JP2014119882A - Analysis method, analysis device, and program - Google Patents

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Takuya Matsunaga
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To highly accurately perform numerical analysis in an advective diffusion question.SOLUTION: An analysis method includes: a reverse tracking step of, for each calculation lattice point in calculation lattices set in an analysis target field, retroactively tracking a locus of a virtual particle which has a variable field value and advectively flows to the calculation lattice point; and a field value acquisition step of, for each calculation lattice point, on the basis of a field value of a termination position of the reverse tracking and a result of the reverse tracking, acquiring a field value of the virtual particle when the virtual particle reaches the calculation lattice point from the termination position of the reverse tracking in a diffuse manner, as a field value at the calculation lattice point.

Description

本発明は、解析方法、解析装置およびプログラムに関する。   The present invention relates to an analysis method, an analysis apparatus, and a program.

数値解析分野の主たる解析対象の1つに移流拡散問題がある。移流拡散問題は、流体を伴う伝熱・混合問題を始めとした広い範囲に適用されており、移流拡散問題における数値解析手法の高度化や効率化が、産業利用等の観点から重要視されている。一方、一般的に移流拡散問題の解析に対する要求精度が非常に高く、ごく一部の理想的なケースを除いて、現象を正しく予測することは困難であった。   There is an advection diffusion problem as one of the main analysis objects in the numerical analysis field. The advection diffusion problem has been applied to a wide range including heat transfer and mixing problems involving fluids, and the sophistication and efficiency of numerical analysis methods in the advection diffusion problem are regarded as important from the viewpoint of industrial use. Yes. On the other hand, the accuracy required for the analysis of the advection-diffusion problem is generally very high, and it has been difficult to correctly predict the phenomenon except for a few ideal cases.

移流拡散問題において多用されている数値解析手法に格子法がある(例えば、特許文献1)。格子法は、オイラー的な考え方によって物理現象を捉え、空間上に設けた計算格子によって現象を離散的に表現する解析方法の総称である。
また、移流拡散問題において格子法と対比される数値解析手法に粒子法がある(例えば、特許文献2)。粒子法は、ラグランジュ的な考え方を取り入れた解析手法である。
There is a lattice method as a numerical analysis method frequently used in the advection diffusion problem (for example, Patent Document 1). The lattice method is a general term for an analysis method that captures a physical phenomenon by Euler's way of thinking and discretely expresses the phenomenon by a calculation lattice provided in space.
Further, there is a particle method as a numerical analysis method compared with the lattice method in the advection diffusion problem (for example, Patent Document 2). The particle method is an analysis method that incorporates a Lagrangian way of thinking.

特開2004−13442号公報JP 2004-13442 A 特開平7−334484号公報JP 7-334484 A

格子法を用いた移流拡散問題の数値解析では、数値拡散に起因する数値誤差の発生により、解析結果の精度が低下してしまう。ここでいう数値拡散とは、移流拡散方程式の対流項の離散化に伴って付加される偽拡散のことであり、実現象の分子拡散と比較して数値拡散の方が支配的となってしまう解析結果も珍しくない。
一方、粒子法では、粒子群を用いて現象を表現することから、根本的に数値拡散が生じない。しかしながら、粒子法は、気液二相流に代表されるような自由表面を伴う現象の数値解析に優れるものの、勾配やラプラシアンなど空間における物理量の分布を定量的に評価する手段に乏しい。その解決策として用いられる粒子間相互作用モデルに対しては、移流拡散問題において分子拡散を正確に評価できないという指摘がなされている。
In the numerical analysis of the advection diffusion problem using the grid method, the accuracy of the analysis result decreases due to the occurrence of numerical errors due to the numerical diffusion. Numerical diffusion here is a pseudo-diffusion that is added with the discretization of the convection term in the advection-diffusion equation. Numerical diffusion is more dominant than actual molecular diffusion. The analysis results are not uncommon.
On the other hand, in the particle method, since a phenomenon is expressed using a particle group, numerical diffusion does not fundamentally occur. However, although the particle method is excellent in numerical analysis of a phenomenon involving a free surface represented by a gas-liquid two-phase flow, it does not have a means for quantitatively evaluating a physical quantity distribution in a space such as a gradient or a Laplacian. It has been pointed out that molecular diffusion cannot be accurately evaluated in the advection diffusion problem for the interparticle interaction model used as a solution.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、移流拡散問題においてより高精度に数値解析を行うことのできる解析方法、解析装置およびプログラムを提供することにある。   The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide an analysis method, an analysis apparatus, and a program capable of performing a numerical analysis with higher accuracy in an advection diffusion problem.

この発明は上述した課題を解決するためになされたもので、本発明の一態様による解析方法は、解析対象の場に設定された計算格子における計算格子点の各々について、可変な場の値を有して当該計算格子点へ移流する仮想粒子の軌跡を、時刻を遡って追跡する逆追跡を行う逆追跡ステップと、前記計算格子点の各々について、前記逆追跡の終了位置における場の値と、前記逆追跡の結果とに基づいて、拡散しながら前記逆追跡の終了位置から当該計算格子点へ到達した際に前記仮想粒子が有する場の値を、当該計算格子点における場の値として取得する場の値取得ステップと、を具備することを特徴とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an analysis method according to an aspect of the present invention provides a variable field value for each calculation grid point in a calculation grid set as a field to be analyzed. A reverse tracking step of performing reverse tracking for tracking the trajectory of virtual particles that advect to the calculation grid point by tracing back the time, and a field value at the end position of the reverse tracking for each of the calculation grid points; Based on the result of the reverse tracking, the field value of the virtual particle is obtained as the field value at the calculation grid point when the calculation grid point is reached from the end position of the reverse tracking while diffusing. And a field value acquisition step.

また、本発明の一態様による解析方法は、上述の解析方法であって、前記逆追跡ステップでは、前記仮想粒子の軌跡を前記計算格子点の各々について求め、前記場の値取得ステップでは、前記計算格子点の各々についての前記仮想粒子の軌跡と拡散方程式とに基づいて得られる連立方程式から、前記計算格子点の各々における場の値を取得する、ことを特徴とする。   Further, the analysis method according to one aspect of the present invention is the above-described analysis method, wherein in the reverse tracking step, a trajectory of the virtual particle is obtained for each of the calculation lattice points, and in the field value acquisition step, A field value at each of the calculation lattice points is obtained from simultaneous equations obtained based on the locus of the virtual particles and the diffusion equation for each of the calculation lattice points.

また、本発明の一態様による解析方法は、上述の解析方法であって、前記逆追跡ステップでは、前記仮想粒子の軌跡を前記計算格子点の各々について求め、前記場の値取得ステップは、前記計算格子点の各々について、前記仮想粒子の軌跡に沿って拡散方程式を積分して、前記計算格子点の各々における場の値を算出する場の値算出ステップと、前記場の値算出ステップにて算出された場の値が収束したか否か判定する収束性判定ステップと、を具備し、前記場の値算出ステップにて算出された場の値が収束したと前記収束性判定ステップにて判定するまで、前記場の値算出ステップにおける処理を繰り返す、ことを特徴とする。   Further, the analysis method according to an aspect of the present invention is the above-described analysis method, wherein in the reverse tracking step, a trajectory of the virtual particle is obtained for each of the calculation lattice points, and the field value acquisition step includes For each of the calculation lattice points, integrating a diffusion equation along the trajectory of the virtual particle, and calculating a field value at each of the calculation lattice points, and a field value calculation step A convergence determination step for determining whether or not the calculated field value has converged, and the convergence determination step determines that the field value calculated in the field value calculation step has converged Until this is done, the process in the field value calculation step is repeated.

また、本発明の一態様による解析方法は、上述の解析方法であって、前記場の値取得ステップは、前記計算格子点の各々について、当該計算格子点に到達する前記仮想粒子が前記逆追跡の終了位置において有する場の値を当該計算格子点に設定する場の値設定ステップと、前記計算格子点の各々について、前記仮想粒子が前記逆追跡の終了位置から当該計算格子点に到達するのに要する滞留時間に応じて当該計算格子点における場の値を更新する場の値更新ステップと、を具備することを特徴とする。   The analysis method according to an aspect of the present invention is the above-described analysis method, wherein the field value acquisition step includes, for each of the calculation grid points, the virtual particles that reach the calculation grid point are the backtracked A field value setting step of setting a field value at the end position of the field to the calculation grid point, and for each of the calculation grid points, the virtual particles reach the calculation grid point from the end position of the reverse tracking And a field value updating step for updating the field value at the calculation grid point in accordance with the residence time required.

また、本発明の一態様による解析装置は、解析対象の場に設定された計算格子における計算格子点の各々について、可変な場の値を有して当該計算格子点へ移流する仮想粒子の軌跡を、時刻を遡って追跡する逆追跡を行う逆追跡部と、前記計算格子点の各々について、前記逆追跡の終了位置における場の値と、前記逆追跡の結果とに基づいて、拡散しながら前記逆追跡の終了位置から当該計算格子点へ到達した際の前記仮想粒子における場の値を、当該計算格子点における場の値として取得する場の値取得部と、を具備することを特徴とする。   Further, the analysis apparatus according to one aspect of the present invention provides a trajectory of virtual particles having a variable field value and advancing to the calculation grid point for each of the calculation grid points in the calculation grid set in the field to be analyzed. , While diffusing, based on the field value at the end position of the reverse tracking and the result of the reverse tracking for each of the calculation grid points A field value acquisition unit that acquires a field value in the virtual particle when reaching the calculation grid point from the end position of the reverse tracking, as a field value in the calculation grid point; To do.

また、本発明の一態様によるプログラムは、コンピュータに、解析対象の場に設定された計算格子における計算格子点の各々について、可変な場の値を有して当該計算格子点へ移流する仮想粒子の軌跡を、時刻を遡って追跡する逆追跡を行う逆追跡ステップと、前記計算格子点の各々について、前記逆追跡の終了位置における場の値と、前記逆追跡の結果とに基づいて、拡散しながら前記逆追跡の終了位置から当該計算格子点へ到達した際に前記仮想粒子が有する場の値を、当該計算格子点における場の値として取得する場の値取得ステップと、を実行させるためのプログラムである。   In addition, the program according to one aspect of the present invention provides a computer with a virtual particle having a variable field value and advancing to a calculation grid point for each calculation grid point in a calculation grid set as a field to be analyzed. A backtracking step for performing backtracking that traces the trajectory back in time, and for each of the calculation grid points, diffusion is performed based on the field value at the end position of the backtracking and the result of the backtracking. In order to execute the field value acquisition step of acquiring the field value of the virtual particle as the field value at the calculation grid point when reaching the calculation grid point from the end position of the reverse tracking It is a program.

本発明によれば、移流拡散問題において従来方法に比べて短時間かつ少ない記憶容量でより高精度に数値解析を行うことができる。   According to the present invention, numerical analysis can be performed with higher accuracy in a short time and with a smaller storage capacity than in the conventional method in the advection diffusion problem.

本発明の第1の実施形態における解析装置の機能構成を示す概略ブロック図である。It is a schematic block diagram which shows the function structure of the analyzer in the 1st Embodiment of this invention. 同実施形態における逆追跡部が行う仮想粒子の軌跡の逆追跡の例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the example of the reverse tracking of the locus | trajectory of the virtual particle which the reverse tracking part in the embodiment performs. 同実施形態において、解析装置が行う処理の手順を示すフローチャートである。In the same embodiment, it is a flowchart which shows the procedure of the process which an analyzer performs. 本発明の第2の実施形態における解析装置の機能構成を示す概略ブロック図である。It is a schematic block diagram which shows the function structure of the analyzer in the 2nd Embodiment of this invention. 同実施形態において、解析装置が行う処理の手順を示すフローチャートである。In the same embodiment, it is a flowchart which shows the procedure of the process which an analyzer performs. 同実施形態における場の値算出部が行うスカラー量算出の例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the example of the scalar quantity calculation which the field value calculation part in the embodiment performs. 本発明の第3の実施形態における解析装置の機能構成を示す概略ブロック図である。It is a schematic block diagram which shows the function structure of the analyzer in the 3rd Embodiment of this invention. 同実施形態において解析装置が行う処理の手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure of the process which an analysis apparatus performs in the same embodiment. 流体混合に用いられる典型的なT型ミキサーの一例を示す。An example of a typical T-type mixer used for fluid mixing is shown. 本発明の第1の解析例での濃度場の解析における仮想粒子の逆追跡の例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the example of the reverse tracking of the virtual particle in the analysis of the concentration field in the 1st analysis example of this invention. 本発明の第1の解析例でのターゲット平面における混合度MIの計算結果の例を、計算格子点間間隔を変えながら格子法と比較した結果を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the result compared with the lattice method, changing the example of the mixing degree MI in the target plane in the 1st analysis example of this invention, changing the space | interval between calculation lattice points. 格子法と本発明の第1の解析例における手法との、最大空間解像度における濃度分布の解析結果の例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the example of the analysis result of the density | concentration distribution in the maximum spatial resolution of the lattice method and the method in the 1st analysis example of this invention. 本発明の第2の解析例でのターゲット平面Aにおける混合度MIの計算結果の例を、計算格子点間間隔を変えながら格子法と比較した結果を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the result of having compared the example of the calculation result of the mixing degree MI in the target plane A in the 2nd analysis example of this invention with the lattice method, changing the space | interval between calculation lattice points. 格子法と本発明の第1の解析例における手法との、濃度分布の解析結果の例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the example of the analysis result of a density | concentration distribution with the method in the grid method and the 1st analysis example of this invention. 本発明の第1の解析例における解析結果と、第2の解析例における解析結果と、格子法による解析結果との比較例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the comparative example of the analysis result in the 1st analysis example of this invention, the analysis result in a 2nd analysis example, and the analysis result by a lattice method.

<第1の実施形態>
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
なお、明細書の記載において、ベクトルないし行列を示す矢印の表記、および、2段階目以降の上付きや下付きを省略する。
図1は、本発明の第1の実施形態における解析装置の機能構成を示す概略ブロック図である。同図において、解析装置100は、前提条件取得部110と、逆追跡部120と、場の値取得部130と、解析結果出力部140とを具備する。場の値取得部130は、場の値設定部131と、場の値更新部132とを具備する。
<First Embodiment>
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
In the description of the specification, the notation of an arrow indicating a vector or a matrix, and the superscript and subscript after the second stage are omitted.
FIG. 1 is a schematic block diagram showing a functional configuration of an analysis apparatus according to the first embodiment of the present invention. In the figure, the analysis apparatus 100 includes a precondition acquisition unit 110, a reverse tracking unit 120, a field value acquisition unit 130, and an analysis result output unit 140. The field value acquisition unit 130 includes a field value setting unit 131 and a field value update unit 132.

解析装置100は、数値解析を行って移流拡散問題における場の値を求める。解析装置100は、例えばコンピュータにて構築される。あるいは、解析装置100が専用の回路にて構築されるなど、コンピュータ以外で構築されていてもよい。   The analysis device 100 performs numerical analysis to obtain a field value in the advection diffusion problem. The analysis device 100 is constructed by a computer, for example. Alternatively, the analysis apparatus 100 may be constructed by a device other than a computer, such as a dedicated circuit.

前提条件取得部110は、数値解析を行う前提条件を取得する。例えば、前提条件取得部110は、数値解析を行う前提条件として、解析対象となる空間に設定する計算格子の規模および計算格子点間間隔や、移流速度場(場の値が移流する速度を示す速度場)のデータなどを取得する。
前提条件取得部110が数値解析を行う前提条件を取得する形態として様々な形態を用いることができる。あるいは、前提条件取得部110が、数値解析を行う前提条件を予め記憶しておくようにしてもよいし、解析装置100が数値解析を行う際に、数値解析を行う前提条件のユーザ入力を受けるようにしてもよい。また、前提条件取得部110が、移流速度場を解析によって求めるようにしてもよいし、予め解析されている移流速度場のデータを取得するようにしてもよい。
The precondition acquisition unit 110 acquires a precondition for performing numerical analysis. For example, the precondition acquisition unit 110 indicates, as preconditions for performing the numerical analysis, the size of the calculation grid set in the space to be analyzed, the interval between the calculation grid points, and the advection velocity field (the speed at which the field value advects). Get speed field data.
Various forms can be used as a form in which the precondition acquisition unit 110 acquires a precondition for performing numerical analysis. Alternatively, the precondition acquisition unit 110 may store in advance preconditions for performing numerical analysis, or when the analysis apparatus 100 performs numerical analysis, it receives user input of preconditions for performing numerical analysis. You may do it. In addition, the precondition acquisition unit 110 may obtain the advection velocity field by analysis, or may obtain data of the advection velocity field that has been analyzed in advance.

逆追跡部120は、解析対象の場に設定された計算格子における計算格子点の各々について、当該計算格子点へ移流(対流または輸送ともいう)する仮想粒子の軌跡を逆追跡する。特に、逆追跡部120は、流入境界など場の値が既知の領域まで仮想粒子の軌跡を逆追跡する。また、逆追跡部120は、仮想粒子が逆追跡の終了位置から計算格子点に到達するのに要する滞留時間を求める。
逆追跡部120が行う処理は、逆追跡ステップにおける処理の一例に該当する。
ここでいう仮想粒子とは、可変な場の値を有して計算格子点へ移流する、質量(慣性)を持たない仮想的な粒子(流体粒子)である。また、ここでいう逆追跡とは、時刻を遡って軌跡を追跡することである。従って、仮想粒子の軌跡の逆追跡では、仮想粒子が移流する向きと逆向きに軌跡を辿っていく。
The reverse tracking unit 120 reversely tracks the trajectory of the virtual particles that advect (also referred to as convection or transport) to the calculation grid point for each calculation grid point in the calculation grid set in the analysis target field. In particular, the reverse tracking unit 120 reversely tracks the trajectory of the virtual particle to a region where the field value is known, such as an inflow boundary. Further, the reverse tracking unit 120 obtains the residence time required for the virtual particles to reach the calculation lattice point from the reverse tracking end position.
The process performed by the reverse tracking unit 120 corresponds to an example of a process in the reverse tracking step.
The virtual particle here is a virtual particle (fluid particle) having a variable field value and advancing to a calculation lattice point and having no mass (inertia). In addition, reverse tracking here refers to tracking a trajectory back in time. Accordingly, in the reverse tracking of the trajectory of the virtual particle, the trajectory is traced in the direction opposite to the direction in which the virtual particle flows.

図2は、逆追跡部120が行う仮想粒子の軌跡の逆追跡の例を示す説明図である。同図において、点P11は、計算格子点を示し、線L11は、仮想粒子の軌跡を示している。
仮想粒子が、移流により計算格子点(点P11)へ到達しているのに対し、逆追跡部120は、矢印V11にて示すように、仮想粒子が移流する向きと逆向きに軌跡(線L11)を辿っていく。
FIG. 2 is an explanatory diagram illustrating an example of reverse tracking of the trajectory of the virtual particle performed by the reverse tracking unit 120. In the figure, a point P11 indicates a calculation lattice point, and a line L11 indicates a locus of virtual particles.
While the virtual particles have reached the calculation grid point (point P11) by advection, the reverse tracking unit 120 has a trajectory (line L11) in a direction opposite to the direction in which the virtual particles advect as indicated by an arrow V11. ).

仮想粒子の軌跡を逆追跡することで、計算格子点における、対流項(移流項ともいう)による場の値を求め得る。また、仮想粒子の軌跡を逆追跡することで、仮想粒子が移流する際の拡散を算出することができる。これにより、計算格子点における場の値に対して、拡散項の影響を反映させることができる。
また、仮想粒子は仮想的な粒子なので、実在する粒子による移流拡散に限らず、熱伝導などエネルギーの移流拡散についても、仮想粒子を用いて解析することができる。
By tracing back the trajectory of the virtual particle, the field value based on the convection term (also referred to as the advection term) at the calculation lattice point can be obtained. In addition, by tracing back the trajectory of the virtual particles, the diffusion when the virtual particles advect can be calculated. Thereby, the influence of the diffusion term can be reflected on the field value at the calculation lattice point.
Further, since virtual particles are virtual particles, energy advection and diffusion such as heat conduction can be analyzed using virtual particles as well as advection and diffusion by existing particles.

場の値取得部130は、計算格子点の各々について、逆追跡の終了位置における場の値と、逆追跡の結果とに基づいて、拡散しながら逆追跡の終了位置から計算格子点へ到達した際に仮想粒子が有する場の値を、当該計算格子点における場の値として取得する。場の値取得部130が行う処理は、場の値取得ステップにおける処理の一例に該当する。   The field value acquisition unit 130 reaches the calculation grid point from the end position of the reverse tracking while diffusing based on the field value at the end position of the reverse tracking and the result of the reverse tracking for each of the calculation grid points. At this time, the field value of the virtual particle is acquired as the field value at the calculation lattice point. The process performed by the field value acquisition unit 130 corresponds to an example of a process in the field value acquisition step.

場の値設定部131は、計算格子点の各々について、当該計算格子点に到達する仮想粒子が逆追跡の終了位置において有する場の値を当該計算格子点における場の値に設定する。より具体的には、逆追跡部120が、流入境界など場の値が既知の領域まで、仮想粒子の軌跡を逆追跡しておく。そして、場の値取得部130は、逆追跡の終了位置において既知となっている場の値を、計算格子点における場の値として設定する。これにより、場の値設定部131は、計算格子点における、対流項による場の値を設定する。
場の値設定部131が行う処理は、場の値設定ステップにおける処理の一例に該当する。
The field value setting unit 131 sets, for each calculation lattice point, the field value that the virtual particle that reaches the calculation lattice point has at the end position of the reverse tracking as the field value at the calculation lattice point. More specifically, the reverse tracking unit 120 reversely tracks the trajectory of the virtual particles up to a region where the field value is known, such as an inflow boundary. Then, the field value acquisition unit 130 sets the field value known at the end position of the reverse tracking as the field value at the calculation grid point. Thereby, the field value setting unit 131 sets the field value based on the convection term at the calculation grid point.
The process performed by the field value setting unit 131 corresponds to an example of a process in the field value setting step.

場の値更新部132は、計算格子点の各々について、仮想粒子が逆追跡の終了位置から当該計算格子点に到達するのに要する滞留時間に応じて、場の値設定部131が設定した当該計算格子点における場の値を更新する。これにより、場の値更新部132は、計算格子点における場の値に対して、拡散項の影響を反映させる。
場の値更新部132が行う処理は、場の値更新ステップにおける処理の一例に該当する。
The field value updating unit 132 sets, for each of the calculation grid points, the field value setting unit 131 set according to the residence time required for the virtual particles to reach the calculation grid point from the end position of the reverse tracking. Update the field value at the computational grid point. Thereby, the field value updating unit 132 reflects the influence of the diffusion term on the field value at the calculation lattice point.
The process performed by the field value update unit 132 corresponds to an example of a process in the field value update step.

解析結果出力部140は、場の値取得部130が取得した場の値を出力する。解析結果出力部140が場の値を出力する態様として様々な態様を用いることができる。例えば、解析結果出力部140が表示画面を有し、得られた場の値を、グラフ表示または数値による表示など視覚的に表示するようにしてもよい。あるいは、解析結果出力部140が、得られた場の値を示すデータを、解析装置に接続されている他の装置へ出力(送信)するようにしてもよい。   The analysis result output unit 140 outputs the field value acquired by the field value acquisition unit 130. Various modes can be used as a mode in which the analysis result output unit 140 outputs the field value. For example, the analysis result output unit 140 may have a display screen, and the obtained field value may be displayed visually, such as a graph display or a numerical display. Alternatively, the analysis result output unit 140 may output (send) data indicating the obtained field value to another device connected to the analysis device.

次に、図3を参照して、解析装置100の動作について説明する。なお、以下では、解析装置100がスカラー場の解析を行う場合を例に説明するが、解析装置100が解析を行う場はスカラー場に限らない。また、解析装置100は、様々な次元の空間を解析対象とすることができる。他の実施形態においても同様である。   Next, the operation of the analysis apparatus 100 will be described with reference to FIG. In the following, a case where the analysis apparatus 100 analyzes a scalar field will be described as an example, but the place where the analysis apparatus 100 performs an analysis is not limited to a scalar field. In addition, the analysis apparatus 100 can set a space of various dimensions as an analysis target. The same applies to other embodiments.

以下、解析対象となる空間に速度場およびスカラー場が形成されており、スカラー場を構成するスカラー量が速度場に乗って移流しながら拡散する場合に、スカラー量の分布を求める問題を考える。より具体的には、解析装置100は、解析対象となる空間に計算格子を設定し、計算格子点の各々におけるスカラー量を求める。なお、以下では総計算格子点数をNとし、計算格子点を番号k(0≦k≦N−1)にて識別する。   Hereinafter, when a velocity field and a scalar field are formed in a space to be analyzed, and the scalar quantity constituting the scalar field diffuses while advancing on the velocity field, the problem of obtaining the scalar quantity distribution will be considered. More specifically, the analysis apparatus 100 sets a calculation grid in a space to be analyzed, and obtains a scalar amount at each calculation grid point. In the following description, the total number of calculation grid points is N, and the calculation grid points are identified by a number k (0 ≦ k ≦ N−1).

図3は、解析装置100が行う処理の手順を示すフローチャートである。
同図の処理において、まず前提条件取得部110が、計算格子の設定条件や移流速度場のデータなど、数値解析を行う前提条件を取得する(ステップS101)。
次に、逆追跡部120が、仮想粒子の軌跡の逆追跡を行い、逆追跡の結果に基づいて場の値設定部131が対流項の評価を行う(ステップS102)。以下、逆追跡部120が行う逆追跡および場の値設定部131が行う対流項の評価について、より詳細に説明する。
FIG. 3 is a flowchart showing a procedure of processing performed by the analysis apparatus 100.
In the process shown in the figure, the precondition acquisition unit 110 first acquires preconditions for performing numerical analysis, such as calculation grid setting conditions and advection velocity field data (step S101).
Next, the reverse tracking unit 120 performs reverse tracking of the trajectory of the virtual particle, and the field value setting unit 131 evaluates the convection term based on the result of the reverse tracking (step S102). Hereinafter, the reverse tracking performed by the reverse tracking unit 120 and the evaluation of the convection term performed by the field value setting unit 131 will be described in more detail.

まず、スカラー量既知の領域から計算格子点kへ速度場に乗って移流する仮想粒子を想定する。逆追跡部120は、この仮想粒子の軌跡x(t)を、式(1)を時刻方向逆向きに解くことによって求める。 First, a virtual particle is assumed to advect on the velocity field from a region where the scalar amount is known to the calculation lattice point k. The reverse tracking unit 120 calculates the trajectory x k (t) of the virtual particle by solving the equation (1) in the time direction reverse direction.

但し、tは時刻を示し、uは速度場における速度を示す。なお、速度場は、定常的なものであってもよいし、時刻に応じて変化してもよい。さらには、速度場の変化に伴って、スカラー場が時刻に応じて変化してもよい。すなわち、解析装置100は、定常的なスカラー場と非定常なスカラー場とのいずれも解析することができる。非定常なスカラー場を解析する場合、解析装置100は、ある時刻(例えば、仮想粒子が計算格子点に到達する時刻t)におけるスカラー量の分布を求める。 However, t shows time and u shows the speed in a speed field. Note that the velocity field may be stationary or may change according to time. Furthermore, the scalar field may change according to the time as the speed field changes. That is, the analysis apparatus 100 can analyze both a stationary scalar field and a non-stationary scalar field. When analyzing an unsteady scalar field, the analysis apparatus 100 obtains the distribution of the scalar quantity at a certain time (for example, the time t 0 when the virtual particle reaches the calculation lattice point).

式(1)の解法として、同式を離散的に解くことが考えられる。その際、逆追跡部120が行う離散化スキームとして、オイラー陽解法、完全陰解法、クランクニコルソン法、ルンゲクッタ法、ルンゲクッタフェールベルグ法またはアダムスバッシュフォース法など様々なスキームを用いることができる。   As a method of solving the equation (1), it is conceivable to solve the equation discretely. At this time, various schemes such as Euler explicit method, complete implicit method, Crank Nicholson method, Runge-Kutta method, Runge-Kutta-Ferberg method or Adams Bash force method can be used as the discretization scheme performed by the inverse tracking unit 120.

また、速度uが離散的に定義されている場合、近傍の速度定義点からの速度uの内挿値を用いることが考えられる。その際、逆追跡部120が行う内挿スキームとして、一次精度内挿、バイリニア内挿、トリリニア内挿、二次精度内挿または三次精度内挿など様々なスキームを用いることができる。   Further, when the speed u is defined discretely, it is conceivable to use an interpolation value of the speed u from a nearby speed definition point. At that time, various schemes such as primary accuracy interpolation, bilinear interpolation, trilinear interpolation, secondary accuracy interpolation, or cubic accuracy interpolation can be used as the interpolation scheme performed by the inverse tracking unit 120.

なお、計算誤差により得られる軌跡が非現実的な軌跡となる場合、逆追跡部120が、それを防ぐ手段(例えば速度場の補正)を講じるようにしてもよい。例えば数値誤差の影響により、仮想粒子が、速度条件をノンスリップとする境界(壁面)に達した場合に、逆追跡部120が、逆追跡に用いる速度の補正を行って、仮想粒子の停止を回避するようにしてもよい。   In addition, when the locus | trajectory obtained by calculation error turns into an unrealistic locus | trajectory, you may make it the reverse tracking part 120 take a means (for example, correction | amendment of a speed field) which prevents it. For example, when the virtual particle reaches the boundary (wall surface) where the velocity condition is non-slip due to the influence of numerical error, the reverse tracking unit 120 corrects the velocity used for reverse tracking to avoid stopping the virtual particle You may make it do.

逆追跡部120が、仮想粒子がスカラー量既知の領域(例えば流入境界)へ到達するまで逆追跡を行うことで、場の値設定部131は、拡散を考慮しない場合の計算格子点kのスカラー量を取得することができる。スカラー量既知の領域の一例として、スカラー量を予め与えられている流入境界が挙げられる。
逆追跡部120は、各計算格子点について上記の逆追跡を行う。そして場の値設定部131は、各計算格子点における逆追跡の結果に基づいて、拡散を考慮しない場合のスカラー分布を求める。
The reverse tracking unit 120 performs the reverse tracking until the virtual particle reaches a region where the scalar amount is known (for example, the inflow boundary), so that the field value setting unit 131 is a scalar of the calculation lattice point k when diffusion is not considered. The amount can be acquired. An example of an area where the scalar quantity is known is an inflow boundary in which the scalar quantity is given in advance.
The reverse tracking unit 120 performs the reverse tracking described above for each calculation grid point. Then, the field value setting unit 131 obtains a scalar distribution when diffusion is not considered, based on the result of reverse tracking at each calculation grid point.

なお、逆追跡部120は、流入境界などスカラー量既知の領域を逆追跡終了位置として、当該逆追跡終了位置における仮想粒子のスカラー量と、仮想粒子が当該逆追跡終了位置から計算格子点へ到達するのに要する時間(滞留時間)を取得するものであればよい。従って、逆追跡部120は、必ずしも、仮想粒子の軌跡の座標を求めるなど具体的な軌跡を求める必要は無い。   Note that the reverse tracking unit 120 sets a region where the scalar amount is known, such as an inflow boundary, as the reverse tracking end position, and the virtual particle scalar amount at the reverse tracking end position and the virtual particle reaches the calculation lattice point from the reverse tracking end position. What is necessary is just to acquire time (dwelling time) required to do. Therefore, the reverse tracking unit 120 does not necessarily need to obtain a specific trajectory such as obtaining the coordinates of the trajectory of the virtual particle.

次に、場の値更新部132は、モデルを用いて拡散項の評価を行う(ステップS103)。以下、場の値更新部132が行う拡散項の評価について、より詳細に説明する。
場の値更新部132は、場の値設定部131が取得した、拡散を考慮しない場合のスカラー分布を初期(ξ=0)における値として、式(2)に示すモデル式をξ=[0,1]の範囲で数値的に積分する。
Next, the field value update unit 132 evaluates the diffusion term using the model (step S103). Hereinafter, the evaluation of the diffusion term performed by the field value update unit 132 will be described in more detail.
The field value update unit 132 uses the scalar distribution obtained by the field value setting unit 131 when the diffusion is not considered as a value in the initial state (ξ = 0), and the model expression shown in the equation (2) is ξ = [0 , 1] is integrated numerically.

但し、φはスカラー場を示す。また、τは仮想粒子の滞留時間を示す。すなわち、τは、仮想粒子が、スカラー量既知の領域から計算格子点kに到達するまでに要する時間を示す。また、Dは拡散係数を示し、▽はラプラシアン演算子を示す。また、ξは仮に設定した変数である。
場の値更新部132は、積分結果のξ=1において、拡散を考慮したスカラー分布を得る。なお、式(2)を用いたスカラー量の算出では、拡散を考慮しない場合のスカラー分布を初期状態とし、仮想粒子の軌跡における拡散を計算格子点kにおける拡散で近似して、仮想粒子の滞留時間τに相当する拡散を模擬している。この点において、場の値更新部132は、モデルを用いて拡散項を評価している。
Where φ represents a scalar field. Further, τ represents the residence time of virtual particles. That is, τ indicates the time required for the virtual particle to reach the calculation lattice point k from the area where the scalar quantity is known. D indicates a diffusion coefficient, and ▽ 2 indicates a Laplacian operator. Ξ is a temporarily set variable.
The field value updating unit 132 obtains a scalar distribution in consideration of diffusion in the integration result ξ = 1. In the calculation of the scalar quantity using the equation (2), the initial distribution is a scalar distribution when diffusion is not taken into consideration, the diffusion in the locus of the virtual particles is approximated by the diffusion at the calculation lattice point k, and the retention of the virtual particles Simulates diffusion corresponding to time τ. In this respect, the field value updating unit 132 evaluates the diffusion term using a model.

なお、式(2)に対する積分を行う際、場の値更新部132が行う離散化スキームとして、オイラー陽解法、完全陰解法、クランクニコルソン法、ルンゲクッタ法、ルンゲクッタフェールベルグ法またはアダムスバッシュフォース法など様々な離散化スキームを用いることができる。   In addition, as the discretization scheme performed by the field value updating unit 132 when performing the integration with respect to the equation (2), various methods such as the Euler explicit method, the complete implicit method, the Crank Nicholson method, the Runge-Kutta method, the Runge-Kutta-Ferberg method, and the Adams Bash force method are used. Any discretization scheme can be used.

ステップS103の後、解析結果出力部140は、解析結果としてのスカラー場を出力する(ステップS104)。より具体的には、解析結果出力部140は、各計算格子点におけるスカラー量を出力する。
その後、図3の処理を終了する。
After step S103, the analysis result output unit 140 outputs a scalar field as the analysis result (step S104). More specifically, the analysis result output unit 140 outputs a scalar quantity at each calculation grid point.
Thereafter, the process of FIG. 3 is terminated.

以上のように、逆追跡部120は、計算格子点へ移流する仮想粒子の軌跡を逆追跡し、場の値取得部130は、拡散しながら逆追跡の終了位置から計算格子点へ到達した際に仮想粒子が有する場の値を、当該計算格子点における場の値として取得する。
これにより、解析装置100では、仮想粒子が有する場の値を計算格子点に内挿する必要が無いので数値拡散が生じず、より高精度に数値解析を行うことができる。
As described above, the reverse tracking unit 120 performs the reverse tracking of the trajectory of the virtual particles that advect to the calculation grid point, and the field value acquisition unit 130, when diffusing, reaches the calculation grid point from the end position of the reverse tracking. The field value of the virtual particle is obtained as the field value at the calculation lattice point.
Thereby, in the analysis apparatus 100, since it is not necessary to interpolate the field value which a virtual particle has in a calculation lattice point, numerical diffusion does not arise and it can perform a numerical analysis with higher precision.

また、場の値設定部131は、計算格子点の各々について、当該計算格子点に到達する仮想粒子が逆追跡の終了位置において有する場の値を当該計算格子点に設定する。そして、場の値更新部132は、計算格子点の各々について、仮想粒子が逆追跡の終了位置から当該計算格子点に到達するのに要する滞留時間に応じて当該計算格子点における場の値を更新する。
これにより、場の値設定部131は、逆追跡の終了位置における場の値を計算格子点における場の値として設定するという簡単な処理によって対流項の評価を行うことができる。また、場の値更新部132は、例えば、仮想粒子が、当該仮想粒子の到達した計算格子点に上記の滞留時間だけ滞留した場合の場の値を算出するなど、簡単な処理によって拡散項の評価を行うことができる。
Further, the field value setting unit 131 sets, for each calculation grid point, the field value that the virtual particle that reaches the calculation grid point has at the end position of the reverse tracking in the calculation grid point. Then, the field value updating unit 132 calculates the field value at the calculation grid point for each calculation grid point according to the residence time required for the virtual particle to reach the calculation grid point from the end position of the reverse tracking. Update.
Thereby, the field value setting unit 131 can evaluate the convection term by a simple process of setting the field value at the end position of the reverse tracking as the field value at the calculation grid point. In addition, the field value update unit 132 calculates the field value when the virtual particle stays at the calculation lattice point reached by the virtual particle for the above-described residence time by a simple process, for example. Evaluation can be made.

<第2の実施形態>
図4は、本発明の第2の実施形態における解析装置の機能構成を示す概略ブロック図である。同図において、解析装置200は、前提条件取得部110と、逆追跡部220と、場の値取得部230と、解析結果出力部140とを具備する。場の値取得部230は、場の値算出部231と、収束判定部232とを具備する。なお、図4において、図1の各部に対応して同様の機能を有する部分には同一の符号(110、140)を付して説明を省略する。
<Second Embodiment>
FIG. 4 is a schematic block diagram showing a functional configuration of the analysis apparatus according to the second embodiment of the present invention. In the figure, the analysis apparatus 200 includes a precondition acquisition unit 110, a reverse tracking unit 220, a field value acquisition unit 230, and an analysis result output unit 140. The field value acquisition unit 230 includes a field value calculation unit 231 and a convergence determination unit 232. 4, parts having the same functions corresponding to the parts in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals (110, 140), and description thereof is omitted.

解析装置200は、解析装置100と同様、数値解析を行って移流拡散問題における場の値を求める。但し、解析装置200が行う具体的な処理は、解析装置100が行う処理と異なる。解析装置200は、例えばコンピュータにて構築される。あるいは、解析装置200が専用の回路にて構築されるなど、コンピュータ以外で構築されていてもよい。   Similar to the analysis device 100, the analysis device 200 performs numerical analysis to obtain a field value in the advection diffusion problem. However, the specific process performed by the analysis apparatus 200 is different from the process performed by the analysis apparatus 100. The analysis device 200 is constructed by a computer, for example. Alternatively, the analysis device 200 may be constructed by a circuit other than a computer, such as a dedicated circuit.

逆追跡部220は、解析対象の場に設定された計算格子における計算格子点の各々について、可変な場の値を有して当該計算格子点へ移流する仮想粒子の軌跡を、時刻を遡って追跡する。特に、逆追跡部220は、仮想粒子の軌跡の座標を求めるなど、仮想粒子の軌跡を具体的に求める。
逆追跡部220が行う処理は、逆追跡ステップにおける処理の一例に該当する。
For each of the calculation grid points in the calculation grid set in the analysis target field, the reverse tracking unit 220 traces the trajectory of the virtual particles having a variable field value and advancing to the calculation grid point back in time. Chase. In particular, the inverse tracking unit 220 specifically obtains the virtual particle trajectory, such as obtaining the coordinates of the virtual particle trajectory.
The process performed by the reverse tracking unit 220 corresponds to an example of a process in the reverse tracking step.

場の値取得部230は、場の値取得部130と同様、計算格子点の各々について、逆追跡の終了位置における場の値と、逆追跡の結果とに基づいて、拡散しながら逆追跡の終了位置から計算格子点へ到達した際に仮想粒子が有する場の値を、当該計算格子点における場の値として取得する。但し、場の値取得部230が行う具体的な処理は、場の値取得部130が行う処理と異なる。
場の値取得部230が行う処理は、場の値取得ステップにおける処理の一例に該当する。
Similar to the field value acquisition unit 130, the field value acquisition unit 230 performs reverse tracking while spreading based on the field value at the end position of the reverse tracking and the result of reverse tracking for each of the calculation grid points. The field value of the virtual particle when the calculation lattice point is reached from the end position is acquired as the field value at the calculation lattice point. However, the specific process performed by the field value acquisition unit 230 is different from the process performed by the field value acquisition unit 130.
The process performed by the field value acquisition unit 230 corresponds to an example of a process in the field value acquisition step.

場の値算出部231は、計算格子点の各々について、仮想粒子の軌跡に沿って拡散方程式を積分して、計算格子点の各々における場の値を算出する。場の値算出部231が行う処理は、場の値算出ステップにおける処理の一例に該当する。
収束判定部232は、場の値算出部231が算出した場の値が収束したか否かを判定する。場の値算出部231の算出した場の値が収束したと前記収束判定部232が判定するまで、場の値算出部231は場の値の算出を繰り返す。収束判定部232が行う処理は、収束判定ステップにおける処理の一例に該当する。
The field value calculation unit 231 integrates the diffusion equation along the trajectory of the virtual particle for each calculation lattice point, and calculates the field value at each calculation lattice point. The process performed by the field value calculation unit 231 corresponds to an example of a process in the field value calculation step.
The convergence determination unit 232 determines whether or not the field value calculated by the field value calculation unit 231 has converged. The field value calculation unit 231 repeats the calculation of the field value until the convergence determination unit 232 determines that the field value calculated by the field value calculation unit 231 has converged. The process performed by the convergence determination unit 232 corresponds to an example of a process in the convergence determination step.

次に、図5を参照して、解析装置200の動作について説明する。
なお、第1の実施形態では、仮想粒子の移流の際には拡散を考慮していない。このため、第1の実施形態では、移流時において仮想粒子のスカラー量は変化しない。これに対して、第2の実施形態では、仮想粒子の移流の際に拡散を考慮し、仮想粒子のスカラー量を変化させる。これに伴い、第2の実施形態では、計算格子点kのスカラー量をφ(t)と表記し、仮想粒子のスカラー量をφ(チルダ)(t)と表記して両者を区別する。
Next, the operation of the analysis apparatus 200 will be described with reference to FIG.
In the first embodiment, diffusion is not taken into account when advancing virtual particles. For this reason, in the first embodiment, the scalar amount of virtual particles does not change during advection. On the other hand, in the second embodiment, the scalar amount of the virtual particles is changed in consideration of diffusion when the virtual particles advect. Accordingly, in the second embodiment, the scalar quantity of the calculation lattice point k is expressed as φ k (t), and the scalar quantity of the virtual particle is expressed as φ (tilde) k (t) to distinguish between them. .

図5は、解析装置200が行う処理の手順を示すフローチャートである。図5のステップS201は、図3のステップS101と同様である。
ステップS201の後、逆追跡部220は、仮想粒子の軌跡を逆追跡して、当該軌跡を算出する(ステップS202)。より具体的には、逆追跡部220は、速度場に乗って計算格子点kへ移流する仮想粒子の軌跡x(t)を、式(1)を時刻方向逆向きに解くことによって求める。ここで、逆追跡部220が、スカラー量既知の領域へ到達するまで逆追跡を行うようにしてもよいが、これに限らず、ある程度長い時間(距離)にわたって仮想粒子を逆追跡すればよい。従って、解析装置200は、流入境界の与えられていない系(閉じた系)における場の解析や、死水領域における場の解析を行うこともできる。
FIG. 5 is a flowchart illustrating a procedure of processing performed by the analysis apparatus 200. Step S201 in FIG. 5 is the same as step S101 in FIG.
After step S201, the reverse tracking unit 220 reverse-tracks the trajectory of the virtual particle and calculates the trajectory (step S202). More specifically, the reverse tracking unit 220 obtains the trajectory x k (t) of the virtual particle that advects to the calculation lattice point k on the velocity field by solving Equation (1) in the reverse direction in the time direction. Here, the reverse tracking unit 220 may perform the reverse tracking until it reaches the area where the scalar quantity is known, but is not limited to this, and it is only necessary to reversely track the virtual particles over a relatively long time (distance). Therefore, the analysis apparatus 200 can also analyze a field in a system (closed system) without an inflow boundary or a field in a dead water region.

式(1)の解法として、同式を離散的に解くことが考えられる。その際、逆追跡部220が行う離散化スキームとして、オイラー陽解法、完全陰解法、クランクニコルソン法、ルンゲクッタ法、ルンゲクッタフェールベルグ法またはアダムスバッシュフォース法など様々なスキームを用いることができる。   As a method of solving the equation (1), it is conceivable to solve the equation discretely. At this time, various schemes such as Euler explicit method, complete implicit method, Crank Nicholson method, Runge-Kutta method, Runge-Kutta-Ferberg method or Adams Bash force method can be used as the discretization scheme performed by the inverse tracking unit 220.

また、速度uが離散的に定義されている場合、近傍の速度定義点からの速度uの内挿値を用いることが考えられる。その際、逆追跡部220が行う内挿スキームとして、一次精度内挿、バイリニア内挿、トリリニア内挿、二次精度内挿または三次精度内挿など様々なスキームを用いることができる。
逆追跡部220は、各計算格子点について上記の逆追跡を行う。
Further, when the speed u is defined discretely, it is conceivable to use an interpolation value of the speed u from a nearby speed definition point. At that time, various schemes such as primary accuracy interpolation, bilinear interpolation, trilinear interpolation, secondary accuracy interpolation, or cubic accuracy interpolation can be used as the interpolation scheme performed by the inverse tracking unit 220.
The reverse tracking unit 220 performs the reverse tracking described above for each calculation grid point.

なお、計算誤差により得られる軌跡が非現実的な軌跡となる場合、逆追跡部220が、それを防ぐ手段(例えば速度場の補正)を講じるようにしてもよい。例えば数値誤差の影響により、仮想粒子が、速度条件をノンスリップとする境界(壁面)に達した場合に、逆追跡部220が、逆追跡に用いる速度の補正を行って、仮想粒子の停止を回避するようにしてもよい。   In addition, when the locus | trajectory obtained by a calculation error turns into an unrealistic locus | trajectory, you may make it the reverse tracking part 220 take a means (for example, correction | amendment of a speed field) which prevents it. For example, when the virtual particle reaches the boundary (wall surface) where the velocity condition is non-slip due to the influence of numerical error, the reverse tracking unit 220 corrects the velocity used for the reverse tracking to avoid stopping the virtual particle. You may make it do.

次に、場の値算出部231は、軌跡と拡散方程式に基づいて、スカラー場を算出する(ステップS203)。以下、場の値算出部231が行うスカラー場の算出について、より詳細に説明する。
まず、場の値設定部131(図1)と同様、場の値算出部231も、拡散を考慮しない場合のスカラー分布を、スカラー分布算出の初期値として求める。但し、場の値算出部231は、拡散を考慮しない場合のスカラー分布に限らず様々なスカラー分布を、スカラー分布算出の初期値とし得る。以下に説明するように、場の値算出部231は、スカラー場の算出を算出結果が収束するまで繰り返すからである。一方、場の値設定部231が、拡散を考慮しない場合のスカラー分布を初期値とすることで、計算が収束するまでの反復回数を削減でき、処理時間および処理負荷を低減させ得る。
次に、第1の実施形態の場合と異なり、場の値算出部231は、式(3)に示される拡散方程式を離散的に解く。
Next, the field value calculation unit 231 calculates a scalar field based on the trajectory and the diffusion equation (step S203). Hereinafter, the calculation of the scalar field performed by the field value calculation unit 231 will be described in more detail.
First, similarly to the field value setting unit 131 (FIG. 1), the field value calculation unit 231 also obtains a scalar distribution when diffusion is not considered as an initial value for scalar distribution calculation. However, the field value calculation unit 231 can use various scalar distributions as initial values for the scalar distribution calculation without being limited to the scalar distribution when diffusion is not considered. This is because, as will be described below, the field value calculation unit 231 repeats the calculation of the scalar field until the calculation result converges. On the other hand, the field value setting unit 231 uses the scalar distribution when diffusion is not considered as an initial value, whereby the number of iterations until the calculation converges can be reduced, and the processing time and processing load can be reduced.
Next, unlike the case of the first embodiment, the field value calculation unit 231 discretely solves the diffusion equation represented by Equation (3).

但し、tは時刻を示す。また、Dは拡散係数を示し、▽はラプラシアン演算子を示し、φはスカラー場を示し、sは生成項を示す。
具体的には、場の値算出部231は、t=tからt=tまで式(3)を積分して、拡散しながら計算格子点kに到達した仮想粒子のスカラー量φ(チルダ)(t)を求め、式(4)により、計算格子点kのスカラー量φ(t)を求める。
However, t shows time. D represents a diffusion coefficient, 、 2 represents a Laplacian operator, φ represents a scalar field, and s represents a generation term.
Specifically, the field value calculation unit 231 integrates the equation (3) from t = t M to t = t 0 and diffuses the scalar amount φ (tilde of the virtual particle that reaches the calculation lattice point k while diffusing. ) k (t 0 ) is obtained, and the scalar quantity φ k (t 0 ) of the calculation lattice point k is obtained by the equation (4).

但し、tは、仮想粒子が、逆追跡開始位置である計算格子点kに到達する時刻を示す。また、tは、当該仮想粒子が逆追跡終了位置を出発する時刻を示す。ここで、軌跡に含まれる様々な位置を、逆追跡終了位置とすることができる。例えば、仮想粒子が流入境界などスカラー量既知の領域を出発する位置を逆追跡終了位置としてもよい。あるいは、スカラー量既知の領域と計算格子点kとの間の、軌跡上の1点を、逆追跡終了位置としてもよい。 However, t 0 is a virtual particles, indicates the time to reach the calculation lattice point k is the inverse tracking start position. T M indicates the time at which the virtual particle leaves the reverse tracking end position. Here, various positions included in the trajectory can be set as reverse tracking end positions. For example, the position where the virtual particle departs from the area of known scalar quantity such as the inflow boundary may be set as the reverse tracking end position. Alternatively, one point on the trajectory between the area where the scalar quantity is known and the calculation grid point k may be set as the reverse tracking end position.

式(3)を積分する際、場の値算出部231が行う、時刻に関する離散化スキームとして、オイラー陽解法、完全陰解法、クランクニコルソン法、ルンゲクッタ法、ルンゲクッタフェールベルグ法またはアダムスバッシュフォース法など様々なスキームを用いることができる。
このとき、逆追跡終了位置x(t)におけるスカラー量が境界条件等によって与えられている場合は、これを仮想粒子のスカラー量の初期条件φ(チルダ)(t)として代入する。一方、逆追跡終了位置x(t)におけるスカラー量が与えられていない場合は、近傍の計算格子点から内挿する。その際、場の値算出部231が行う内挿スキームとして、一次精度内挿、バイリニア内挿、トリリニア内挿、二次精度内挿または三次精度内挿など様々なスキームを用いることができる。
As the discretization scheme related to time performed by the field value calculation unit 231 when integrating the expression (3), various methods such as the Euler explicit method, the complete implicit method, the Crank Nicholson method, the Runge-Kutta method, the Runge-Kutta-Ferberg method, and the Adams Bash force method are used. Schemes can be used.
At this time, if the scalar quantity at the reverse tracking end position x k (t M ) is given by the boundary condition or the like, this is substituted as the initial condition φ (tilde) k (t M ) of the scalar quantity of the virtual particle. . On the other hand, when the scalar quantity at the reverse tracking end position x k (t M ) is not given, interpolation is performed from a nearby calculation grid point. At this time, various schemes such as first-order accuracy interpolation, bilinear interpolation, trilinear interpolation, second-order accuracy interpolation, or third-order accuracy interpolation can be used as the interpolation scheme performed by the field value calculation unit 231.

また、ラプラシアンに関しては、中心位置のスカラー量として軌跡上の値を用い、近傍のスカラー分布として計算格子点のスカラー量を用いる。場の値算出部231が行うラプラシアンの離散化スキームとして、各種ラプラシアンモデル、二次精度中央差分法、四次精度中央差分法など様々なスキームを用いることができる。例えば、二次精度中央差分法を適用した場合、式(5)のようになる。   For Laplacian, the value on the locus is used as the scalar quantity at the center position, and the scalar quantity at the calculation grid point is used as the scalar distribution in the vicinity. As a Laplacian discretization scheme performed by the field value calculation unit 231, various schemes such as various Laplacian models, a secondary accuracy central difference method, and a fourth accuracy central difference method can be used. For example, when the secondary accuracy central difference method is applied, the equation (5) is obtained.

但し、e、e、eは、それぞれ、x方向、y方向、z方向の単位ベクトル(基底ベクトル)を示す。
また、δx、δy、δzは、それぞれ、差分法における中心位置と近傍との幅を示す。δx、δy、δzのいずれも、計算格子点間距離と同じかそれよりも大きい値に設定する。ラプラシアンの過大評価を防止するためである。
Here, e x , e y , and e z represent unit vectors (base vectors) in the x direction, the y direction, and the z direction, respectively.
Further, δx, δy, and δz respectively indicate the width between the center position and the vicinity in the difference method. All of δx, δy, and δz are set to a value equal to or greater than the distance between the calculation grid points. This is to prevent overestimation of Laplacian.

また、φ(バー)(t,x)は、位置xへの計算格子点からのスカラー量の内挿を示す。その際、場の値算出部231が行う内挿スキームとして、一次精度内挿、バイリニア内挿、トリリニア内挿、二次精度内挿または三次精度内挿など様々なスキームを用いることができる。但し、解析精度の観点から空間精度二次以上の内挿スキームを用いることが好ましい。   Φ (bar) (t, x) indicates the interpolation of the scalar quantity from the calculation grid point to the position x. At this time, various schemes such as first-order accuracy interpolation, bilinear interpolation, trilinear interpolation, second-order accuracy interpolation, or third-order accuracy interpolation can be used as the interpolation scheme performed by the field value calculation unit 231. However, from the viewpoint of analysis accuracy, it is preferable to use an interpolation scheme of spatial accuracy second order or higher.

図6は、場の値算出部231が行うスカラー量算出の例を示す説明図である。同図において、点P21は、仮想粒子が到達する計算格子点を示し、線L21は、仮想粒子の軌跡を示している。
場の値算出部231は、軌跡(線L21)上の点P22を差分法における中心位置とし、点P23などの近傍の点のスカラー量を、図に示すように周囲の計算格子点からの内挿にて求める。そして、場の値算出部231は、得られた近傍の点のスカラー量を式(5)に代入する。
このように、場の値算出部231は、軌跡上の点と周囲とのスカラー量の差に基づいて、拡散による仮想粒子のスカラー量の変化を求める。これを軌跡に沿って積分することで、逆追跡の終了位置におけるスカラー量からの変位にて、仮想粒子が到達した計算格子点(点P21)のスカラー量を求めることができる。
場の値算出部231は、各計算格子点について式(3)を解いてスカラー場を求める。
FIG. 6 is an explanatory diagram illustrating an example of scalar amount calculation performed by the field value calculation unit 231. In the figure, a point P21 indicates a calculation lattice point at which the virtual particle reaches, and a line L21 indicates a locus of the virtual particle.
The field value calculation unit 231 uses the point P22 on the locus (line L21) as the center position in the difference method, and calculates the scalar amount of a nearby point such as the point P23 from the surrounding calculation grid points as shown in the figure. Calculate by insertion. Then, the field value calculation unit 231 substitutes the scalar quantity of the obtained nearby points into Expression (5).
In this way, the field value calculation unit 231 obtains a change in the scalar amount of the virtual particles due to diffusion based on the difference in scalar amount between the point on the trajectory and the surroundings. By integrating this along the trajectory, the scalar quantity of the calculation lattice point (point P21) at which the virtual particle has reached can be obtained by the displacement from the scalar quantity at the end position of the reverse tracking.
The field value calculation unit 231 obtains a scalar field by solving Equation (3) for each calculation grid point.

ステップS203の後、収束判定部232は、場の値算出部231の求めたスカラー場が収束したか否かを判定する(ステップS204)。具体的には、収束判定部232は、場の値算出部231が新たに求めたスカラー場と、場の値算出部231が前回求めたスカラー場との差の大きさを算出し、差の大きさが所定の閾値以下の場合に収束したと判定し、閾値より大きい場合には収束していないと判定する。
なお、場の値算出部231が新たに求めたスカラー場と、場の値算出部231が前回求めたスカラー場との差の大きさとして、収束判定部232は、スカラー場の変化の大きさを示す様々な値を用いることができる。例えば、収束判定部232が、計算格子点毎のスカラー量の変化の絶対値を全計算格子点について足し合わせた値を用いるようにしてもよい。あるいは、収束判定部232が、計算格子点毎のスカラー量の変化の二乗平均平方根を用いるようにしてもよい。
なお、場の値算出部231が最初にスカラー場を求めた場合、収束判定部232は、場の値算出部231の求めたスカラー場が収束していないと判定する。
After step S203, the convergence determination unit 232 determines whether the scalar field obtained by the field value calculation unit 231 has converged (step S204). Specifically, the convergence determination unit 232 calculates the magnitude of the difference between the scalar field newly obtained by the field value calculation unit 231 and the scalar field obtained by the field value calculation unit 231 last time. When the magnitude is less than or equal to a predetermined threshold value, it is determined that it has converged.
The convergence determination unit 232 determines the magnitude of the change in the scalar field as the magnitude of the difference between the scalar field newly calculated by the field value calculation unit 231 and the scalar field previously calculated by the field value calculation unit 231. Various values indicating can be used. For example, the convergence determination unit 232 may use a value obtained by adding the absolute value of the change in the scalar amount for each calculation grid point for all the calculation grid points. Alternatively, the convergence determination unit 232 may use the root mean square of the change in scalar quantity for each calculation grid point.
When the field value calculation unit 231 first obtains a scalar field, the convergence determination unit 232 determines that the scalar field obtained by the field value calculation unit 231 has not converged.

ステップS204において、場の値算出部231の求めたスカラー場が収束していないと判定した場合(ステップS204:NO)、ステップS203へ戻る。
この場合、ステップS203において、場の値算出部231は、ステップS203における前回の処理で得られたスカラー場を用いて各計算格子点について式(3)を解き直す。これにより、場の値算出部231は、スカラー場(各計算格子点のスカラー量)を更新する。以下、場の値算出部231の求めたスカラー場が収束したと収束判定部232が判定するまで、すなわち、スカラー場の変化が充分小さくなるまで、場の値算出部231は、得られたスカラー場を用いて各計算格子点について式(3)を解き直す処理を繰り返す。
If it is determined in step S204 that the scalar field obtained by the field value calculation unit 231 has not converged (step S204: NO), the process returns to step S203.
In this case, in step S203, the field value calculation unit 231 solves Equation (3) for each calculation grid point using the scalar field obtained in the previous process in step S203. Thereby, the field value calculation unit 231 updates the scalar field (scalar amount of each calculation grid point). Hereinafter, until the convergence determination unit 232 determines that the scalar field obtained by the field value calculation unit 231 has converged, that is, until the change in the scalar field becomes sufficiently small, the field value calculation unit 231 determines the obtained scalar field. The process of resolving Equation (3) for each calculation grid point using the field is repeated.

一方、ステップS204において、場の値算出部231の求めたスカラー場が収束したと判定した場合(ステップS204:YES)、ステップS205へ進む。
ステップS205は、図3のステップS104と同様である。その後、図5の処理を終了する。
On the other hand, if it is determined in step S204 that the scalar field obtained by the field value calculation unit 231 has converged (step S204: YES), the process proceeds to step S205.
Step S205 is the same as step S104 in FIG. Thereafter, the process of FIG.

以上のように、逆追跡部220は、計算格子点へ移流する仮想粒子の軌跡を逆追跡し、場の値取得部230は、拡散しながら逆追跡の終了位置から計算格子点へ到達した際に仮想粒子が有する場の値を、当該計算格子点における場の値として取得する。
これにより、解析装置200では、仮想粒子が有する場の値を計算格子点に内挿する必要が無いので数値拡散が生じにくく、より高精度に数値解析を行うことができる。
As described above, the reverse tracking unit 220 backtracks the trajectory of the virtual particle that advects to the calculation grid point, and the field value acquisition unit 230 reaches the calculation grid point from the end position of the reverse tracking while diffusing. The field value of the virtual particle is obtained as the field value at the calculation lattice point.
Thereby, in the analysis apparatus 200, since it is not necessary to interpolate the field value of the virtual particle into the calculation lattice point, numerical diffusion is less likely to occur, and numerical analysis can be performed with higher accuracy.

また、場の値算出部231は、計算格子点の各々について、仮想粒子の軌跡に沿って拡散方程式を積分して、計算格子点の各々における場の値を算出する。
場の値算出部231は、仮想粒子の軌跡における拡散を、軌跡の周囲の場の値に応じて算出する点で、より正確に拡散項を評価し得る。
また、収束判定部232は、場の値算出部231の算出した場の値が収束したか否かを判定し、収束したと判定するまで、場の値算出部231は、場の値の算出を繰り返す。
これにより、場の値算出部231は、拡散の影響を充分に反映させた場の値に基づいて拡散項を評価することができ、この点において、より正確に拡散項を評価し得る。
Further, the field value calculation unit 231 integrates the diffusion equation along the trajectory of the virtual particle for each calculation grid point, and calculates the field value at each calculation grid point.
The field value calculation unit 231 can more accurately evaluate the diffusion term in that the diffusion of the virtual particle trajectory is calculated according to the field value around the trajectory.
Further, the convergence determination unit 232 determines whether or not the field value calculated by the field value calculation unit 231 has converged, and the field value calculation unit 231 calculates the field value until it is determined that the field value has converged. repeat.
Thus, the field value calculation unit 231 can evaluate the diffusion term based on the field value that sufficiently reflects the influence of diffusion, and can more accurately evaluate the diffusion term in this respect.

なお、解析装置100の場合と同様、解析装置200は、定常的なスカラー場と非定常なスカラー場とのいずれも解析することができる。非定常なスカラー場を解析する場合、解析装置200は、式(4)を参照して説明したように、時刻tにおけるスカラー量の分布を求める。 As in the case of the analysis apparatus 100, the analysis apparatus 200 can analyze both a stationary scalar field and an unsteady scalar field. When analyzing an unsteady scalar field, the analysis apparatus 200 obtains the distribution of the scalar quantity at the time t 0 as described with reference to the equation (4).

<第3の実施形態>
図7は、本発明の第3の実施形態における解析装置の機能構成を示す概略ブロック図である。同図において、解析装置300は、前提条件取得部110と、逆追跡部220と、場の値取得部330と、解析結果出力部140とを具備する。場の値取得部330は、方程式取得部331と、解析実行部332とを具備する。なお、図7において、図4の各部に対応して同様の機能を有する部分には同一の符号(110、220、140)を付して説明を省略する。
<Third Embodiment>
FIG. 7 is a schematic block diagram showing a functional configuration of the analysis apparatus according to the third embodiment of the present invention. In the figure, the analysis apparatus 300 includes a precondition acquisition unit 110, a reverse tracking unit 220, a field value acquisition unit 330, and an analysis result output unit 140. The field value acquisition unit 330 includes an equation acquisition unit 331 and an analysis execution unit 332. In FIG. 7, parts having the same functions corresponding to the parts in FIG. 4 are denoted by the same reference numerals (110, 220, 140), and description thereof is omitted.

解析装置300は、解析装置100や200と同様、数値解析を行って移流拡散問題における場の値を求める。但し、解析装置300が行う具体的な処理は、解析装置100や200が行う処理と異なる。解析装置300は、例えばコンピュータにて構築される。あるいは、解析装置300が専用の回路にて構築されるなど、コンピュータ以外で構築されていてもよい。   Similarly to the analysis devices 100 and 200, the analysis device 300 performs numerical analysis to obtain a field value in the advection diffusion problem. However, the specific processing performed by the analysis device 300 is different from the processing performed by the analysis devices 100 and 200. The analysis apparatus 300 is constructed by a computer, for example. Alternatively, the analysis apparatus 300 may be constructed by a circuit other than a computer, such as a dedicated circuit.

場の値取得部330は、場の値取得部130や230と同様、計算格子点の各々について、逆追跡の終了位置における場の値と、逆追跡の結果とに基づいて、拡散しながら逆追跡の終了位置から計算格子点へ到達した際に仮想粒子が有する場の値を、当該計算格子点における場の値として取得する。より具体的には、場の値取得部330は、計算格子点の各々についての仮想粒子の軌跡と拡散方程式とに基づいて得られる連立方程式から、計算格子点の各々における場の値を取得する。
場の値取得部330が行う処理は、場の値取得ステップにおける処理の一例に該当する。
Similarly to the field value acquisition units 130 and 230, the field value acquisition unit 330 performs inverse diffusion while diffusing based on the field value at the end position of reverse tracking and the result of reverse tracking for each of the calculation lattice points. The field value of the virtual particle when it reaches the calculation grid point from the tracking end position is acquired as the field value at the calculation grid point. More specifically, the field value acquisition unit 330 acquires the field value at each of the calculation lattice points from simultaneous equations obtained based on the locus of the virtual particles and the diffusion equation for each of the calculation lattice points. .
The process performed by the field value acquisition unit 330 corresponds to an example of a process in the field value acquisition step.

方程式取得部331は、計算格子点の各々についての仮想粒子の軌跡と拡散方程式とに基づいて連立方程式を取得する。
解析実行部332は、方程式取得部331が取得した連立方程式から、計算格子点の各々における場の値を取得する。
The equation acquisition unit 331 acquires simultaneous equations based on the virtual particle trajectory and the diffusion equation for each of the calculation lattice points.
The analysis execution unit 332 acquires the field value at each of the calculation lattice points from the simultaneous equations acquired by the equation acquisition unit 331.

次に、図8を参照して、解析装置300の動作について説明する。
以下、第2の実施形態の場合と同様、φ(t)は、計算格子点kのスカラー量を示し、φ(チルダ)(t)は、仮想粒子のスカラー量を示す。その他、定義を示さずに用いる変数も、第1の実施形態または第2の実施形態の場合と同様である。
Next, the operation of the analysis apparatus 300 will be described with reference to FIG.
Hereinafter, as in the case of the second embodiment, φ k (t) indicates the scalar amount of the calculation lattice point k, and φ (tilde) k (t) indicates the scalar amount of the virtual particle. Other variables used without showing the definition are the same as those in the first embodiment or the second embodiment.

以下では、まず、解析装置300が非定常な場の解析を行う場合について説明し、次に、解析装置300が定常的な場の解析を行う場合について説明する。
第3の実施形態においても、第2の実施形態の場合と同様、解析対象となる空間に速度場およびスカラー場が形成されており、スカラー場を構成するスカラー量が速度場に乗って移流しながら拡散する場合にスカラー量の分布を求める問題を考える。但し、ここでは、スカラー場が非定常である場合に、新たな時刻におけるスカラー量の分布を求める。
Below, the case where the analysis apparatus 300 performs analysis of an unsteady field will be described first, and then the case where the analysis apparatus 300 performs analysis of a steady field will be described.
Also in the third embodiment, as in the case of the second embodiment, the velocity field and the scalar field are formed in the space to be analyzed, and the scalar quantity constituting the scalar field is advected on the velocity field. Consider the problem of finding the distribution of scalar quantities when diffusing. However, here, when the scalar field is non-stationary, the distribution of the scalar quantity at a new time is obtained.

第3の実施形態においても、第2の実施形態の場合と同様、解析対象となる空間に総計算格子点数Nの計算格子を設定し、計算格子点の各々におけるスカラー量を求める。なお、計算格子点を番号k(0≦k≦N−1)にて識別する。
また、第3の実施形態においても、第2の実施形態の場合と同様、軌跡上における仮想粒子の拡散を考慮してスカラー場を求める。
一方、第3の実施形態では、各計算格子点について式(3)を解いてスカラー場を更新する処理ループを不要として処理時間を削減する。
Also in the third embodiment, as in the case of the second embodiment, a calculation grid having the total number of calculation grid points N is set in the space to be analyzed, and the scalar quantity at each of the calculation grid points is obtained. The calculation grid points are identified by the number k (0 ≦ k ≦ N−1).
Also in the third embodiment, as in the case of the second embodiment, a scalar field is obtained in consideration of the diffusion of virtual particles on the trajectory.
On the other hand, in the third embodiment, a processing loop for updating the scalar field by solving Equation (3) for each calculation grid point is unnecessary, and the processing time is reduced.

図8は、解析装置300が行う処理の手順を示すフローチャートである。図8のステップS301およびS302は、図5のステップS201およびS202と同様である。第3の実施形態においても、第2の実施形態の場合と同様、逆追跡部220は、速度場に乗って計算格子点kへ移流する仮想粒子の軌跡x(t)を、式(1)を時刻方向逆向きに解くことによって求める。第3の実施形態においても、逆追跡部220は、ある程度長い時間(距離)にわたって仮想粒子を逆追跡すればよい。従って、解析装置300は、流入境界の与えられていない系(閉じた系)における場の解析や、死水領域における場の解析を行うこともできる。 FIG. 8 is a flowchart showing a procedure of processing performed by the analysis apparatus 300. Steps S301 and S302 in FIG. 8 are the same as steps S201 and S202 in FIG. Also in the third embodiment, as in the case of the second embodiment, the reverse tracking unit 220 calculates the trajectory x k (t) of the virtual particle that advects to the calculation lattice point k on the velocity field by the equation (1). ) Is solved in the opposite time direction. Also in the third embodiment, the reverse tracking unit 220 only needs to reverse-track virtual particles over a relatively long time (distance). Therefore, the analysis apparatus 300 can also analyze a field in a system (closed system) without an inflow boundary or a field in a dead water region.

式(1)の解法として、同式を離散的に解くことが考えられる。その際、逆追跡部220が行う離散化スキームとして、オイラー陽解法、完全陰解法、クランクニコルソン法、ルンゲクッタ法、ルンゲクッタフェールベルグ法またはアダムスバッシュフォース法など様々なスキームを用いることができる。   As a method of solving the equation (1), it is conceivable to solve the equation discretely. At this time, various schemes such as Euler explicit method, complete implicit method, Crank Nicholson method, Runge-Kutta method, Runge-Kutta-Ferberg method or Adams Bash force method can be used as the discretization scheme performed by the inverse tracking unit 220.

また、速度uが離散的に定義されている場合、近傍の速度定義点からの速度uの内挿値を用いることが考えられる。その際、逆追跡部220が行う内挿スキームとして、一次精度内挿、バイリニア内挿、トリリニア内挿、二次精度内挿または三次精度内挿など様々なスキームを用いることができる。
逆追跡部220は、各計算格子点について上記の逆追跡を行う。
Further, when the speed u is defined discretely, it is conceivable to use an interpolation value of the speed u from a nearby speed definition point. At that time, various schemes such as primary accuracy interpolation, bilinear interpolation, trilinear interpolation, secondary accuracy interpolation, or cubic accuracy interpolation can be used as the interpolation scheme performed by the inverse tracking unit 220.
The reverse tracking unit 220 performs the reverse tracking described above for each calculation grid point.

なお、計算誤差により得られる軌跡が非現実的な軌跡となる場合、逆追跡部220が、それを防ぐ手段(例えば速度場の補正)を講じるようにしてもよい。例えば数値誤差の影響により、仮想粒子が、速度条件をノンスリップとする境界(壁面)に達した場合に、逆追跡部220が、逆追跡に用いる速度の補正を行って、仮想粒子の停止を回避するようにしてもよい。   In addition, when the locus | trajectory obtained by a calculation error turns into an unrealistic locus | trajectory, you may make it the reverse tracking part 220 take a means (for example, correction | amendment of a speed field) which prevents it. For example, when the virtual particle reaches the boundary (wall surface) where the velocity condition is non-slip due to the influence of numerical error, the reverse tracking unit 220 corrects the velocity used for the reverse tracking to avoid stopping the virtual particle. You may make it do.

ステップS302の後、方程式取得部331は、各計算格子点のスカラー量に関する連立方程式を示す係数行列等を算出することで、当該連立方程式を取得する(ステップS303)。そして、解析実行部332は、方程式取得部331が取得した連立方程式を数値的に解くことで、解析を実行してスカラー場を求める(ステップS304)。以下、方程式取得部331および解析実行部332が行う処理について、より詳細に説明する。   After step S302, the equation acquisition unit 331 acquires the simultaneous equations by calculating a coefficient matrix or the like indicating the simultaneous equations related to the scalar amount of each calculation grid point (step S303). Then, the analysis execution unit 332 numerically solves the simultaneous equations acquired by the equation acquisition unit 331, thereby executing analysis and obtaining a scalar field (step S304). Hereinafter, the processing performed by the equation acquisition unit 331 and the analysis execution unit 332 will be described in more detail.

第3の実施形態においても、第2の実施形態の場合と同様、式(3)に示される拡散方程式を離散的に解く。但し、第2の実施形態では、仮想粒子の軌跡に沿って拡散方程式を積分したのに対し、第3の実施形態では、拡散方程式から、各計算格子点のスカラー量に関する連立方程式を示す係数行列等を取得し、当該連立方程式を解く。まず、方程式取得部331が取得する連立方程式について説明する。   Also in the third embodiment, as in the case of the second embodiment, the diffusion equation shown in Expression (3) is solved discretely. However, in the second embodiment, the diffusion equation is integrated along the trajectory of the virtual particle, whereas in the third embodiment, the coefficient matrix indicating the simultaneous equations related to the scalar quantities of the respective calculation lattice points from the diffusion equation. Etc. and solve the simultaneous equations. First, the simultaneous equations acquired by the equation acquisition unit 331 will be described.

第2の実施形態で説明したように、式(3)を積分する際、時刻に関する離散化スキームとして、オイラー陽解法、完全陰解法、クランクニコルソン法、ルンゲクッタ法、ルンゲクッタフェールベルグ法またはアダムスバッシュフォース法など様々なスキームを用いることができる。例えば、完全陰解法を適用した場合、式(6)のようになる。   As described in the second embodiment, when integrating Equation (3), as a discretization scheme related to time, Euler explicit method, complete implicit method, Crank Nicholson method, Runge-Kutta method, Runge-Kutta-Ferberg method or Adams Bash force method Various schemes can be used. For example, when the complete implicit method is applied, the equation (6) is obtained.

但し、δtは時間に関する離散化における時間幅を示す。また、φはスカラー場を示す。
また、第2の実施形態の場合と同様、ラプラシアンに関しては、中心位置のスカラー量として軌跡上の値を用い、近傍のスカラー分布として計算格子点のスカラー量を用いる。ラプラシアンの離散化スキームとして、各種ラプラシアンモデル、二次精度中央差分法、四次精度中央差分法など様々なスキームを用いることができる。例えば、二次精度中央差分法を適用した場合、式(5)のようになる。
However, δt indicates a time width in discretization with respect to time. Φ indicates a scalar field.
Similarly to the case of the second embodiment, for the Laplacian, the value on the locus is used as the scalar quantity at the center position, and the scalar quantity at the calculation grid point is used as the nearby scalar distribution. As a Laplacian discretization scheme, various schemes such as various Laplacian models, a second-order accurate central difference method, and a fourth-order accurate central difference method can be used. For example, when the secondary accuracy central difference method is applied, the equation (5) is obtained.

ここで、任意の内挿値φ(バー)(t,x)が、式(7)に示されるように計算格子点上のスカラー量φの線形結合で与えられるとする。   Here, it is assumed that an arbitrary interpolated value φ (bar) (t, x) is given by a linear combination of scalar quantities φ on calculation grid points as shown in equation (7).

但し、w(x)は、位置xに応じて計算格子点n毎に設定される重み係数を示す。
すると、式(5)は、式(8)に示すように離散化される。
However, w n (x) indicates a weighting coefficient set for each calculation grid point n according to the position x.
Then, equation (5) is discretized as shown in equation (8).

但し、W k,tは、式(9)に示される。 However, W n k, t is shown in Equation (9).

式(8)を式(6)に代入して整理すると、式(10)のようになる。   Substituting equation (8) into equation (6) and rearranging results in equation (10).

但し、ak,tは、式(11)のように示される。 However, a k, t is expressed as in equation (11).

また、W’ k,tは、式(12)のように示される。 Further, W ′ n k, t is expressed as in Expression (12).

また、δsk,tは、式(13)のように示される。 Also, δs k, t is expressed as in equation (13).

仮想粒子が計算格子点kに到達する時刻をtとすると、式(14)が成立する。 When the time at which the virtual particle reaches the calculation lattice point k is t 0 , Equation (14) is established.

また、式(10)に、t→t、および、δt→t−t(t−t>0)を代入すると、式(14)より式(15)のようになる。 Further, when t → t 0 and δt → t 0 -t 1 (t 0 -t 1 > 0) are substituted into the expression (10), the expression (15) is obtained from the expression (14).

更に、時刻t(t<t)を導入し、φ(チルダ)(t)に対して、同様の展開を施すと、式(16)のようになる。 Further, when the time t 2 (t 2 <t 1 ) is introduced and the same development is applied to φ (tilde) k (t 1 ), the following expression (16) is obtained.

同様の展開を、仮想粒子が逆追跡終了位置を出発する時刻tまで繰り返して、式(17)を得る。 A similar development is repeated until time t M when the virtual particle leaves the reverse tracking end position to obtain Equation (17).

φ(チルダ)(t)の値が未知の場合、式(17)を式(18)のように近似することが考えられる。 When the value of φ (tilde) k (t M ) is unknown, it is conceivable to approximate equation (17) as equation (18).

式(19)の値が十分に小さいと仮定すれば、式(18)の近似は妥当である。t−tの値が大きいほど、すなわち逆追跡の時間が長いほど(従って、逆追跡の距離が長いほど)、式(19)の値が小さくなる。 Assuming that the value of equation (19) is sufficiently small, the approximation of equation (18) is reasonable. The larger the value of t 0 -t M , that is, the longer the reverse tracking time is (ie, the longer the reverse tracking distance), the smaller the value of Equation (19).

一方、φ(チルダ)(t)の値が境界条件等により既知の場合は、単純に式(17)に値を代入すればよい。
式(17)または式(18)を全ての計算格子点k(0≦k≦N−1)について考えると、計算格子点のスカラー量φ(t)に関するN元連立一次方程式を得られる。
さらに、計算格子点のスカラー量φ(t)を成分に持つベクトルΦを式(20)のように定義する。
On the other hand, if the value of φ (tilde) k (t M ) is known from the boundary condition or the like, the value may be simply substituted into equation (17).
When Equation (17) or Equation (18) is considered for all calculation lattice points k (0 ≦ k ≦ N−1), an N- ary simultaneous linear equation relating to the scalar quantity φ k (t) of the calculation lattice points can be obtained.
Further, a vector Φ having a scalar quantity φ k (t 0 ) of the calculation grid point as a component is defined as in Expression (20).

但し、Tはベクトルないし行列の転置を示す。
式(17)または式(18)に基づいて得られたN元連立一次方程式は、Φを用いて式(21)のように表すことができる。
However, T shows transposition of a vector or a matrix.
The N-ary simultaneous linear equations obtained based on the equation (17) or the equation (18) can be expressed as the equation (21) using Φ.

但し、Aは、式(22)に示される成分を有するN次正方行列である。   However, A is an N-order square matrix having the component shown in Expression (22).

また、bはN次元ベクトルを示す。
φ(チルダ)(t)の値が既知の場合、従って式(17)に基づく場合、bの成分は式(23)のようになる。
B represents an N-dimensional vector.
If the value of φ (tilde) k (t M ) is known, and therefore based on equation (17), the component of b is as in equation (23).

一方、φ(チルダ)(t)の値が未知の場合、従って式(18)に基づく場合、bの成分は式(24)のようになる。 On the other hand, if the value of φ (tilde) k (t M ) is unknown, and therefore based on equation (18), the component of b is as in equation (24).

方程式取得部331は、式(21)における係数行列Aおよびベクトルbを求めることで、式(21)に示される連立方程式を取得する。具体的には、方程式取得部331は、式(22)〜式(24)に基づいて、係数行列Aやベクトルbの各要素を求める。   The equation acquisition unit 331 acquires the simultaneous equations shown in the equation (21) by obtaining the coefficient matrix A and the vector b in the equation (21). Specifically, the equation acquisition unit 331 calculates each element of the coefficient matrix A and the vector b based on the equations (22) to (24).

Φ(t):[t,t]が既知であれば、SOR法(Successive Over-relaxation Method)またはBiCGStab法(Biconjugate Gradient Stabilized Method)など公知の解法を用いて、新しい(未だ算出していない)時刻tにおける全ての計算格子点のスカラー量Φが求まる。但し、Φ(t)は、時刻tにおけるスカラー場を示す。
そこで、解析実行部332は、方程式取得部331が求めた連立方程式と、取得済みのスカラー量Φ(t)とに基づいて、新しい時刻tにおけるスカラー場(全ての計算格子点のスカラー量)を求める。
If Φ (t): [t M , t 1 ] is known, it is new (still calculated) using a known solution such as the SOR method (Successive Over-relaxation Method) or the BiCGStab method (Biconjugate Gradient Stabilized Method). No) The scalar quantity Φ of all the calculation lattice points at time t 0 is obtained. However, (PHI) (t) shows the scalar field in the time t.
Therefore, the analysis execution unit 332 determines a scalar field (scalar amounts of all calculation lattice points) at the new time t 0 based on the simultaneous equations obtained by the equation acquisition unit 331 and the acquired scalar amount Φ (t). Ask for.

ステップS304の後、ステップS305へ進む。ステップS305は、図5のステップS205と同様である。
その後、図8の処理を終了する。
After step S304, the process proceeds to step S305. Step S305 is the same as step S205 in FIG.
Thereafter, the process of FIG.

次に、スカラー場が定常の場合について説明する。
第2の実施形態の場合と同様、解析対象となる空間に速度場およびスカラー場が形成されており、スカラー場を構成するスカラー量が速度場に乗って移流しながら拡散する場合に、定常状態となったスカラー量の分布を求める問題を考える。
なお、以下では、計算格子点kのスカラー量をφと表記する。
Next, the case where the scalar field is stationary will be described.
As in the case of the second embodiment, the velocity field and the scalar field are formed in the space to be analyzed, and when the scalar quantity constituting the scalar field diffuses while advancing on the velocity field, the steady state Consider the problem of finding the distribution of scalar quantities.
In the following, the scalar quantity of the calculation grid point k is expressed as φk.

スカラー場が非定常の場合と同様、解析対象となる空間に総計算格子点数Nの計算格子を設定し、計算格子点の各々におけるスカラー量を求める。なお、計算格子点を番号k(0≦k≦N−1)にて識別する。
また、軌跡上における仮想粒子の拡散を考慮してスカラー場を求める点、および、各計算格子点について式(3)を解いてスカラー場を更新する処理ループを不要として処理時間を削減する点も、スカラー場が非定常の場合と同様である。
As in the case where the scalar field is non-stationary, a calculation grid having the total number of calculation grid points N is set in the space to be analyzed, and the scalar quantity at each calculation grid point is obtained. The calculation grid points are identified by the number k (0 ≦ k ≦ N−1).
In addition, a scalar field is calculated in consideration of the diffusion of virtual particles on the trajectory, and a processing loop for updating the scalar field by solving equation (3) for each calculation grid point is unnecessary, thereby reducing processing time. This is the same as when the scalar field is non-stationary.

また、スカラー場が非定常の場合と同様、逆追跡部220は、速度場に乗って計算格子点kへ移流する仮想粒子の軌跡x(t)を、式(1)を時刻方向逆向きに解くことによって求める。スカラー場が非定常の場合と同様、逆追跡部220は、ある程度長い時間(距離)にわたって仮想粒子を逆追跡すればよい。従って、解析装置300は、流入境界の与えられていない系(閉じた系)における場の解析や、死水領域における場の解析を行うこともできる。
また、式(1)の解法や、様々なスキームを用いることができる点や、計算誤差により得られる軌跡が非現実的な軌跡となることを防ぐ手段等も、スカラー場が非定常の場合と同様である。
Similarly to the case where the scalar field is unsteady, the inverse tracking unit 220 reverses the trajectory x k (t) of the virtual particle that advects the velocity field to the calculation lattice point k and reverses the equation (1) in the time direction. Find by solving. Similar to the case where the scalar field is non-stationary, the reverse tracking unit 220 may perform reverse tracking of the virtual particles over a certain length of time (distance). Therefore, the analysis apparatus 300 can also analyze a field in a system (closed system) without an inflow boundary or a field in a dead water region.
In addition, the solution of equation (1), the point that various schemes can be used, and the means for preventing the trajectory obtained by the calculation error from becoming an unrealistic trajectory are the same as when the scalar field is unsteady. It is the same.

また、式(3)に示される拡散方程式を離散的に解く点および解法や、様々なスキームを用いることができる点も、スカラー場が非定常の場合と同様である。式(3)を積分する際、時刻に関する離散化スキームとして完全陰解法を適用した場合、式(6)のようになる点も、スカラー場が非定常の場合と同様である。   In addition, the point and solution method for discretely solving the diffusion equation shown in Equation (3) and the point that various schemes can be used are the same as in the case where the scalar field is unsteady. When integrating the formula (3), when the complete implicit method is applied as a discretization scheme for time, the formula (6) is also the same as in the case where the scalar field is unsteady.

また、非定常の場合と同様、ラプラシアンに関しては、中心位置のスカラー量として軌跡上の値を用い、近傍のスカラー分布として計算格子点のスカラー量を用いる。ラプラシアンの離散化スキームとして、各種ラプラシアンモデル、二次精度中央差分法、四次精度中央差分法など様々なスキームを用いることができる。例えば、二次精度中央差分法を適用した場合、式(25)のようになる。   Similarly to the non-stationary case, for the Laplacian, the value on the locus is used as the scalar quantity at the center position, and the scalar quantity at the calculation grid point is used as the scalar distribution in the vicinity. As a Laplacian discretization scheme, various schemes such as various Laplacian models, a second-order accurate central difference method, and a fourth-order accurate central difference method can be used. For example, when the secondary accuracy central difference method is applied, the equation (25) is obtained.

式(25)では、定常状態にあるスカラー場を扱うため、φ(バー)の直接の引数に時刻tが含まれていない。それ以外は、式(5)と同様である。
ここで、任意の内挿値φ(バー)(x)が、式(26)に示されるように計算格子点上のスカラー量φの線形結合で与えられるとする。
In Expression (25), since a scalar field in a steady state is handled, time t is not included in the direct argument of φ (bar). Other than that is the same as Formula (5).
Here, it is assumed that an arbitrary interpolated value φ (bar) (x) is given by a linear combination of the scalar quantity φ on the calculation grid point as shown in the equation (26).

すると、式(25)は、式(27)に示すように離散化される。   Then, equation (25) is discretized as shown in equation (27).

但し、非定常の場合と同様、W k,tは、式(9)に示される。
式(27)を式(6)に代入して整理すると、式(28)のようになる。
However, W n k, t is expressed by Equation (9) as in the case of non-stationary cases.
Substituting equation (27) into equation (6) and rearranging results in equation (28).

但し、非定常の場合と同様、ak,t、W’ k,t、δsk,tは、それぞれ式(11)、(12)、(13)のように示される。
仮想粒子が計算格子点kに到達する時刻をtとすると、式(29)が成立する。
However, as in the case of the unsteady state, a k, t , W ′ n k, t , and δs k, t are respectively expressed as equations (11), (12), and (13).
If the time at which the virtual particle reaches the calculation lattice point k is t 0 , Equation (29) is established.

式(28)に、t→t、および、δt→t−t(t−t>0)を代入すると、式(30)のようになる。 Substituting t → t 0 and δt → t 0 -t 1 (t 0 -t 1 > 0) into equation (28) yields equation (30).

更に、時刻t(t<t)を導入し、φ(チルダ)(t)に対して、同様の展開を施すと、式(31)のようになる。 Furthermore, when the time t 2 (t 2 <t 1 ) is introduced and the same expansion is applied to φ (tilde) k (t 1 ), the equation (31) is obtained.

同様の展開を時刻tまで繰り返して、式(32)を得る。 Similar expansion is repeated until time t M to obtain equation (32).

φ(チルダ)(t)の値が未知の場合、式(32)を式(33)のように近似することが考えられる。 When the value of φ (tilde) k (t M ) is unknown, it is conceivable to approximate equation (32) as equation (33).

非定常の場合と同様、式(19)の値が十分に小さいと仮定すれば、式(33)の近似は妥当である。
一方、φ(チルダ)(t)の値が境界条件等により既知の場合は、単純に式(32)に値を代入すればよい。
式(32)または式(33)を全ての計算格子点k(k∈[0,N−1])について考えると、計算格子点のスカラー量φに関するN元連立一次方程式を得られる。
さらに、計算格子点のスカラー量φを成分に持つベクトルΦを式(34)のように定義する。
As in the non-stationary case, assuming that the value of Equation (19) is sufficiently small, the approximation of Equation (33) is reasonable.
On the other hand, if the value of φ (tilde) k (t M ) is already known due to boundary conditions or the like, the value may be simply substituted into equation (32).
When Equation (32) or Equation (33) is considered for all calculation lattice points k (kε [0, N−1]), an N-ary simultaneous linear equation relating to the scalar quantity φ k of the calculation lattice points can be obtained.
Further, a vector Φ having a scalar quantity φ k of the calculation grid point as a component is defined as in Expression (34).

但し、Tはベクトルないし行列の転置を示す。
式(32)または式(33)に基づいて得られたN元連立一次方程式は、Φを用いて式(35)のように表すことができる。
However, T shows transposition of a vector or a matrix.
The N-ary simultaneous linear equations obtained based on the equation (32) or the equation (33) can be expressed as the equation (35) using Φ.

但し、AはN次正方行列の係数行列を示し、bはN次元ベクトルを示す。
φ(チルダ)(t)の値が既知の場合、従って式(32)に基づく場合、Aの成分は式(36)のようになる。
Here, A represents a coefficient matrix of an N-order square matrix, and b represents an N-dimensional vector.
If the value of φ (tilde) k (t M ) is known, and therefore based on equation (32), the component of A is as in equation (36).

また、式(32)に基づく場合、bの成分は式(37)のようになる。   Further, when based on Expression (32), the component of b is as shown in Expression (37).

一方、φ(チルダ)(t)の値が未知の場合、従って式(33)に基づく場合、Aの成分は式(38)のようになる。 On the other hand, if the value of φ (tilde) k (t M ) is unknown, and therefore based on equation (33), the component of A is as in equation (38).

また、式(33)に基づく場合、bの成分は式(39)のようになる。   Further, when based on Expression (33), the component of b is as shown in Expression (39).

方程式取得部331は、式(35)における係数行列Aおよびベクトルbを求めることで、式(35)に示される連立方程式を取得する。具体的には、方程式取得部331は、式(36)、式(23)、式(38)および式(24)に基づいて、係数行列Aやベクトルbの各要素を求める。   The equation acquisition unit 331 acquires the simultaneous equations shown in Expression (35) by obtaining the coefficient matrix A and the vector b in Expression (35). Specifically, the equation acquisition unit 331 obtains each element of the coefficient matrix A and the vector b based on Expression (36), Expression (23), Expression (38), and Expression (24).

SOR法またはBiCGStab法など公知の解法を式(35)に用いて、全ての計算格子点のスカラー量Φが求まる。
そこで、解析実行部332は、方程式取得部331が求めた連立方程式を解いて、スカラー場(全ての計算格子点のスカラー量)を求める。
A known solution such as the SOR method or the BiCGStab method is used for the equation (35), and the scalar quantity Φ of all the calculation lattice points is obtained.
Therefore, the analysis execution unit 332 solves the simultaneous equations obtained by the equation acquisition unit 331 and obtains a scalar field (scalar amounts of all calculation lattice points).

以上のように、逆追跡部220は、計算格子点へ移流する仮想粒子の軌跡を逆追跡し、場の値取得部330は、拡散しながら逆追跡の終了位置から計算格子点へ到達した際に仮想粒子が有する場の値を、当該計算格子点における場の値として取得する。
これにより、解析装置300では、仮想粒子が有する場の値を計算格子点に内挿する必要が無いので数値拡散が生じにくく、より高精度に数値解析を行うことができる。
As described above, the reverse tracking unit 220 reversely tracks the trajectory of the virtual particles that advect to the calculation grid point, and the field value acquisition unit 330 performs the diffusion when reaching the calculation grid point from the end position of the reverse tracking. The field value of the virtual particle is obtained as the field value at the calculation lattice point.
Thereby, in the analysis apparatus 300, since it is not necessary to interpolate the field value which a virtual particle has in a calculation lattice point, it is hard to produce numerical diffusion and can perform a numerical analysis with higher precision.

また、場の値取得部330は、計算格子点の各々についての仮想粒子の軌跡と拡散方程式とに基づいて得られる連立方程式から、計算格子点の各々における場の値を取得する。
これにより、場の値取得部330は、場の値の更新を繰り返す必要が無い。この点において、処理時間や、処理に必要な記憶容量を削減することができる。
The field value acquisition unit 330 acquires the field value at each of the calculation grid points from the simultaneous equations obtained based on the locus of the virtual particles and the diffusion equation for each of the calculation grid points.
Thereby, the field value acquisition unit 330 does not need to repeat updating of the field value. In this respect, the processing time and the storage capacity necessary for the processing can be reduced.

なお、本発明者は、上記の実施形態と同様の数値解析にて、実際に場の値を求めた。その結果本発明の有効性を確認することができた。以下、この点について説明する。   The inventor actually obtained the field value by the same numerical analysis as in the above embodiment. As a result, the effectiveness of the present invention could be confirmed. Hereinafter, this point will be described.

<第1の解析例>
第1の解析例では、図9に示すT型ミキサーにおいて濃度場が定常状態にある場合の二液の混合を、第1の実施形態と同様の数値解析にて解析した。
図9は、流体混合に用いられる典型的なT型ミキサーの一例を示す。同図において、各寸法は流路高さhに対する比によって無次元化されている。
2つの流入口A31またはA32から入った流体は、流入流路を通り混合流路で合流する。合流した2つの流体は混合流路内で混合されて排出口A33から排出される。
以下では、液体を混合する場合を例に説明する。流入する二液について、ニュートン流体、非圧縮性、および、二液の物資同一性を仮定する。
この場合、無次元形式の支配方程式は、連続の式、ナビエ・ストークス方程式、濃度に関する移流拡散方程式の三式であり、連続の式は、式(40)のように示される。
<First analysis example>
In the first analysis example, the mixing of two liquids in the case where the concentration field is in a steady state in the T-type mixer shown in FIG. 9 was analyzed by the same numerical analysis as in the first embodiment.
FIG. 9 shows an example of a typical T-type mixer used for fluid mixing. In the figure, each dimension is made dimensionless by the ratio to the flow path height h.
The fluid that has entered from the two inlets A31 or A32 passes through the inflow channel and joins in the mixing channel. The two joined fluids are mixed in the mixing channel and discharged from the discharge port A33.
Below, the case where a liquid is mixed is demonstrated to an example. For the incoming two liquids, Newtonian fluid, incompressibility, and two liquid material identity are assumed.
In this case, there are three dimensionless governing equations: a continuity equation, a Navier-Stokes equation, and an advection-diffusion equation relating to concentration, and the continuity equation is expressed as equation (40).

但し、uは速度を示す。また、▽は、▽にてラプラシアン演算子を示す。
また、ナビエ・ストークス方程式は、式(41)のように示される。
However, u shows speed. In addition, ▽ indicates a Laplacian operator at ▽ 2 .
Also, the Navier-Stokes equation is shown as in equation (41).

但し、tは時刻を示し、pは圧力を示す。また、Reはレイノルズ数を示す。レイノルズ数Reは、式(42)によって定義される無次元数である。   However, t shows time and p shows a pressure. Re represents the Reynolds number. The Reynolds number Re is a dimensionless number defined by the equation (42).

但し、Uは入口平均流速を示し、νは動粘性係数を示し、Dは拡散係数を示す。
また、濃度に関する移流拡散方程式は、式(43)のように示される。
Where U represents the average inlet flow velocity, ν represents the kinematic viscosity coefficient, and D represents the diffusion coefficient.
Moreover, the advection diffusion equation regarding the concentration is expressed as shown in Equation (43).

但し、cは濃度を示し、Scはシュミット数を示す。シュミット数Scは、式(44)によって定義される無次元数である。   However, c shows a density | concentration and Sc shows a Schmidt number. The Schmitt number Sc is a dimensionless number defined by the equation (44).

本解析では、二液を物性値の等しい流体と仮定しており、速度場の支配方程式(連続の式およびナビエ・ストークス方程式)は濃度を含んでいない。このため、濃度場と分離して速度場を解くことができる。
そこで、濃度場の解析を行う前に、速度場の解析を行った。速度場の解析には、公知の解析手法である格子法を用い、総計算格子点数を約240万とした。また、レイノルズ数Re=150とした。
速度場の解析において、速度場に対する大きな格子依存性は確認されなかった。また、流れは定常状態となっていた。
In this analysis, it is assumed that the two liquids are fluids having the same physical property values, and the governing equations of the velocity field (continuous equation and Navier-Stokes equation) do not include concentration. For this reason, the velocity field can be solved separately from the concentration field.
Therefore, the velocity field was analyzed before the concentration field was analyzed. For the analysis of the velocity field, a grid method which is a known analysis method was used, and the total number of calculation grid points was about 2.4 million. The Reynolds number Re was set to 150.
In the analysis of the velocity field, a large lattice dependence on the velocity field was not confirmed. The flow was in a steady state.

濃度場の解析では、速度場の解析に用いた計算格子とは異なる計算格子を設定した。濃度場に対する計算格子は、図9に示すy座標にてy=7.67の位置における、混合流路の断面に設定した。
各計算格子点に到達する仮想粒子の軌跡x(t)は、仮想粒子の移流に関する関係式である式(1)を、時刻を遡る方向にオイラー陽解法的に離散化した式(45)を数値的に解くことによって求める。
In the analysis of the concentration field, a calculation grid different from the calculation grid used for the velocity field analysis was set. The calculation grid for the concentration field was set at the cross section of the mixing channel at the position of y = 7.67 in the y coordinate shown in FIG.
The trajectory x k (t) of the virtual particle that reaches each calculation grid point is obtained by converting the equation (1), which is a relational expression related to the advection of the virtual particle, into the equation (45) obtained by discretizing the Euler explicit method in the direction going back in time. Calculate by solving numerically.

式(45)を解く処理は、式(1)を解く処理の一例に該当する。
図10は、濃度場の解析における仮想粒子の逆追跡の例を示す説明図である。同図において、2つの流入流路に、それぞれ初期平面A41、A42が設定されている。初期平面A41、A42は、スカラー値既知の領域の一例に該当し、濃度cの値は、それぞれ0、1となっている。また、混合流路には、計算格子の設定されているターゲット平面A43が示されている。
軌跡の算出では、ターゲット平面A43上の計算格子点の1つである逆追跡開始位置P42から、矢印V41で示すように時刻を遡る方向に、初期平面A41またはA42に到達するまで軌跡L41を求める。
The process for solving Expression (45) corresponds to an example of the process for solving Expression (1).
FIG. 10 is an explanatory diagram illustrating an example of reverse tracking of virtual particles in the concentration field analysis. In the figure, initial planes A41 and A42 are set in two inflow channels, respectively. The initial planes A41 and A42 correspond to an example of a region having a known scalar value, and the density c values are 0 and 1, respectively. In the mixing channel, a target plane A43 on which a calculation grid is set is shown.
In the calculation of the trajectory, the trajectory L41 is obtained from the reverse tracking start position P42, which is one of the calculation grid points on the target plane A43, in the direction of going back in time as indicated by the arrow V41 until the initial plane A41 or A42 is reached. .

なお、軌跡を求めるにあたって、速度uの内挿スキームとして速度の定義点(速度場の解析にて速度を求めた位置)からのトリリニア内挿を適用した。また、クーラン数を0.1に設定し、この条件を満たすように時間幅δtを決定した。
得られる軌跡は数値誤差の影響を含むため、速度条件をノンスリップとする境界(壁面)に達してしまう場合がある。この場合の対処として、壁面への到達を検知した前の時間ステップにおいて、壁面に対して垂直方向の速度がゼロとなるように、逆追跡に用いる速度の補正を行った。
In obtaining the trajectory, trilinear interpolation from the speed definition point (the position at which the speed was obtained by analyzing the speed field) was applied as an interpolation scheme for the speed u. Further, the Courant number was set to 0.1, and the time width δt was determined so as to satisfy this condition.
Since the obtained trajectory includes the influence of a numerical error, it may reach a boundary (wall surface) where the speed condition is non-slip. As a countermeasure in this case, the velocity used for reverse tracking was corrected so that the velocity in the direction perpendicular to the wall surface becomes zero in the time step before the arrival at the wall surface was detected.

逆追跡において、仮想粒子はやがて2つの流入口のいずれかに向かう。その際、仮想粒子の位置の座標値のうち、図10に示すx座標の値に基づいて、流入時における初期濃度値を判定するようにした。具体的には、x≦−2となった場合、濃度c=0(初期平面A41側)と判定する。一方、x≧2となった場合、濃度c=1(初期平面A42側)と判定する。   In reverse tracking, the virtual particles eventually go to one of the two inlets. At that time, among the coordinate values of the positions of the virtual particles, the initial concentration value at the time of inflow is determined based on the value of the x coordinate shown in FIG. Specifically, when x ≦ −2, it is determined that the density c = 0 (initial plane A41 side). On the other hand, when x ≧ 2, it is determined that the density c = 1 (initial plane A42 side).

全ての計算格子点について逆追跡を行うことで、各計算格子点のスカラー値が0または1に設定される。このようにして得られたスカラー分布を初期(ξ=0)における値として、拡散方程式をモデル化した式(46)に基づいて、拡散効果を反映したスカラー分布を得た。   By performing backward tracking for all calculation grid points, the scalar value of each calculation grid point is set to 0 or 1. The scalar distribution reflecting the diffusion effect was obtained based on the equation (46) modeling the diffusion equation with the scalar distribution thus obtained as the initial value (ξ = 0).

但し、τは仮想粒子の滞留時間を示す。また、ξは仮に設定した変数である。
具体的には、式(46)を完全陰解法で離散化した式(47)に対してSOR法を適用し、ξ=1におけるスカラー分布を求めた。
However, (tau) shows the residence time of a virtual particle. Ξ is a temporarily set variable.
Specifically, the SOR method was applied to the equation (47) obtained by discretizing the equation (46) by the complete implicit method, and the scalar distribution at ξ = 1 was obtained.

なお、シュミット数Sc=3600とした。なお式(46)は、式(2)の一例に該当する。
図11は、ターゲット平面A43(図10)における混合度MIの計算結果の例を、計算格子点間間隔を変えながら格子法と比較した結果を示す説明図である。図11において、丸で示す各点は、本実施形態の解析方法(以下、本実施形態において「本手法」と称する)における計算結果を示す。一方、三角で示す各点は、格子法における計算結果を示す。
混合度MIは、式(48)によって定義される。
The Schmitt number Sc = 3600. Equation (46) corresponds to an example of Equation (2).
FIG. 11 is an explanatory diagram showing a result of comparison of the calculation result of the degree of mixing MI in the target plane A43 (FIG. 10) with the lattice method while changing the interval between calculation lattice points. In FIG. 11, each point indicated by a circle indicates a calculation result in the analysis method of the present embodiment (hereinafter referred to as “the present method” in the present embodiment). On the other hand, each point indicated by a triangle indicates a calculation result in the lattice method.
The degree of mixing MI is defined by equation (48).

但し、wは面A(式(48)における積分の対象となっている面)に対する垂直方向速度を示す。また、c(バー)は、完全に混合したときの濃度(すなわち、c(バー)=0.5)を示す。
格子法による解析には市販のCFD(Computational Fluid Dynamics)コードを使用し、本手法による解析には本発明者がC++にて生成したコードを使用した。また、格子法における最大計算格子点数は、約6600万であり、その際の空間解像度は、一方向の単位長さあたりの点数で120であった。一方、本手法における最大計算格子点数は約52万であり、その際の空間解像度は、一方向の単位長さあたりの点数で512であった。
However, w shows the perpendicular | vertical speed with respect to the surface A (surface used as the object of integration in Formula (48)). Further, c (bar) indicates a concentration when completely mixed (that is, c (bar) = 0.5).
A commercially available CFD (Computational Fluid Dynamics) code was used for the analysis by the lattice method, and a code generated by the inventor in C ++ was used for the analysis by this method. In addition, the maximum number of calculation lattice points in the lattice method was about 66 million, and the spatial resolution at that time was 120 in points per unit length in one direction. On the other hand, the maximum number of calculation lattice points in this method was about 520,000, and the spatial resolution at that time was 512 in points per unit length in one direction.

図12は、格子法と本手法との、最大空間解像度における濃度分布の解析結果の例を示す説明図である。上側の図F11は、格子法による濃度分布を示し、下側の図F12は、本手法による濃度分布を示す。
図F11とF12とを比較すると、図F11のほうが混合の度合いが大きい。これは、格子法において数値拡散により拡散の過大評価を引き起こしたためと考えられる。
FIG. 12 is an explanatory diagram illustrating an example of the analysis result of the density distribution at the maximum spatial resolution between the lattice method and the present method. The upper diagram F11 shows the concentration distribution by the lattice method, and the lower diagram F12 shows the concentration distribution by this method.
Comparing FIGS. F11 and F12, the degree of mixing is greater in FIG. F11. This is thought to be due to overestimation of diffusion due to numerical diffusion in the lattice method.

格子法に使用した計算格子では、一般的な計算機の限界ともいえるほど大規模な最大計算格子点数となっている。それにもかかわらず格子法では、数値拡散により拡散の過大評価を引き起こしており未だ計算格子依存性が強く残っている。その結果、格子法では正しい解析結果を得られていない。
これに対し、本手法では、計算格子点に到達する仮想粒子のスカラー場を求めるので、仮想粒子のスカラー量を計算格子点のスカラー量に内挿する必要がない。また、逆追跡終了位置においてスカラー量既知なので、計算格子点のスカラー量を仮想粒子のスカラー量に内挿する必要がない。これらの点において、本手法は、根本的に数値拡散が生じにくいという特徴を有する。これにより、本手法は、圧倒的に小さい計算格子依存性を示している。
In the calculation grid used in the grid method, the maximum number of calculation grid points is so large that it can be said to be the limit of a general computer. Nevertheless, the lattice method causes overestimation of diffusion due to numerical diffusion, and the dependence on the computational lattice still remains strong. As a result, a correct analysis result is not obtained by the lattice method.
On the other hand, in this method, since the scalar field of the virtual particle reaching the calculation lattice point is obtained, it is not necessary to interpolate the scalar amount of the virtual particle to the scalar amount of the calculation lattice point. Further, since the scalar quantity is known at the reverse tracking end position, it is not necessary to interpolate the scalar quantity at the calculation grid point with the scalar quantity of the virtual particle. In these respects, the present technique has a feature that it is difficult to cause numerical diffusion fundamentally. As a result, this method shows an overwhelmingly small calculation grid dependency.

なお、最大空間解像度における所要解析時間は、格子法で約10時間であったのに対し、本手法では30分程度であり、約20分の1の時間で解析を行うことができた。また、使用した記憶容量は、格子法で約45ギガバイト(GB)であったのに対し、本手法では1ギガバイト未満であり、45分の1程度の記憶容量で解析を行うことができた。   The required analysis time at the maximum spatial resolution was about 10 hours in the lattice method, but about 30 minutes in this method, and the analysis could be performed in about 1/20 time. Also, the storage capacity used was about 45 gigabytes (GB) by the lattice method, but in this method, it was less than 1 gigabyte and analysis was possible with a storage capacity of about 1/45.

<第2の解析例>
第2の解析例では、図9に示すT型ミキサーにおいて濃度場が定常状態にある場合の二液の混合を、第3の実施形態と同様の数値解析にて解析した。
第1の解析例と同様、液体を混合する場合を例に説明する。流入する二液について、ニュートン流体、非圧縮性、および、二液の物資同一性を仮定する。
また、第1の解析例と同様、支配方程式は、式(40)に示す連続式と、式(41)に示すナビエ・ストークス方程式と、式(43)に示す濃度に関する移流拡散方程式との三式である。
<Second analysis example>
In the second analysis example, the mixing of the two liquids when the concentration field is in a steady state in the T-type mixer shown in FIG. 9 was analyzed by the same numerical analysis as in the third embodiment.
Similar to the first analysis example, the case of mixing liquids will be described as an example. For the incoming two liquids, Newtonian fluid, incompressibility, and two liquid material identity are assumed.
Further, as in the first analysis example, the governing equation has three continuations: equation (40), Navier-Stokes equation (41), and advection-diffusion equation relating to concentration shown in equation (43). It is a formula.

また、第1の解析例と同様、濃度場の解析を行う前に、速度場の解析を行った。第1の解析例と同様、速度場の解析には、公知の解析手法である格子法を用い、総計算格子点数を約240万とし、レイノルズ数Re=150とした。   In addition, as in the first analysis example, the velocity field was analyzed before the concentration field was analyzed. As in the first analysis example, for the analysis of the velocity field, a lattice method which is a known analysis method was used, the total number of calculation lattice points was about 2.4 million, and the Reynolds number Re = 150.

一方、第1の解析例と異なり、本解析例では、濃度場に対する計算格子を、速度場に対する計算格子と同じ領域に設定した。但し、速度場に対する計算格子と比較すると空間解像度を変更し、また、着目位置から見て遠方に存在する領域の計算省略を適宜行った。   On the other hand, unlike the first analysis example, in this analysis example, the calculation grid for the concentration field is set in the same region as the calculation grid for the velocity field. However, the spatial resolution was changed as compared with the calculation grid for the velocity field, and the calculation of the region existing far from the position of interest was omitted as appropriate.

濃度場に対する各計算格子点に到達する仮想粒子の軌跡x(t)は、第1の解析例と同様、仮想粒子の移流に関する関係式である式(1)を、時刻を遡る方向にオイラー陽解法的に離散化した式(45)を数値的に解くことによって求める。
なお、軌跡を求めるにあたって、速度uの内挿スキームとして速度の定義点からのトリリニア内挿を適用した。また、クーラン数を0.1、拡散数を0.075に設定し、この条件を満たすように時間幅δtを決定した。
The trajectory x k (t) of the virtual particle that reaches each calculation lattice point with respect to the concentration field is similar to the first analysis example. It is obtained by numerically solving Expression (45) discretized in an explicit manner.
In obtaining the trajectory, trilinear interpolation from the speed definition point was applied as an interpolation scheme for the speed u. Further, the Courant number was set to 0.1 and the diffusion number was set to 0.075, and the time width δt was determined so as to satisfy this condition.

第1の解析例と同様、速度条件をノンスリップとする境界(壁面)に仮想粒子が達した場合の対処として、壁面への到達を検知した前の時間ステップにおいて、壁面に対して垂直方向の速度がゼロとなるように、逆追跡に用いる速度の補正を行った。
また、逆追跡の終了条件は、仮想粒子が濃度既知の位置へ到達するか、あるいは、式(49)を満たすこととした。
As in the first analysis example, as a countermeasure when virtual particles reach the boundary (wall surface) where the speed condition is non-slip, the velocity in the direction perpendicular to the wall surface at the time step before the arrival at the wall surface is detected. The speed used for reverse tracking was corrected so that becomes zero.
Further, the reverse tracking termination condition is that the virtual particles reach a position where the concentration is known or satisfy the formula (49).

ここで、許容値ε(ε≧0)を小さく設定するほど解析精度が高くなるが、解析にかかるコスト(解析時間や計算負荷など)は増大する。本解析では、経験的にε=0.1とした。
上記の設定のもとで解析を行い、仮想粒子の軌跡x(t):[t,t]を求めた。但し、Nを総計算格子点数として、kは、0≦k≦N−1の正整数である。また、t≦tである。
Here, the smaller the allowable value ε (ε ≧ 0) is set, the higher the analysis accuracy becomes, but the cost for analysis (analysis time, calculation load, etc.) increases. In this analysis, ε = 0.1 is empirically set.
Analysis was performed under the above settings to obtain a virtual particle trajectory x k (t): [t M , t 0 ]. However, k is a positive integer of 0 ≦ k ≦ N−1, where N is the total number of calculation lattice points. Further, t M ≦ t 0 .

濃度場の解析では、式(35)に示すN元連立一次方程式を数値的に解いて濃度場を求めた。その際、式(50)に示すように、式(34)におけるスカラー量φ,φ,・・・,φN−1の具体例として濃度c,c,・・・,cN−1を用いる。 In the analysis of the concentration field, the concentration field was determined by numerically solving the N-ary simultaneous linear equation shown in Equation (35). At this time, as shown in the equation (50), as specific examples of the scalar quantities φ 0 , φ 1 ,..., Φ N−1 in the equation (34), the concentrations c 0 , c 1 ,. -1 is used.

また、位置x(t)における仮想粒子の濃度c(チルダ)(t)が未知の場合、係数行列Aを、式(38)に示すようにする。
但し、ak,tmは、式(51)のように示される。
When the virtual particle concentration c (tilde) k (t M ) at the position x k (t M ) is unknown, the coefficient matrix A is set as shown in the equation (38).
However, a k, tm is expressed as in equation (51).

また、W’ k,tmは、式(52)のように示される。 Further, W ′ n k, tm is expressed as in Expression (52).

また、W k,tmは、式(53)のように示される。 W n k, tm is expressed as shown in Expression (53).

また、w(x)は、計算格子点上のスカラー分布から位置xへの内挿値c(バー)(x)を与える重み係数である。内挿値c(バー)(x)は、式(54)のように示される。 W n (x) is a weighting coefficient that gives an interpolation value c (bar) (x) from the scalar distribution on the calculation grid point to the position x. The interpolated value c (bar) (x) is expressed as in equation (54).

また、位置x(t)における仮想粒子の濃度c(チルダ)(t)が未知の場合、ベクトルbを式(55)に示すようにする。 Further, when the virtual particle concentration c (tilde) k (t M ) at the position x k (t M ) is unknown, the vector b is expressed by the equation (55).

一方、位置x(t)における仮想粒子の濃度c(チルダ)(t)が既知の場合、係数行列Aを、式(36)に示すようにする。
但し、位置x(t)における仮想粒子の濃度c(チルダ)(t)が未知の場合と同様、ak,tm、W’ k,tm、W k,tmは、それぞれ、式(50)、式(51)、式(52)に示すようにする。また、w(x)についても、位置x(t)における仮想粒子の濃度c(チルダ)(t)が未知の場合と同様である。
また、位置x(t)における仮想粒子の濃度c(チルダ)(t)が既知の場合、ベクトルbを式(56)に示すようにする。
On the other hand, if the concentration of the virtual particles c (tilde) k (t M) is known at position x k (t M), the coefficient matrix A, and as shown in equation (36).
However, as with the concentration c of the virtual particles (tilde) k (t M) is unknown at the position x k (t M), a k, tm, W 'n k, tm, W n k, tm , respectively , (50), (51), and (52). As for the w n (x), is the same as that concentration of the virtual particles c (tilde) k (t M) is unknown at the position x k (t M).
Further, when the virtual particle concentration c (tilde) k (t M ) at the position x k (t M ) is known, the vector b is expressed by the equation (56).

なお、式(51)、式(52)、式(53)、式(54)、式(55)、式(56)は、それぞれ、式(11)、式(12)、式(9)、式(26)、式(24)、式(23)の一例に該当する。
式(35)に示すN元連立一次方程式の解法として、BiCGStab法を用いた。また、シュミット数Sc=10とした。なお、第2の解析例では、濃度場の移流拡散方程式の時間項を完全陰解法的に離散化し、ラプラシアンを二次精度中央差分法的に離散化した場合の例を示している。
In addition, Formula (51), Formula (52), Formula (53), Formula (54), Formula (55), and Formula (56) are respectively Formula (11), Formula (12), Formula (9), It corresponds to an example of Expression (26), Expression (24), and Expression (23).
The BiCGStab method was used as a method for solving the N-ary simultaneous linear equations shown in Equation (35). The Schmitt number Sc = 10. In the second analysis example, an example is shown in which the time term of the advection diffusion equation of the concentration field is discretized in a completely implicit manner and the Laplacian is discretized in a second-order central difference method.

図13は、ターゲット平面A43(図10)における混合度MIの計算結果の例を、計算格子点間間隔を変えながら格子法と比較した結果を示す説明図である。図13において、黒丸で示す各点は、第3の実施形態の解析方法(以下、第2の解析例において「本手法」と称する)における計算結果を示す。一方、白丸で示す各点は、格子法における計算結果を示す。なお、混合度MIの定義は式(48)に示している。   FIG. 13 is an explanatory diagram showing an example of the calculation result of the degree of mixing MI in the target plane A43 (FIG. 10) compared with the lattice method while changing the interval between calculation lattice points. In FIG. 13, each point indicated by a black circle indicates a calculation result in the analysis method of the third embodiment (hereinafter referred to as “this method” in the second analysis example). On the other hand, each point indicated by a white circle indicates a calculation result in the lattice method. The definition of the mixing degree MI is shown in the equation (48).

格子法による解析には市販のCFDコードを使用し、本手法による解析には本発明者がC++にて生成したコードを使用した。
また、格子法における最大計算格子点数は、約7600万であり、その際の空間解像度は、一方向の単位長さあたりの点数で126であった。格子法に使用した計算格子では、一般的な計算機の限界ともいえるほど大規模な最大計算格子点数となっている。それにもかかわらず格子法では、数値拡散により拡散の過大評価を引き起こしており未だ計算格子依存性が強く残っている。その結果、格子法では正しい解析結果を得られていない。
A commercially available CFD code was used for analysis by the lattice method, and a code generated by the inventor in C ++ was used for analysis by this method.
In addition, the maximum number of lattice points calculated in the lattice method was about 76 million, and the spatial resolution at that time was 126 points per unit length in one direction. In the calculation grid used in the grid method, the maximum number of calculation grid points is so large that it can be said to be the limit of a general computer. Nevertheless, the lattice method causes overestimation of diffusion due to numerical diffusion, and the dependence on the computational lattice still remains strong. As a result, a correct analysis result is not obtained by the lattice method.

これに対し、本手法では、計算格子点に到達する仮想粒子のスカラー場を求めるので、仮想粒子のスカラー量を計算格子点のスカラー量に内挿する必要がない。また、逆追跡終了位置においてスカラー量既知の場合は、計算格子点のスカラー量を仮想粒子のスカラー量に内挿する必要がない。これらの点において、本手法は、根本的に数値拡散が生じにくいという特徴を有する。これにより、本手法は、圧倒的に小さい計算格子依存性を示し、解析は収束に至っている。すなわち、計算格子点間隔をより小さく(短く)しても、解があまり変化しない状態となっている。
なお、第2の実施形態における解析方法でも同様の解析を行い、本手法と比較した。その結果、本手法では、第2の実施形態における解析方法と比較して、10分の1以下の解析時間、および、10分の1程度の記憶容量で解析を行うことができた。
On the other hand, in this method, since the scalar field of the virtual particle reaching the calculation lattice point is obtained, it is not necessary to interpolate the scalar amount of the virtual particle to the scalar amount of the calculation lattice point. In addition, when the scalar quantity is known at the reverse tracking end position, it is not necessary to interpolate the scalar quantity of the calculation grid point with the scalar quantity of the virtual particle. In these respects, the present technique has a feature that it is difficult to cause numerical diffusion fundamentally. As a result, this method shows an overwhelmingly small calculation grid dependency, and the analysis has converged. That is, even if the calculation grid point interval is made smaller (shorter), the solution does not change much.
Note that the same analysis was performed in the analysis method in the second embodiment and compared with this method. As a result, in this method, it was possible to perform the analysis with an analysis time of 1/10 or less and a storage capacity of about 1/10 compared with the analysis method in the second embodiment.

図14は、格子法と本手法との、濃度分布の解析結果の例を示す説明図である。上側の図F21は、格子法の最大空間解像度において得られた濃度分布を示し、下側の図F22は、本手法にて得られた濃度分布を示す。
図F21とF22とを比較すると、図F22のほうが荒い計算格子にて図F21と同程度の濃度分布を得られている。
FIG. 14 is an explanatory diagram showing an example of the analysis result of the concentration distribution between the lattice method and the present method. The upper diagram F21 shows the concentration distribution obtained at the maximum spatial resolution of the lattice method, and the lower diagram F22 shows the concentration distribution obtained by this method.
Comparing FIGS. F21 and F22, the density distribution of the same level as that of FIG.

格子法の最大空間解像度における所要解析時間が約10時間であったのに対し、本手法では、混合度でそれと同程度の精度を与える空間解像度(計算格子点数約26万、単位長さあたり32点)において5分間程度であった。従って、本手法では、格子法の約120分の1の時間で同程度の解析結果を得ることができた。また、使用した記憶容量は、格子法で約50ギガバイトであったのに対し、本手法では2ギガバイト未満であった。従って、本手法では、格子法の25分の1程度の記憶容量で同程度の解析結果を得ることができた。   Whereas the required analysis time at the maximum spatial resolution of the grid method is about 10 hours, in this method, the spatial resolution (about 260,000 calculation grid points, 32 per unit length) gives the same degree of accuracy as the degree of mixing. Point) and about 5 minutes. Therefore, with this method, the same level of analysis results could be obtained in about 120 times less than the lattice method. Also, the storage capacity used was about 50 gigabytes in the lattice method, whereas it was less than 2 gigabytes in this method. Therefore, in this method, the same analysis result can be obtained with a storage capacity of about 1/25 of the lattice method.

図15は、第1の解析例における解析結果と、第2の解析例における解析結果と、格子法による解析結果との比較例を示す説明図である。同図に示す各図のうち、図F311〜F314は格子法による解析結果の例を示す。また、図F321〜F324は第2の解析例における解析結果の例を示す。また、図F331〜F334は第1の解析例における解析結果の例を示す。   FIG. 15 is an explanatory diagram showing a comparative example of the analysis result in the first analysis example, the analysis result in the second analysis example, and the analysis result by the lattice method. Of each figure shown in the figure, FIGS. F311 to F314 show examples of analysis results by the lattice method. Further, FIGS. F321 to F324 show examples of analysis results in the second analysis example. Further, FIGS. F331 to F334 show examples of analysis results in the first analysis example.

また、左側の図ほど拡散の度合いが大きくなっている。具体的には、図F311、F321,F331は、シュミット数Sc=1に設定されている。また、図F312、F322,F332は、Sc=10に設定されている。また、図F313、F323,F333は、Sc=100に設定されている。また、図F314、F324,F334は、Sc=1000に設定されている。   Also, the degree of diffusion is greater in the diagram on the left side. Specifically, in FIGS. F311, F321, and F331, the Schmitt number Sc = 1 is set. Also, Sc = 10 is set in FIGS. F312, F322, and F332. Also, Sc = 100 is set in FIGS. F313, F323, and F333. Also, Sc = 1000 is set in FIGS. F314, F324, and F334.

図F313と図F314とでは、拡散の度合の設定が異なるにもかかわらず、同様の解析結果となっている。これは、格子法における数値拡散の影響が拡散の度合の変化よりも大きくなったためと考えられる。すなわち、図F314においては、格子法では数値拡散の影響を受けて高精度な解析を行えていない。一方、図F323、F324、F333、F334では、拡散の度合いに応じた解析結果を得られている。このように、第1の実施形態における解析方法(第1の解析例における解析結果)や、第3の実施形態における解析方法(第2の解析例における解析結果)では、数値拡散の影響をほとんど受けずに高精度な解析を行うことができている。   FIG. F313 and FIG. F314 have the same analysis results, although the setting of the degree of diffusion is different. This is thought to be because the influence of numerical diffusion in the lattice method is greater than the change in the degree of diffusion. That is, in FIG. F314, the lattice method cannot be analyzed with high accuracy due to the influence of numerical diffusion. On the other hand, in FIGS. F323, F324, F333, and F334, analysis results corresponding to the degree of diffusion are obtained. Thus, in the analysis method in the first embodiment (analysis result in the first analysis example) and the analysis method in the third embodiment (analysis result in the second analysis example), the influence of numerical diffusion is hardly affected. High-precision analysis can be performed without receiving it.

また、図F321〜F324では、いずれも良好な解析結果を得られている。このように、第3の実施形態における解析方法では、拡散の度合いが大きい場合と小さい場合とのいずれにおいても、良好な解析結果を得ることができる。
一方、図F331〜F334に関しては、拡散の度合いが大きい図F331では、やや解析精度が低下しているが、拡散の度合いが小さい図F333やF334では良好な解析結果を得られている。第1の実施形態における解析方法では、拡散の度合いが比較的小さい場合に、短い処理時間および少ない記憶容量にて高精度な解析結果を得ることができる。
In addition, in FIGS. F321 to F324, good analysis results are obtained. Thus, in the analysis method in the third embodiment, a good analysis result can be obtained regardless of whether the degree of diffusion is large or small.
On the other hand, with respect to FIGS. F331 to F334, the analysis accuracy is slightly lowered in FIG. F331 where the degree of diffusion is large, but good analysis results are obtained in FIGS. F333 and F334 where the degree of diffusion is small. In the analysis method according to the first embodiment, when the degree of diffusion is relatively small, a highly accurate analysis result can be obtained with a short processing time and a small storage capacity.

なお、解析装置100や200や300の全部または一部の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することで各部の処理を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、OSや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。
また、「コンピュータシステム」は、WWWシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境(あるいは表示環境)も含むものとする。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD−ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであっても良い。
Note that a program for realizing all or part of the functions of the analysis apparatus 100, 200, or 300 is recorded on a computer-readable recording medium, and the program recorded on the recording medium is read into a computer system and executed. By doing so, the processing of each unit may be performed. Here, the “computer system” includes an OS and hardware such as peripheral devices.
Further, the “computer system” includes a homepage providing environment (or display environment) if a WWW system is used.
The “computer-readable recording medium” refers to a storage device such as a flexible medium, a magneto-optical disk, a portable medium such as a ROM and a CD-ROM, and a hard disk incorporated in a computer system. Furthermore, the “computer-readable recording medium” dynamically holds a program for a short time like a communication line when transmitting a program via a network such as the Internet or a communication line such as a telephone line. In this case, a volatile memory in a computer system serving as a server or a client in that case, and a program that holds a program for a certain period of time are also included. The program may be a program for realizing a part of the functions described above, and may be a program capable of realizing the functions described above in combination with a program already recorded in a computer system.

以上、本発明の実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。   The embodiment of the present invention has been described in detail with reference to the drawings. However, the specific configuration is not limited to this embodiment, and includes design changes and the like without departing from the gist of the present invention.

100、200、300 解析装置
110 前提条件取得部
120、220 逆追跡部
130、230、330 場の値取得部
131 場の値設定部
132 場の値更新部
140 解析結果出力部
231 場の値算出部
232 収束判定部
331 方程式取得部
332 解析実行部
100, 200, 300 Analysis device 110 Precondition acquisition unit 120, 220 Reverse tracking unit 130, 230, 330 Field value acquisition unit 131 Field value setting unit 132 Field value update unit 140 Analysis result output unit 231 Field value calculation Unit 232 convergence determination unit 331 equation acquisition unit 332 analysis execution unit

Claims (6)

解析対象の場に設定された計算格子における計算格子点の各々について、可変な場の値を有して当該計算格子点へ移流する仮想粒子の軌跡を、時刻を遡って追跡する逆追跡を行う逆追跡ステップと、
前記計算格子点の各々について、前記逆追跡の終了位置における場の値と、前記逆追跡の結果とに基づいて、拡散しながら前記逆追跡の終了位置から当該計算格子点へ到達した際に前記仮想粒子が有する場の値を、当該計算格子点における場の値として取得する場の値取得ステップと、
を具備することを特徴とする解析方法。
For each calculation grid point in the calculation grid set as the field to be analyzed, reverse tracking is performed by tracing the trajectory of a virtual particle having a variable field value and advancing to the calculation grid point back in time. A reverse tracking step;
For each of the calculation grid points, when the calculation grid point is reached from the reverse tracking end position while diffusing, based on the field value at the reverse tracking end position and the result of the reverse tracking, A field value acquisition step of acquiring a field value of the virtual particle as a field value at the calculation lattice point;
The analysis method characterized by comprising.
前記逆追跡ステップでは、前記仮想粒子の軌跡を前記計算格子点の各々について求め、
前記場の値取得ステップでは、前記計算格子点の各々についての前記仮想粒子の軌跡と拡散方程式とに基づいて得られる連立方程式から、前記計算格子点の各々における場の値を取得する、
ことを特徴とする請求項1に記載の解析方法。
In the reverse tracking step, the trajectory of the virtual particles is obtained for each of the calculation lattice points,
In the field value acquisition step, a field value at each of the calculation grid points is acquired from simultaneous equations obtained based on a locus of the virtual particles and a diffusion equation for each of the calculation grid points.
The analysis method according to claim 1.
前記逆追跡ステップでは、前記仮想粒子の軌跡を前記計算格子点の各々について求め、
前記場の値取得ステップは、
前記計算格子点の各々について、前記仮想粒子の軌跡に沿って拡散方程式を積分して、前記計算格子点の各々における場の値を算出する場の値算出ステップと、
前記場の値算出ステップにて算出された場の値が収束したか否か判定する収束性判定ステップと、
を具備し、
前記場の値算出ステップにて算出された場の値が収束したと前記収束性判定ステップにて判定するまで、前記場の値算出ステップにおける処理を繰り返す、ことを特徴とする請求項1に記載の解析方法。
In the reverse tracking step, the trajectory of the virtual particles is obtained for each of the calculation lattice points,
The field value acquisition step includes:
For each of the calculation grid points, integrating a diffusion equation along the trajectory of the virtual particles, and calculating a field value at each of the calculation grid points,
A convergence determination step for determining whether or not the field value calculated in the field value calculation step has converged;
Comprising
The process in the field value calculation step is repeated until the convergence value determination step determines that the field value calculated in the field value calculation step has converged. Analysis method.
前記場の値取得ステップは、
前記計算格子点の各々について、当該計算格子点に到達する前記仮想粒子が前記逆追跡の終了位置において有する場の値を当該計算格子点に設定する場の値設定ステップと、
前記計算格子点の各々について、前記仮想粒子が前記逆追跡の終了位置から当該計算格子点に到達するのに要する滞留時間に応じて当該計算格子点における場の値を更新する場の値更新ステップと、
を具備することを特徴とする請求項1に記載の解析方法。
The field value acquisition step includes:
For each of the calculation grid points, a field value setting step of setting, in the calculation grid point, a field value that the virtual particle that reaches the calculation grid point has at the end position of the reverse tracking;
For each of the calculation grid points, a field value update step of updating the field value at the calculation grid point according to the residence time required for the virtual particle to reach the calculation grid point from the end position of the reverse tracking When,
The analysis method according to claim 1, further comprising:
解析対象の場に設定された計算格子における計算格子点の各々について、可変な場の値を有して当該計算格子点へ移流する仮想粒子の軌跡を、時刻を遡って追跡する逆追跡を行う逆追跡部と、
前記計算格子点の各々について、前記逆追跡の終了位置における場の値と、前記逆追跡の結果とに基づいて、拡散しながら前記逆追跡の終了位置から当該計算格子点へ到達した際の前記仮想粒子における場の値を、当該計算格子点における場の値として取得する場の値取得部と、
を具備することを特徴とする解析装置。
For each calculation grid point in the calculation grid set as the field to be analyzed, reverse tracking is performed by tracing the trajectory of a virtual particle having a variable field value and advancing to the calculation grid point back in time. A reverse tracking unit;
For each of the calculation grid points, based on the field value at the end position of the reverse tracking and the result of the reverse tracking, when the calculation grid point is reached from the end position of the reverse tracking while diffusing A field value acquisition unit for acquiring a field value in a virtual particle as a field value in the calculation lattice point;
An analysis apparatus comprising:
コンピュータに、
解析対象の場に設定された計算格子における計算格子点の各々について、可変な場の値を有して当該計算格子点へ移流する仮想粒子の軌跡を、時刻を遡って追跡する逆追跡を行う逆追跡ステップと、
前記計算格子点の各々について、前記逆追跡の終了位置における場の値と、前記逆追跡の結果とに基づいて、拡散しながら前記逆追跡の終了位置から当該計算格子点へ到達した際に前記仮想粒子が有する場の値を、当該計算格子点における場の値として取得する場の値取得ステップと、
を実行させるためのプログラム。
On the computer,
For each calculation grid point in the calculation grid set as the field to be analyzed, reverse tracking is performed by tracing the trajectory of a virtual particle having a variable field value and advancing to the calculation grid point back in time. A reverse tracking step;
For each of the calculation grid points, when the calculation grid point is reached from the reverse tracking end position while diffusing, based on the field value at the reverse tracking end position and the result of the reverse tracking, A field value acquisition step of acquiring a field value of the virtual particle as a field value at the calculation lattice point;
A program for running
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