(B) A step of calculating the position of each particle in a Lagrangian manner.
(C) placing four square cells around each particle;
(D) calculating a fluid drag acting on each particle based on the velocity calculated in the step (a).
(E) Based on the fluid drag calculated in step (d), the amount of change in circulation in each cell is calculated based on the vorticity equation derived from the momentum conservation equation of airflow and the Reynolds transport theorem. Step to do.
(F) Based on the circulation change amount in each cell calculated in the step (e), the circulation of each vortex element in the cell is calculated, and the position and circulation of each vortex element are stored in the storage means (1). Saving step.
(G) A step of calculating the core radius of each vortex element in a Lagrangian manner and storing it in the storage means (2).
(H) The position, circulation and core radius data of each vortex element stored in the step (f) and the step (g) are read, and the advection, that is, the position of each vortex element is calculated in a Lagrangian manner. Storing the position, circulation and core radius of the memory in the storage means (3).
(I) The position, circulation and core radius data of each vortex element stored in the step (h) is read out, the gas velocity at the evaluation point is calculated using the Biosavart equation, and stored in the storage means (4) Saving step.
(a)前記解析領域内に存在する各粒子の速度をラグランジュ的に計算する手段.
(b)前記各粒子の位置をラグランジュ的に計算する手段.
(c)前記各粒子の周りに4つの正方形のセルを配置する手段.
(d)前記各粒子に作用する流体抗力を,前記手段(a)で算出された速度に基づいて計算する手段.
(e)前記手段(d)で算出された流体抗力に基づいて,前記各セルにおける循環変化量を,気流の運動量保存方程式から導出される渦度方程式と,レイノルズの輸送定理とに基づいて計算する手段.
(f)前記手段(e)で算出された前記各セルにおける循環変化量に基づいて,当該セル内の各渦要素の循環を計算し,各渦要素の位置と循環を記憶手段(1)に保存する手段.
(g)各渦要素のコア半径をラグランジュ的に計算して記憶手段(2)に保存する手段.
(h)前記手段(f)および前記手段(g)によって保存された各渦要素の位置,循環およびコア半径データを読み出して,各渦要素の移流すなわち位置をラグランジュ的に計算し,各渦要素の位置,循環およびコア半径を記憶手段(3)に保存する手段.
(i)前記手段(h)によって保存された各渦要素の位置,循環およびコア半径データを読み出して,前記評価点における気体の速度をビオサバールの式を用いて計算し,記憶手段(4)に保存する手段. A solid-gas two-phase flow simulation apparatus for analyzing a solid-gas two-phase flow containing minute solid particles in an air flow, comprising the following means (a) to (i), and executing these means: , A solid-gas two-phase flow simulation device that analyzes the position and velocity of particles in the analysis region, and the velocity of the airflow at the evaluation points set in advance in the analysis region.
(A) A means for calculating the velocity of each particle existing in the analysis region in a Lagrangian manner.
(B) Means for calculating the position of each particle in a Lagrangian manner.
(C) means for arranging four square cells around each particle;
(D) Means for calculating the fluid drag acting on each particle based on the velocity calculated by the means (a).
(E) Based on the fluid drag calculated by the means (d), the amount of change in circulation in each cell is calculated based on the vorticity equation derived from the momentum conservation equation of airflow and the Reynolds transport theorem. Means to do.
(F) Based on the circulation change amount in each cell calculated by the means (e), the circulation of each vortex element in the cell is calculated, and the position and circulation of each vortex element are stored in the storage means (1). Means for storage.
(G) Means for calculating the core radius of each vortex element in a Lagrangian manner and storing it in the storage means (2).
(H) The position, circulation and core radius data of each vortex element stored by the means (f) and the means (g) are read out, and the advection, that is, the position of each vortex element is calculated in a Lagrangian manner. Means for storing the position, circulation and core radius of the memory in the storage means (3).
(I) The position, circulation and core radius data of each vortex element stored by the means (h) is read out, the gas velocity at the evaluation point is calculated using the Biosavart equation, and stored in the storage means (4) Means for storage.
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