JP2020201961A - Computer simulation of physical fluid on irregular spatial grids for stabilizing explicit numerical diffusion problem - Google Patents

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Abstract

To provide a computer simulation of physical fluid on irregular spatial grids for stabilizing explicit numerical diffusion problem.SOLUTION: Computer implemented techniques for simulating a fluid flow around a surface of a solid includes: receiving a model of a simulation space including a lattice structure represented as a collection of voxels and a representation of a physical object; simulating movement of particles in a volume of fluid; identifying faces between two voxels by a computing system; computing a modified flux by using a spatially averaged gradient in the vicinity of the two voxels; and performing by the computing system, advection operation on the particles to subsequent voxels.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本明細書は、物理的流体流れ(physical fluid flow)などの物理的プロセスのコンピュータシミュレーションに関する。 This specification relates to computer simulation of physical processes such as physical fluid flow.

計算流体動力学は、物理的環境における流体流れを分析およびシミュレートするためのコンピュータ実施数値分析技法を含む流体力学の一部門である。 Computational fluid dynamics is a division of fluid dynamics that includes computerized numerical analysis techniques for analyzing and simulating fluid flow in a physical environment.

いわゆる「格子ボルツマン法」(LBM)は、計算流体動力学で使用される有利な技法である。格子ボルツマン系の基礎をなす動力学は、ボルツマン方程式に従う多くの粒子の運動を含む運動論の基礎物理学に属する。基本的なボルツマンの運動系には2つの基本的な動的プロセス、すなわち、衝突および移流がある。衝突過程は、保存則に従い、平衡まで緩和する粒子間の相互作用を含む。移流過程は、粒子の微視的速度に従ってある場所から別の場所への粒子の移動をモデル化することを含む。 The so-called "Lattice Boltzmann method" (LBM) is an advantageous technique used in computational fluid dynamics. The dynamics underlying the Lattice Boltzmann system belong to the basic physics of kinetic theory, which includes the motion of many particles according to the Boltzmann equation. The basic Boltzmann motor system has two basic dynamic processes: collision and advection. The collision process involves interactions between particles that relax to equilibrium according to conservation law. The advection process involves modeling the movement of a particle from one location to another according to the microscopic velocity of the particle.

「格子ボルツマン法」(LBM)を含む実際の計算流体力学シミュレーション問題に見られる1つの共通の側面は、複雑な形状、例えば、表面および体積の離散化が原因の不規則グリッドに関わる問題である。 One common aspect of actual computational fluid dynamics simulation problems, including the "Lattice Boltzmann method" (LBM), is that of complex shapes, such as those involving irregular grids due to surface and volume discretization. ..

拡散支配的な物理現象の数値シミュレーションは、伝導性熱伝達、質量拡散、電気伝導などを含む用途で普通に使用される。これらの現象の支配方程式は、非定常(不安定)拡散項および体積ソース項を含む偏微分方程式(PDE)のセットとして定式化される。数値解法は、対象の空間ドメインを離散化することと、時間内に解法を進めるために時間積分技法を適用することとを含む。空間離散化手順は、通常、高度に自動化されたグリッド生成ツールを使用して達成され、一方、時間離散化(時間内、すなわち、時間ステップサイズ内に解法を進めるために時間積分技法を適用するための)は、受け入れ可能な計算コストで数値解の安定および精度を保証するように選ばれる。 Numerical simulations of diffusion-dominant physical phenomena are commonly used in applications including conductive heat transfer, mass diffusion, electrical conduction, and the like. The governing equations for these phenomena are formulated as a set of PDEs that include the unsteady (unstable) diffusion term and the volume source term. Numerical solutions include discretizing the spatial domain of interest and applying time integration techniques to advance the solution in time. Spatial discretization procedures are usually accomplished using highly automated grid generation tools, while time discretization (time integration techniques are applied to advance the solution in time, i.e., in time step size). For) is chosen to guarantee the stability and accuracy of the numerical solution at an acceptable computational cost.

特に、時間前進スキームのCourant−Friedrichs−Lewy(CFL)制約と一般に呼ばれる安定特性は、解に大幅な不安定性を導入することなく使用することができる最大時間ステップサイズを決定する。2つのタイプの時間進行スキーム、すなわち、陰的(implicit)および陽的(explicit)スキームが、一般に、使用される。 In particular, the stability property, commonly referred to as the Courant-Friedrichs-Lewy (CFL) constraint of the time forward scheme, determines the maximum time step size that can be used without introducing significant instability into the solution. Two types of time progression schemes, namely implicit and explicit schemes, are commonly used.

陰的方法は、構築によってCFL制約を満たし、したがって、大きい時間ステップが、解を不安定にすることなく使用され得る(しかしながら、あまりにも大きい時間ステップは、通常、不正確な結果をもたらす)。陰的方法は、行列係数の大規模システムの解を必要とし、したがって、それらの実際の実施を非自明にし、計算上高価にする。 Implicit methods meet the CFL constraints by construction, so large time steps can be used without destabilizing the solution (however, too large time steps usually give inaccurate results). Implicit methods require solutions to large systems of matrix coefficients, thus making their actual implementation non-trivial and computationally expensive.

他方、陽的方法は、実施することが非常に簡単であり、計算上安価(反復当たり)であり、高度に並列化可能である。しかしながら、陽的方法は、CFL制約を満たす必要がある。陽的拡散スキームのこのCFL制約は、(κΔ_t)/(Δ_x^2)によって与えられるCFL数が特定の限界(O(1)である)未満であることを要求し、ここで、κは、拡散率であり、Δ_xは、最小空間グリッドのサイズであり、Δ_tは、時間ステップである。言い換えれば、空間グリッドサイズΔ_xが、係数Fだけドメイン内のどこかで減少する場合、時間ステップΔ_tは、数値の安定を維持するために係数F2だけ減少しなければならないことになる。 On the other hand, the explicit method is very simple to implement, computationally inexpensive (per iteration), and highly parallelizable. However, the explicit method needs to meet the CFL constraint. This CFL constraint of the explicit diffusion scheme requires that the number of CFLs given by (κΔ_t) / (Δ_x ^ 2) be less than a certain limit (O (1)), where κ is. Diffusivity, Δ_x is the size of the smallest space grid, and Δ_t is the time step. In other words, if the spatial grid size Δ_x is reduced by a factor F somewhere in the domain, then the time step Δ_t must be reduced by a factor F 2 to maintain numerical stability.

したがって、陽的方法は、シミュレーション性能に著しく影響を与える小さいサイズの要素を有する空間グリッドでは極端に小さい時間ステップを必要とすることがある。これは、そのような小さいサイズの要素の数がシミュレーションドメイン内で非常に限定されている場合でさえ当てはまり、その理由は、ドメイン全体内の最小要素がCFL条件を決定し、その結果、時間ステップサイズを決定するからである。 Therefore, the explicit method may require extremely small time steps in a spatial grid with small size elements that significantly affect simulation performance. This is true even if the number of such small size elements is very limited within the simulation domain, because the smallest element within the entire domain determines the CFL condition, resulting in a time step. This is because it determines the size.

複雑な形状を含む実際の問題では、不規則なグリッドの使用が、表面および体積の離散化では避けられない。これらのグリッド上で、Δ_xは、著しく変化することがあり、陽解法の使用は、CFL制約によって必要とされる極端に小さい時間ステップに起因して非常に非効率的になることがある。 In real problems involving complex shapes, the use of irregular grids is unavoidable in surface and volume discretization. On these grids, Δ_x can vary significantly and the use of explicit methods can be very inefficient due to the extremely small time steps required by the CFL constraints.

それゆえに、陽解法の実践者は、空間グリッドの品質を改善しようとして大量の時間および労力を費やし、問題の緩和を試みる。その場合にも、現実的な空間ドメインの離散化からすべての小さいサイズの要素を除去することはほとんど不可能であり、その結果、小さい時間ステップ(少なくとも局所的に)が陽的解を安定化させる唯一の方法である。 Therefore, explicit practitioners spend a great deal of time and effort trying to improve the quality of the spatial grid and try to mitigate the problem. Even then, it is almost impossible to remove all small-sized elements from the discretization of realistic spatial domains, so that small time steps (at least locally) stabilize the explicit solution. The only way to get it done.

一態様によれば、固体の表面のまわりの流体流れをシミュレートするためのシステム、コンピュータ実施方法、およびコンピュータプログラム製品は、ボクセルの集合として表された格子構造と、物理的オブジェクトの表現とを含むシミュレーション空間のモデルを受け取ることであり、ボクセルが、物理的オブジェクトの表面を説明するための適切な分解能を有する、受け取ることと、流体の体積中の粒子の移動をシミュレートすることであり、粒子の移動が粒子間の衝突を引き起こす、シミュレートすることと、2つのボクセル間の面(ファセット)を識別することであり、面のうちの少なくとも1つが安定条件に違反している、識別することと、2つのボクセルの近傍の空間的に平均化された温度勾配を使用して修正熱流束を計算することであり、面の少なくとも1つが安定条件に違反している、計算することと、後続のボクセルへの粒子の移流操作を実行することとを含む。 According to one aspect, systems, computer implementation methods, and computer program products for simulating fluid flow around the surface of a solid have a lattice structure represented as a collection of voxels and a representation of physical objects. Receiving a model of the simulation space that contains, the voxel has the appropriate resolution to describe the surface of a physical object, receiving and simulating the movement of particles in the volume of a fluid. Simulating that the movement of particles causes collisions between particles and identifying the faces (facets) between two voxels, identifying that at least one of the faces violates stability conditions. And to calculate the modified heat flux using the spatially averaged temperature gradient in the vicinity of the two voxels, and to calculate that at least one of the surfaces violates the stability condition. Includes performing a particle transfer operation to a subsequent voxel.

開示された技法は、要素のうちの少なくとも1つが、制約、例えば、Courant−Friedrichs−Lewy(CFL)制約)に違反している場合、2つの隣接する要素間の熱流束計算に修正を導入する。熱流束計算へのこれらの修正は、2つの要素の物質および幾何学的特性、ならびに要素のすぐ近くの対象の量の既存の状態に依存し、2つの要素のサイズに関係なく数値解を安定させるのを支援し、空間−時間精度を保証する。2つの隣接する要素が大きい(それゆえに、CFL制約を満たす)場合、新しく提案する流束計算は、陽解法実施態様になり、それは、この新規の手法が陽的手法と一致しており、さらに、陽的手法で上記の不備を克服していることを意味する。 The disclosed technique introduces a modification to the heat flux calculation between two adjacent elements if at least one of the elements violates a constraint, eg, a Courant-Friedrichs-Lewy (CFL) constraint). .. These modifications to the heat flux calculation depend on the material and geometric properties of the two elements, as well as the existing state of the quantity of objects in the immediate vicinity of the elements, and stabilize the numerical solution regardless of the size of the two elements. Helps to ensure space-time accuracy. If the two adjacent elements are large (and therefore satisfy the CFL constraint), the newly proposed flux calculation becomes an explicit method embodiment, which is that this new method is consistent with the explicit method. It means that the above deficiencies are overcome by an explicit method.

態様は、方法、コンピュータプログラム製品、1つまたは複数の機械可読ハードウェアストレージデバイス、装置、およびコンピューティングシステムを含む。 Aspects include methods, computer program products, one or more machine-readable hardware storage devices, devices, and computing systems.

他の特徴および利点は、図面を含む以下の説明および特許請求の範囲から明らかになる。 Other features and advantages will become apparent from the following description and claims, including drawings.

流体流れのシミュレーションのためのシステムを示す図である。It is a figure which shows the system for the simulation of a fluid flow. 熱流束計算を用いた格子ボルツマンモデルに基づく操作シミュレーションを示す流れ図である。It is a flow chart which shows the operation simulation based on the lattice Boltzmann model using the heat flux calculation. 要素の少なくとも1つが制約に違反している場合の2つの隣接する要素間の熱流束計算への修正の態様を含む流れ図である。FIG. 5 is a flow diagram comprising a mode of modification to heat flux calculation between two adjacent elements when at least one of the elements violates the constraint. 要素の少なくとも1つが制約に違反している場合の2つの隣接する要素間の熱流束計算への修正の態様を含む流れ図である。FIG. 5 is a flow diagram comprising a mode of modification to heat flux calculation between two adjacent elements when at least one of the elements violates the constraint. 要素の少なくとも1つが制約に違反している場合の2つの隣接する要素間の熱流束計算への修正の態様を含む流れ図である。FIG. 5 is a flow diagram comprising a mode of modification to heat flux calculation between two adjacent elements when at least one of the elements violates the constraint. 要素の少なくとも1つが制約に違反している場合の2つの隣接する要素間の熱流束計算への修正の態様を含む流れ図である。FIG. 5 is a flow diagram comprising a mode of modification to heat flux calculation between two adjacent elements when at least one of the elements violates the constraint. 要素の少なくとも1つが制約に違反している場合の2つの隣接する要素間の熱流束計算への修正の態様を含む流れ図である。FIG. 5 is a flow diagram comprising a mode of modification to heat flux calculation between two adjacent elements when at least one of the elements violates the constraint. ユークリッド空間で表わされた2つのLBMモデルの速度成分を示す図である(先行技術)。It is a figure which shows the velocity component of two LBM models represented in Euclidean space (prior art). ユークリッド空間で表わされた2つのLBMモデルの速度成分を示す図である(先行技術)。It is a figure which shows the velocity component of two LBM models represented in Euclidean space (prior art). 2つの隣接の要素間の修正熱流束計算を使用する物理的プロセスシミュレーションシステムが従う手順の流れ図である。It is a flow chart of the procedure followed by a physical process simulation system using a modified heat flux calculation between two adjacent elements. マイクロブロックの斜視図である(先行技術)。It is a perspective view of a microblock (prior art). 図1のシステムによって使用される格子構造の図である(先行技術)。It is a figure of the lattice structure used by the system of FIG. 1 (prior art). 図1のシステムによって使用される格子構造の図である(先行技術)。It is a figure of the lattice structure used by the system of FIG. 1 (prior art). 可変分解能技法を示す図である(先行技術)。It is a figure which shows the variable resolution technique (prior art). 可変分解能技法を示す図である(先行技術)。It is a figure which shows the variable resolution technique (prior art). 粒子の移動を示す図である(先行技術)。It is a figure which shows the movement of a particle (prior art). 表面のファセットによって影響される領域を示す図である(先行技術)。It is a figure which shows the region affected by the facet of a surface (prior art). 表面動力学を示す図である(先行技術)。It is a figure which shows the surface dynamics (prior art). 表面動力学を実行するための手順の流れ図である。It is a flow chart of the procedure for carrying out surface dynamics.

モデルシミュレーション空間
LBMベース物理的プロセスシミュレーションシステムでは、流体流れは離散速度ciのセットで評価される分布関数値fiによって表される。分布関数の動力学は式I.1によって支配される。
i(x+ci,t+1)=fi(x,t)+Ci(x,t) 式(I.1)
この式は、分布関数fiの時間発展を記述するよく知られた格子ボルツマン方程式である。左辺は、いわゆる「流動過程」による分布の変化を表す。流動過程は、流体のポケットが、あるメッシュ位置から出発して、次いで、複数の速度ベクトルのうちの1つに沿って次のメッシュ位置まで移動する場合である。その時点で、「衝突係数」、すなわち、流体の近傍ポケットの流体の開始ポケットへの影響が計算される。流体は別のメッシュ位置にしか移動できず、そのため、すべての速度のすべての成分が共通速度の倍数であるように、速度ベクトルの適切な選択が必要である。
Model simulation space In an LBM-based physical process simulation system, the fluid flow is represented by a distribution function value f i evaluated by a set of discrete velocities c i . The dynamics of the distribution function is described in Equation I. Dominated by 1.
f i (x + c i , t + 1) = f i (x, t) + C i (x, t) Equation (I.1)
This equation is a well-known lattice Boltzmann equation describing the time evolution of the distribution function f i. The left side represents the change in distribution due to the so-called "flow process". The flow process is when a fluid pocket starts at one mesh position and then moves along one of a plurality of velocity vectors to the next mesh position. At that point, the "collision coefficient", i.e., the effect of the fluid's neighborhood pocket on the fluid's starting pocket, is calculated. The fluid can only move to different mesh positions, so proper selection of velocity vectors is required so that all components of all velocities are multiples of the common velocity.

第1の式の右側は、流体のポケット間の衝突による分布関数の変化を表す前記の「衝突演算子」である。衝突演算子の特定の形態は、限定はしないが、Bhatnagar、Gross、およびKrook(BGK)演算子の形態とすることができる。衝突演算子は、分布関数を、「平衡」形態である第2の式によって与えられる規定値に近づける。 The right side of the first equation is the "collision operator" described above, which represents a change in the distribution function due to a collision between fluid pockets. The particular form of the collision operator can be, but is not limited to, the form of the Bhatnagar, Gross, and Krook (BGK) operators. The collision operator brings the distribution function closer to the default value given by the second equation, which is the "equilibrium" form.

Figure 2020201961
Figure 2020201961

BGK演算子は、衝突の詳細に関係なく、分布関数が、衝突 The BGK operator has a distribution function that collides, regardless of the details of the collision.

Figure 2020201961
を介して、{feq(x,ν,t)}で与えられる明確な局所平衡に近づくという物理的論拠によって構築され、ここで、パラメータτは、衝突を介した平衡までの固有緩和時間を表す。
Figure 2020201961
Is constructed by the physical rationale of approaching the clear local equilibrium given by {f eq (x, ν, t)}, where the parameter τ sets the intrinsic relaxation time to equilibrium via collision. Represent.

このシミュレーションから、質量ρおよび流速uなどの従来の流体変数は、式(I.3)における単純な和として得られる。以下を参照されたい。 From this simulation, conventional fluid variables such as mass ρ and flow velocity u are obtained as a simple sum in equation (I.3). See below.

対称性の考慮により、速度値のセットは、配置空間にわたるときに特定の格子構造を形成するように選択される。そのような離散系の動力学は、形態
i(x+ci,t+1)=fi(x,t)+Ci(x,t)
を有するLBM方程式に従い、ここで、衝突演算子は、通常、上述のようなBGK形態をとる。平衡分布形態の適切な選択によって、格子ボルツマン方程式が、正しい流体力学および熱流体力学結果をもたらすことを理論的に示すことができる。すなわち、fi(x,t)から導出された流体力学的モーメントは、巨視的極限ではナビエ−ストークス方程式に従う。これらのモーメントは、
ρ(x,t)=Σii(x,t);ρ(x,t)u(x,t)=Σiii(x,t) 式(I.3)
として定義され、ここで、ρおよびuは、それぞれ、流体密度および速度である。
Due to symmetry considerations, the set of velocity values is chosen to form a particular lattice structure across the arrangement space. Such discrete dynamics of the form f i (x + c i, t + 1) = f i (x, t) + C i (x, t)
According to the LBM equation with, where the collision operator usually takes the BGK form as described above. With proper selection of equilibrium distribution forms, it can be theoretically shown that the lattice Boltzmann equation yields correct hydrodynamic and thermo-hydrodynamic results. That is, the hydrodynamic moment derived from f i (x, t) is Navier a macroscopic extreme - according to Stokes equations. These moments
ρ (x, t) = Σ i f i (x, t); ρ (x, t) u (x, t) = Σ i c i f i (x, t) Equation (I.3)
Defined as, where ρ and u are fluid densities and velocities, respectively.

iおよびωiの集合値はLBMモデルを定義する。LBMモデルは、拡張可能なコンピュータプラットフォームで効率的に実施することができ、時間的に非定常な流れおよび複雑な境界条件に対して優れた頑健性で実行することができる。 The set values of c i and ω i define the LBM model. The LBM model can be efficiently implemented on an extensible computer platform and can be executed with excellent robustness against temporally unsteady flows and complex boundary conditions.

流体系の巨視的な運動方程式をボルツマン方程式から得る標準的な技法は、完全なボルツマン方程式の逐次近似が取り入れられるChapman−Enskog法である。流体系では、密度の小さい擾乱は音速で移動する。ガス系では、音速は、一般に、温度によって決定される。流れにおける圧縮性の影響の重要性は、マッハ数として知られる、特性速度と音速との比によって測定される。 The standard technique for obtaining the macroscopic equation of motion of a fluid system from the Boltzmann equation is the Chapman-Enskog method, which incorporates a successive approximation of the complete Boltzmann equation. In a fluid system, low-density disturbances move at the speed of sound. In gas systems, the speed of sound is generally determined by temperature. The importance of the compressible effect on the flow is measured by the ratio of characteristic velocity to sound velocity, known as the Mach number.

従来のLBMベース物理的プロセスシミュレーションシステムのさらなる説明に関しては、解釈が、米国特許出願公開第2016−0188768号に言及されており、その全内容が、参照により本明細書に組み込まれる。 For further description of conventional LBM-based physical process simulation systems, an interpretation is referred to in US Patent Application Publication No. 2016-0188768, the entire contents of which are incorporated herein by reference.

図1を参照すると、例えば物理的オブジェクトの表現に関して、流体流れをシミュレートするためのシステム10が示される。この実施態様のシステム10は、クライアント−サーバアーキテクチャに基づき、大規模並列コンピューティングシステム12として実装されたサーバシステム12と、クライアントシステム14とを含む。サーバシステム12は、メモリ18と、バスシステム22と、インタフェース20(例えば、ユーザインタフェース/ネットワークインタフェース/ディスプレイまたはモニタインタフェースなど)と、メッシュおよびシミュレーションエンジン34と一緒にシミュレーションプロセス30を行う処理デバイス24とを含む。 With reference to FIG. 1, a system 10 for simulating a fluid flow is shown, for example with respect to the representation of a physical object. The system 10 of this embodiment includes a server system 12 implemented as a large-scale parallel computing system 12 based on a client-server architecture, and a client system 14. The server system 12 includes a memory 18, a bus system 22, an interface 20 (eg, user interface / network interface / display or monitor interface, etc.), and a processing device 24 that performs a simulation process 30 together with a mesh and a simulation engine 34. including.

メモリ18には、メッシュ準備エンジン32およびシミュレーションエンジン34がある。図1はメッシュ準備エンジン32をメモリ18内に示しているが、メッシュ準備エンジンは、サーバ12とは異なるシステム(例えば、システム14または別のシステム)で実行されるサードパーティアプリケーションとすることができる。メッシュ準備エンジン32がメモリ18で実行されるかまたはサーバ12とは異なるシステムで実行されるかにかかわらず、メッシュ準備エンジン32はユーザ指定のメッシュ定義28を受け取り、メッシュ準備エンジン32は、メッシュを準備し、準備したメッシュをシミュレーションエンジン34に送る。 The memory 18 includes a mesh preparation engine 32 and a simulation engine 34. Although FIG. 1 shows the mesh preparation engine 32 in memory 18, the mesh preparation engine can be a third party application running on a system different from the server 12 (eg, system 14 or another system). .. Whether the mesh preparation engine 32 runs in memory 18 or on a different system than the server 12, the mesh preparation engine 32 receives a user-specified mesh definition 28, and the mesh preparation engine 32 receives the mesh. Prepare and send the prepared mesh to the simulation engine 34.

シミュレーションエンジン34は、粒子衝突相互作用モジュール34aと、粒子境界モデルモジュール34bと、移流操作を実行する移流モジュール34cとを含む。システム10は、2Dおよび/または3Dメッシュおよびライブラリを格納するデータレポジトリ38にアクセスする。移流モジュール34cは、以下で論じるように、2つの隣接する要素間の流束計算の修正に従って移流操作を実行するサブモジュール36を含む。 The simulation engine 34 includes a particle collision interaction module 34a, a particle boundary model module 34b, and an advection module 34c that performs an advection operation. System 10 accesses a data repository 38 that stores 2D and / or 3D meshes and libraries. The advection module 34c includes a submodule 36 that performs an advection operation according to a modification of the flux calculation between two adjacent elements, as discussed below.

シミュレーションエンジンでシミュレーションを実行する前に、シミュレーション空間が、ボクセルの集合としてモデル化される。一般に、シミュレーション空間は、コンピュータ支援設計(CAD)プログラムを使用して生成される。例えば、CADプログラムを使用して、風洞に位置づけられたマイクロデバイスを描くことができる。その後、CADプログラムによって作り出されたデータを処理して、適切な分解能を有する格子構造を追加し、シミュレーション空間内のオブジェクトおよび表面を明らかにする。 Before running the simulation on the simulation engine, the simulation space is modeled as a set of voxels. Generally, the simulation space is generated using a computer-aided design (CAD) program. For example, a CAD program can be used to draw a microdevice located in a wind tunnel. The data generated by the CAD program is then processed to add a lattice structure with appropriate resolution to reveal objects and surfaces in the simulation space.

次に、図2を参照すると、物理的オブジェクトの表現に関する流体流れをシミュレートするプロセスが示される。本明細書で論じる例では、物理的オブジェクトは翼である。しかしながら、物理的オブジェクトは任意の形状とすることができ、特に、平面および/または曲面を有することができるので、翼の使用は単に例示である。プロセスは、例えば、クライアントシステム14から、またはデータレポジトリからの検索によって、シミュレートされる物理的オブジェクトのためのメッシュを受け取る35a。他の実施形態では、外部システムまたはサーバ12のいずれかが、ユーザ入力に基づいて、シミュレートされる物理的オブジェクトのメッシュを生成する。プロセスは、検索したメッシュから幾何学量を事前計算し35b、検索したメッシュに対応する事前計算された幾何学量を使用して、動的格子ボルツマンモデルシミュレーションを実行する35c。格子ボルツマンモデルシミュレーションは、粒子分布34aの発展35dのシミュレーションと、エンジン34b(図1)から作り出された境界決定(図2には図示せず)による、LBMメッシュにおける次のセルq(上にバー)への粒子の移流35eとを含む。移流35cプロセスは、CFL制約違反37aをテストし、見つかった場合、エンジン36(図1)を使用して流束計算37bに修正を適用する。 Next, with reference to FIG. 2, a process of simulating a fluid flow with respect to the representation of a physical object is shown. In the examples discussed herein, the physical object is a wing. However, the use of wings is merely exemplary, as physical objects can be of any shape and can have planes and / or curved surfaces in particular. The process receives a mesh for a physical object that is simulated, for example, from a client system 14 or by a search from a data repository 35a. In another embodiment, either the external system or the server 12 generates a mesh of simulated physical objects based on user input. The process precalculates the geometry from the retrieved mesh 35b and performs a dynamic lattice Boltzmann model simulation using the precomputed geometry corresponding to the retrieved mesh 35c. The Lattice Boltzmann model simulation is the simulation of the evolution 35d of the particle distribution 34a and the next cell q (bar above) in the LBM mesh by the boundary determination (not shown in FIG. 2) created from the engine 34b (FIG. 1). ) Includes the advection of particles 35e. The advection 35c process tests the CFL constraint violation 37a and, if found, applies the correction to the flux calculation 37b using the engine 36 (FIG. 1).

不規則な空間グリッドに関する拡散問題の陽の数値スキームの安定化
この説明のために、陽的オイラースキームおよび有限体積定式化が仮定される。以下の説明において、対象の量は温度であり、支配方程式は熱伝導方程式である。数値スキームは、要素のすべての面の熱流束を計算する必要がある。続いて、これらの流束は、合計されて、検討中の要素の温度を更新するために使用される。2つの面共有隣接要素αおよびβを考える。熱伝導のフーリエの法則によれば、熱流束は、
Stabilization of the explicit numerical scheme of the diffusion problem for irregular spatial grids For this explanation, an explicit Euler scheme and a finite volume formulation are assumed. In the following description, the quantity of interest is temperature and the governing equation is the heat conduction equation. Numerical schemes need to calculate the heat flux on all sides of the element. These fluxes are then summed and used to update the temperature of the element under consideration. Consider two face-sharing adjacent elements α and β. According to Fourier's law of heat conduction, the heat flux is

Figure 2020201961
であり、ここで、
Figure 2020201961
And here,

Figure 2020201961

は、共通面の熱伝導率であり、
Figure 2020201961

Is the thermal conductivity of the common surface,

Figure 2020201961

は、共通面に垂直な温度勾配であり、「m」は、量が時間ステップ「m」で評価されることを明示するために使用される。熱流入α(熱流出αの代わりに)が考慮されるので、フーリエの法則の一般に使用される形式の負号は省かれる。使用される温度勾配は、特に、異なるサイズの要素が存在する状態で、粒子移流の滑らかさを確実するように計算される。2つの隣接する要素αおよびβがCFLの制約を満たす場合、時間ステップmからm+1への間に共通面を横切るエネルギー移送は、熱流束に共通面の面積Aαβおよび時間ステップサイズΔtを乗算することによって得られ、すなわち、
Figure 2020201961

Is the temperature gradient perpendicular to the common plane and "m" is used to indicate that the quantity is evaluated in the time step "m". Since heat inflow α (instead of heat outflow α) is considered, the negative sign of the commonly used form of Fourier's law is omitted. The temperature gradients used are calculated to ensure the smoothness of particle advection, especially in the presence of elements of different sizes. If two adjacent elements α and β satisfy the CFL constraint, the energy transfer across the common plane between the time step m and m + 1 multiplies the heat flux by the area A α β of the common plane and the time step size Δ t . Obtained by doing, i.e.

Figure 2020201961
である。
Figure 2020201961
Is.

従来の手法では、時間ステップの終わりにおける要素αの最終温度は、αへの正味エネルギー移送(すべての面からのエネルギー移送の合計)から計算される。 In the conventional method, the final temperature of the element α at the end of the time step is calculated from the net energy transfer to α (the sum of the energy transfers from all planes).

Figure 2020201961
Figure 2020201961

上述の式(3)は、温度変化が正味熱流束に比例し、要素のサイズ∀αに反比例する、すなわち、小さい要素では、同じ正味エネルギー移送がより大きい温度変化をもたらすことを述べていることに留意されたい。 The above equation (3), the temperature change is proportional to the net heat flux is inversely proportional to the size ∀ alpha elements, i.e., the small element, that the same net energy transfer is stated to bring a larger temperature change Please note.

図3を参照すると、流束修正計算プロセス36は、時間ステップの決定を含む。流束計算プロセス36において、時間ステップがテストされる36a。時間ステップΔtが、2つの要素の少なくとも一方でCFL制約に違反する36bほど大きくない場合、上述の形態(式3)は、解が数値的不安定になる可能性が低いことになり、したがって、上述の形態の流束計算を使用することができる。時間ステップΔtが、2つの要素の少なくとも一方でCFL制約に違反する36cほど大きい場合、上述の形態(式3)は、解が数値的不安定になることがある。この場合、修正流束計算手法36dが適用される。 With reference to FIG. 3, the flux correction calculation process 36 includes determining the time step. 36a where the time step is tested in the flux calculation process 36. If the time step Δ t is not as large as 36b, which violates the CFL constraint on at least one of the two factors, then the above form (Equation 3) is less likely to result in numerical instability in the solution. , The above-mentioned form of flux calculation can be used. If the time step Δ t is as large as 36c, which violates the CFL constraint on at least one of the two elements, the above-mentioned form (Equation 3) may result in numerical instability in the solution. In this case, the modified flux calculation method 36d is applied.

一般性を失うことなしに、修正手法は以下のように説明することができる。 Without loss of generality, the modification method can be explained as follows.

要素αは隣接する要素βよりも小さく、それゆえに、CFL制約が少なくとも要素αで違反されると仮定する。この数値不安定は、要素α(そのサイズが小さいと仮定されている)では、 It is assumed that element α is smaller than adjacent element β and therefore the CFL constraint is violated at least at element α. This numerical instability is due to the element α (assumed to be small in size).

Figure 2020201961

を計算するために使用される温度勾配が、時間ステップΔtの期間の全体を通して一定値のままであると仮定することが正しくないという理由で生じる。上記のように、同じ正味エネルギー移送では、小さい要素の温度変化は大きく、したがって、標準の陽的時間積分は、一定温度勾配の仮定が有効であることを保証するために時間ステップを減少させることを必要とする。所与のΔtでは、この問題は、問題に非定常性が存在する限り存続し、すべての要素に関して入って来るおよび出て行く流束がすべて互いに正確に釣り合うときの定常状態でのみ解決する。
Figure 2020201961

It arises because it is incorrect to assume that the temperature gradient used to calculate the value remains constant throughout the period of time step Δt . As mentioned above, for the same net energy transfer, the temperature change of the small elements is large, so the standard explicit time integral reduces the time step to ensure that the constant temperature gradient assumption is valid. Needs. At a given Δ t , this problem persists as long as there is non-stationarity in the problem and is solved only in the steady state when all the incoming and outgoing fluxes for all elements are precisely balanced with each other. ..

図4を参照すると、修正手法の一部として、流束修正された流束計算は、式(1)におけるように定義された項 Referring to FIG. 4, as part of the correction method, the flux-corrected flux calculation is a term defined as in equation (1).

Figure 2020201961

を、以下の2つの部分に細分する49a。2つの部分は、(1a)αの温度発展(上述の合計において)に向けて使用されることになる付加流束(applied flux)49b
Figure 2020201961

Is subdivided into the following two parts 49a. The two parts are (1a) an applied flux 49b that will be used for the temperature evolution of α (in the sum described above).

Figure 2020201961

と、(1b)要素αの温度変化なしに、インタフェースαβの反対側に送出されることになる平衡流束49c
Figure 2020201961

And (1b) the equilibrium flux 49c that will be sent to the opposite side of the interface αβ without the temperature change of the element α.

Figure 2020201961

とであり、それらは、以下のように、
Figure 2020201961

And they are, as follows:

Figure 2020201961
として表され、ここで、項
Figure 2020201961
Expressed as, where the term

Figure 2020201961

およびΔGは、
Figure 2020201961

And ΔG are

Figure 2020201961
によって与えられ、そして、
Figure 2020201961
Given by, and

Figure 2020201961
として表される。
Figure 2020201961
It is expressed as.

上述の式において、幾何学的フィーチャは、温度勾配の計算で使用される距離dαβと、要素体積∀αおよび∀βと、共通面(隣接する要素によって共有される)の面積Aαβとによって表される。材料特性は、 In the above formula, the geometric features, the distance d .alpha..beta used in the calculation of the temperature gradient, and element volume ∀ alpha and ∀ beta, by the area A .alpha..beta the common plane (shared by adjacent elements) expressed. Material properties are

Figure 2020201961

および
Figure 2020201961

and

Figure 2020201961

(ここで、ρは密度を示し、Cpは比熱を示す)、ならびに熱伝導率
Figure 2020201961

(Here, ρ indicates density and C p indicates specific heat), as well as thermal conductivity.

Figure 2020201961

によって説明される。加算における流束項
Figure 2020201961

Explained by. Flux term in addition

Figure 2020201961

および
Figure 2020201961

and

Figure 2020201961

は、それぞれ、要素αおよびβの異なる面に存在する可能性がある流束の推定量を提供する。
Figure 2020201961

Provides an estimator of flux that may be present on different faces of elements α and β, respectively.

2つの流束項 Two flux terms

Figure 2020201961

および
Figure 2020201961

and

Figure 2020201961

の物理的解釈は、以下の通りである。付加流束
Figure 2020201961

The physical interpretation of is as follows. Additional flux

Figure 2020201961

は、数値不安定を導入することなく要素αの温度発展に向けて使用することができる全流束
Figure 2020201961

Can be used for the temperature evolution of element α without introducing numerical instability

Figure 2020201961

(式(1)により与えられる)の一部分を表す。この形態は、要素αおよびβからなる孤立系のための第1原理から導出され、この系の近くで連続的に発展する温度場の影響の推定量を含むことができる。この理由で、この項は、要素の幾何学的/熱的特性
Figure 2020201961

Represents a part of (given by equation (1)). This form is derived from first principles for isolated systems consisting of elements α and β and can include an estimator of the effects of temperature fields that develop continuously near this system. For this reason, this term refers to the geometric / thermal properties of the element.

Figure 2020201961

ならびに環境とのこれらの要素の相互作用(ΔG)の両方への依存を示す。
Figure 2020201961

It also shows its dependence on both the interaction of these factors with the environment (ΔG).

式(4)において、 In equation (4)

Figure 2020201961

は、依然として、以前の時間ステップに他の面で観察された流束に依存しており、それによって、現在の時間ステップの間にそれらの面で継続している相互作用の推定量を提供することに留意すべきである。強硬な過渡的問題では、これは、
Figure 2020201961

Still relies on the flux observed in other planes in the previous time step, thereby providing an estimator of the interactions that continue in those planes during the current time step. It should be noted that. In a tough transitional problem, this is

Figure 2020201961

Figure 2020201961

When

Figure 2020201961

との間にずれをもたらす。
Figure 2020201961

Brings a gap between and.

平衡流束と呼ばれる第2の項 A second term called the equilibrium flux

Figure 2020201961

は、このずれを説明しており、それはαを通ってインタフェースαβの反対側の隣接する要素に伝えられる。この平衡流束は、CFL制約を満たすのに十分な大きさの要素に置かれるときのみ温度発展に付加され、それまで、流束方向に沿って連続的に送出される。
Figure 2020201961

Explains this deviation, which is transmitted through α to the adjacent element on the opposite side of interface αβ. This equilibrium flux is added to the temperature evolution only when placed on an element large enough to satisfy the CFL constraint, and until then it is continuously delivered along the flux direction.

上述のスキームは、2つの要素αとβとの間のインタフェースにおいて、小さい要素αの温度発展に有効な流束の量を正確に制御しながら、全流束の正しい量 The scheme described above is the correct amount of total flux at the interface between the two elements α and β, while precisely controlling the amount of flux effective for temperature evolution of the small element α.

Figure 2020201961

が組み入れられることを厳格に保証する。全体として、このスキームは、数値安定、ならびに良好な空間および時間精度を維持することができる。最後に、定常状態では、付加流束は全流束に等しくなり、すなわち、
Figure 2020201961

Is strictly guaranteed to be incorporated. Overall, this scheme can maintain numerical stability as well as good spatial and temporal accuracy. Finally, in steady state, the additional flux is equal to the total flux, ie

Figure 2020201961

であり、結果として、平衡流束は0に等しくなり、すなわち、
Figure 2020201961

As a result, the equilibrium flux is equal to 0, i.e.

Figure 2020201961

であることに留意すべきである。
Figure 2020201961

It should be noted that

修正流束計算プロセスの特徴
上述の説明で言及したように、そして図5〜図7に示すように、修正流束計算手法36は、いくつかのアルゴリズムのプロセスを必要とする。修正流束計算プロセスは、熱流束の修正された定義が適用されるべきである面を識別する52aことを含む。CFL条件に違反していないすべての面では、熱流束の標準定義が使用される52b(式3)。CFL条件に違反しているすべての面において、例えば、少なくとも1つがCFL条件基準に違反している2つの要素間のいかなる面においても、修正熱流束計算が使用される52c。全熱流束量は、解の滑らかさを保証するために、検討中の要素の近傍の空間的に平均化された温度勾配を使用して計算される。(対照的に、標準熱流束は、従来の差分形式に基づいて計算された温度勾配を利用する。)修正熱流束計算プロセス52は、修正熱流束を2つの部分、すなわち、付加流束49bの項および平衡流束49cの項に分割する52dことを含む。次いで、流束計算は、分割に従って実行される52e。
Characteristics of the Modified Flux Calculation Process As mentioned in the above description and as shown in FIGS. 5-7, the modified flux calculation method 36 requires several algorithmic processes. The modified flux calculation process involves identifying the plane to which the modified definition of heat flux should be applied 52a. 52b (Equation 3) uses the standard definition of heat flux for all aspects that do not violate Courant conditions. A modified heat flux calculation is used in all aspects that violate the CFL condition, eg, in any aspect between two elements that at least one violates the CFL condition criteria 52c. The total heat flux amount is calculated using a spatially averaged temperature gradient in the vicinity of the element under consideration to ensure the smoothness of the solution. (In contrast, the standard heat flux utilizes a temperature gradient calculated based on the conventional differential form.) The modified heat flux calculation process 52 applies the modified heat flux to two parts, namely the additional flux 49b. Includes 52d splitting into terms and equilibrium flux 49c terms. The flux calculation is then performed according to the division 52e.

次に、図6を参照すると、流束の計算は、検討中の要素の温度発展式で常に使用される付加流束計算52f(式3)を使用する。 Next, referring to FIG. 6, the flux calculation uses the additional flux calculation 52f (Equation 3), which is always used in the temperature evolution equation of the element under consideration.

次に、図7を参照すると、平衡流束は、含まれる要素のサイズに応じて温度発展に使用されることもされないこともある。要素がCFL制約に違反するほど小さい52g場合、平衡流束が、計算され52h、流束の方向に隣接する要素に送出され52i、隣接する要素がCFL制約に違反しないほど大きい場合、平衡流束が、温度発展に向けて使用される52j。平衡流束は、平衡化流束が、最終的に、平衡化流束を温度発展に向けて適用する十分大きい要素(CFL制約に違反しないほどの)に移送されるまで、流束の方向に沿って連続的に送出される。 Next, referring to FIG. 7, the equilibrium flux may or may not be used for temperature development, depending on the size of the elements involved. If the element is 52g small enough to violate the CFL constraint, the equilibrium flux is calculated 52h, sent to the element adjacent in the direction of the flux 52i, and if the adjacent element is large enough not to violate the CFL constraint, the equilibrium flux However, 52j is used for temperature development. The equilibrium flux is in the direction of the flux until the equilibrium flux is finally transferred to a sufficiently large element (not to violate the CFL constraint) that applies the equilibrium flux towards temperature evolution. It is sent continuously along.

アルゴリズムの独自性および利点
要素サイズが変化する不規則なグリッドの拡散問題における数値不安定の問題を克服するためのいくつかの手法が知られている。最も一般に使用される手法は、そのようなシナリオを減じるために、グリッド生成ツールに追加の制約を強制することである。その場合にも、この問題を完全には避けることができないので、安定を保証するほど十分に小さいグローバル時間ステップを使用するか、または小さいグリッド要素に出会ったとき局所サブサイクリングを使用することが一般的な方法である。第1の手法(小さいグローバル時間ステップ)は、空間グリッドのどこかに小さいサイズの要素が単一で生じた場合でさえ計算コストを事実上増加させ、一方、第2の手法(局所サブサイクリング)は、アルゴリズムおよびその実施の複雑さを増加させる。代替の手法は、陽解法の代わりに陰解法を使用するか、または少なくとも陽解法の使用を小さい要素の近くの局所領域に制限することである。この陰解法手法は、実施の複雑さ、ならびに大規模並列処理コンピュータ実施に都合のよくない連立方程式をもたらす解の非局所的性質を欠点として有する。
Uniqueness and Advantages of Algorithms Several methods are known to overcome the problem of numerical instability in the diffusion problem of irregular grids with varying element sizes. The most commonly used technique is to impose additional constraints on the grid generation tool to reduce such scenarios. Even then, this problem cannot be completely avoided, so it is common to use global time steps small enough to guarantee stability, or to use local subcycling when encountering small grid elements. Method. The first method (small global time step) effectively increases the computational cost even if a single small size element occurs somewhere in the spatial grid, while the second method (local subcycling). Increases the complexity of the algorithm and its implementation. An alternative approach is to use the implicit method instead of the explicit method, or at least limit the use of the explicit method to local areas near small elements. This implicit method method suffers from the complexity of implementation and the nonlocal nature of the solution that results in simultaneous equations that are inconvenient for massively parallel processing computer implementation.

対照的に、修正流束計算手法は、いくつかの明確な利点を提供する。修正流束計算手法は、グリッドの最小要素のサイズではなく、時間精度の考察に基づいて選択された単一時間ステップサイズの使用を可能にする。これは、考えられるすべてのシナリオに対して、計算コストおよび実施の容易さの点から大きな利点である。修正流束計算手法は、2つの隣接する要素の幾何学的特性への依存性を有し、それにより、修正流束計算手法は要素のサイズに関係なく機能することを保証する。したがって、グリッド生成プロセスへの通常の制約(グリッド品質、サイズなど)を大幅に緩和することができる。項の数学的形式が簡単であり、反復を含まないので、様々な項を計算する計算コストは妥当である。これは、高い計算コストを有することがある既存の手法(時間ステップサイズを縮小するか、またはハイブリッド陰解法−陽解法を使用する)とは際立って対照的である。加えて、定式化の体積特性のために、このスキームは、多くの適用での要件である正確な保存性を維持する。修正流束計算は、依然として、本質的に陽的であり、検討中の要素から小さい距離内の要素からの情報を必要とする。陽とは、オリジナルのシステム実施態様による既存の計算システムへの最低限の変更が必要とされることを意味する。オリジナルの陽的方法の並列化特性は保持され、したがって、修正流束計算手法は、大規模並列処理コンピュータ実施態様を利用することができる。 In contrast, the modified flux calculation method offers some distinct advantages. The modified flux calculation method allows the use of a single time step size selected based on time accuracy considerations rather than the size of the smallest element of the grid. This is a great advantage in terms of computational cost and ease of implementation for all possible scenarios. The modified flux calculation method has a dependency on the geometric properties of the two adjacent elements, thereby ensuring that the modified flux calculation method works regardless of the size of the element. Therefore, the usual constraints on the grid generation process (grid quality, size, etc.) can be significantly relaxed. The computational cost of computing various terms is reasonable because the mathematical form of the terms is simple and does not include iterations. This is in sharp contrast to existing methods that can have high computational costs (reducing the time step size or using the hybrid implicit-explicit method). In addition, due to the volumetric properties of the formulation, this scheme maintains accurate storage, which is a requirement in many applications. Modified flux calculations are still explicit in nature and require information from elements within a small distance of the element under consideration. Yang means that minimal modifications to existing computing systems are required according to the original system embodiments. The parallelization characteristics of the original explicit method are preserved, and therefore the modified flux calculation method can utilize massively parallel processing computer embodiments.

したがって、修正流束計算手法は、既存の方法と比較して利点がある。流束計算修正手法の上述の説明は熱伝導の有限体積定式化に基づいていたが、この手法は、実際は、多くの拡散支配問題に適用可能である。 Therefore, the modified flux calculation method has advantages over existing methods. Although the above description of the flux calculation correction method was based on the finite volume formulation of heat conduction, this method is practically applicable to many diffusion dominating problems.

モデルシミュレーション空間
LBMベース物理的プロセスシミュレーションシステムにおいて、流体流れは、離散速度ciのセットで評価された分布関数値fiによって表される。分布関数の動力学は、式I1によって支配され、ここで、fi(0)は、平衡分布関数として知られており、
Model simulation space In an LBM-based physical process simulation system, fluid flow is represented by a distribution function value f i evaluated with a set of discrete velocities c i . The dynamics of the distribution function is governed by equation I1, where fi (0) is known as the equilibrium distribution function.

Figure 2020201961
として定義され、ここで、
Figure 2020201961
Defined as, here,

Figure 2020201961

である。
Figure 2020201961

Is.

この式は、分布関数fiの時間発展を記載するよく知られた格子ボルツマン方程式である。左辺は、いわゆる「流動過程」による分布の変化を表す。流動過程は、流体のポケットが、あるメッシュ位置から出発して、次いで、複数の速度ベクトルのうちの1つに沿って次のメッシュ位置まで移動する。その時点で、「衝突係数」、すなわち、流体の近傍ポケットの流体の開始ポケットへの影響が、計算される。流体は、別のメッシュ位置にしか移動することができず、そのため、すべての速度のすべての成分が共通速度の倍数となるように、速度ベクトルの適切な選択が必要である。 This equation is a well-known lattice Boltzmann equation describing the time evolution of the distribution function f i. The left side represents the change in distribution due to the so-called "flow process". In the flow process, the fluid pocket starts at one mesh position and then moves along one of the velocity vectors to the next mesh position. At that point, the "collision coefficient", i.e., the effect of the fluid's neighborhood pocket on the fluid's starting pocket, is calculated. The fluid can only move to different mesh positions, so proper selection of velocity vectors is required so that all components of all velocities are multiples of the common velocity.

第1の式の右側は、流体のポケット間の衝突による分布関数の変化を表す前記の「衝突演算子」である。衝突演算子の特定の形態は、Bhatnagar、Gross、およびKrook(BGK)演算子の形態である。衝突演算子は、分布関数を、「平衡」形態である第2の式によって与えられる規定値に近づける。 The right side of the first equation is the "collision operator" described above, which represents a change in the distribution function due to a collision between fluid pockets. A particular form of collision operator is the form of the Bhatnagar, Gross, and Krook (BGK) operators. The collision operator brings the distribution function closer to the default value given by the second equation, which is the "equilibrium" form.

BGK演算子は、衝突の詳細に関係なく、分布関数が、衝突 The BGK operator has a distribution function that collides, regardless of the details of the collision.

Figure 2020201961
を介して、{feq(x,ν,t)}によって与えられる明確な局所平衡に近づくという物理的論拠によって構築され、ここで、パラメータτは、衝突を介した平衡までの固有緩和時間を表す。粒子(例えば、原子または分子)を扱う場合、緩和時間は、一般に、定数と見なされる。
Figure 2020201961
Constructed by the physical rationale of approaching the clear local equilibrium given by {f eq (x, ν, t)}, where the parameter τ sets the inherent relaxation time to equilibrium via collision. Represent. When dealing with particles (eg atoms or molecules), relaxation time is generally considered a constant.

このシミュレーションから、質量ρおよび流速uなどの従来の流体変数は、式(I3)における簡単な加算として得られる。 From this simulation, conventional fluid variables such as mass ρ and flow velocity u are obtained as a simple addition in equation (I3).

Figure 2020201961
ここで、ρ、u、およびTは、それぞれ、流体の密度、速度、および温度であり、Dは、離散化された速度空間次元である(物理的空間次元と必ずしも等しくない)。
Figure 2020201961
Where ρ, u, and T are the density, velocity, and temperature of the fluid, respectively, and D is the discrete velocity space dimension (not necessarily equal to the physical space dimension).

対称性の考慮により、速度値のセットは、配置空間にわたるときに特定の格子構造を形成するように選択される。そのような離散系の動力学は、形態
i(x+ci,t+1)−fi(x,t)=Ci(x,t)
を有するLBM式に従い、ここで、衝突演算子は、通常、上述のようなBGK形態をとる。平衡分布形態の適切な選択によって、格子ボルツマン方程式が、正しい流体力学および熱流体力学をもたらすことを理論的に示すことができる。すなわち、fi(x,t)から導出された流体力学的モーメントは、巨視的極限ではナビエ−ストークス方程式に従う。これらのモーメントは、上述の式(I3)によって定義される。
Due to symmetry considerations, the set of velocity values is chosen to form a particular lattice structure across the arrangement space. Such discrete dynamics of the form f i (x + c i, t + 1) -f i (x, t) = C i (x, t)
According to the LBM equation with, where the collision operator usually takes the BGK form as described above. With proper selection of equilibrium distribution forms, it can be theoretically shown that the lattice Boltzmann equation results in correct fluid and thermo-fluid dynamics. That is, the hydrodynamic moment derived from f i (x, t) is Navier a macroscopic extreme - according to Stokes equations. These moments are defined by the above equation (I3).

iおよびwiの集合値はLBMモデルを定義する。LBMモデルは、拡張可能なコンピュータプラットフォームで効率的に実施することができ、時間的に非定常な流れおよび複雑な境界条件に対して優れた頑健性で実行することができる。 The set values of c i and w i define the LBM model. The LBM model can be efficiently implemented on an extensible computer platform and can be executed with excellent robustness against temporally unsteady flows and complex boundary conditions.

流体系の巨視的な運動方程式をボルツマン方程式から得る標準的な技法は、完全なボルツマン方程式の逐次近似が取り入れられるChapman−Enskog法である。流体系では、密度の小さい擾乱は音速で移動する。ガス系では、音速は、一般に、温度によって決定される。流れにおける圧縮性の影響の重要性は、マッハ数として知られる、特性速度と音速との比によって測定される。 The standard technique for obtaining the macroscopic equation of motion of a fluid system from the Boltzmann equation is the Chapman-Enskog method, which incorporates a successive approximation of the complete Boltzmann equation. In a fluid system, low-density disturbances move at the speed of sound. In gas systems, the speed of sound is generally determined by temperature. The importance of the compressible effect on the flow is measured by the ratio of characteristic velocity to sound velocity, known as the Mach number.

流体流れのシミュレーションを行うためにCADプロセスとともに使用することができるLBMベースシミュレーションシステムの一般的な議論が、以下で提供される。 A general discussion of LBM-based simulation systems that can be used with CAD processes to simulate fluid flow is provided below.

図8を参照すると、第1のモデル(2D−1)200は、21個の速度を含む2次元モデルである。これらの21個の速度のうち、1つ(205)は、移動していない粒子を表し、4つの速度の3組は、格子のx軸またはy軸のいずれかに沿って正方向または負方向のいずれかに正規化速度(r)(210〜213)、正規化速度の2倍(2r)(220〜223)、または正規化速度の3倍(3r)(230〜233)のいずれかで移動している粒子を表し、4つの速度の2組は、x格子軸とy格子軸の両方に対して正規化速度(r)(240〜243)または正規化速度の2倍(2r)(250〜253)で移動している粒子を表す。 Referring to FIG. 8, the first model (2D-1) 200 is a two-dimensional model containing 21 velocities. Of these 21 velocities, one (205) represents a non-moving particle and three sets of four velocities are either positive or negative along either the x-axis or the y-axis of the lattice. Either the normalization speed (r) (210-213), twice the normalization speed (2r) (220-223), or three times the normalization speed (3r) (230-233). Representing a moving particle, two sets of four velocities are normalized velocities (r) (240-243) or twice the normalized velocity (2r) (2r) for both the x- and y-velocities. Represents a moving particle in 250-253).

図9を参照すると、第2のモデル(3D−1)260、すなわち、39個の速度を含む3次元モデルが示されており、各速度は、図9の矢印のうちの1つによって表される。これらの39個の速度のうち、1つは、移動していない粒子を表し、6つの速度の3組は、格子のx軸、y軸、またはz軸に沿って正方向または負方向のいずれかに正規化速度(r)、正規化速度の2倍(2r)、または正規化速度の3倍(3r)のいずれかで移動している粒子を表し、8つは、x、y、z格子軸の3つのすべてに対して正規化速度(r)で移動している粒子を表し、12個は、x、y、z格子軸のうちの2つに対して正規化速度の2倍(2r)で移動している粒子を表す。 With reference to FIG. 9, a second model (3D-1) 260, a three-dimensional model containing 39 velocities, is shown, each velocity being represented by one of the arrows in FIG. To. Of these 39 velocities, one represents a non-moving particle, and three sets of six velocities are either positive or negative along the x-axis, y-axis, or z-axis of the lattice. Crab represents a particle moving at any of the normalized velocity (r), twice the normalized velocity (2r), or three times the normalized velocity (3r), eight of which are x, y, z Represents particles moving at a normalization velocity (r) for all three of the lattice axes, with 12 being twice the normalization velocity for two of the x, y, and z lattice axes ( Represents a moving particle in 2r).

101個の速度を含む3D−2モデル、および37個の速度を含む2D−2モデルなどのさらに複雑なモデルを使用することもできる。3次元モデル3D−2では、101個の速度のうち、1つは、移動していない粒子を表し(グループ1)、6つの速度の3組は、格子のx軸、y軸、またはz軸に沿って正方向または負方向のいずれかに正規化速度(r)、正規化速度の2倍(2r)、または正規化速度の3倍(3r)のいずれかで移動している粒子を表し(グループ2,4、および7)、8つの速度の3組は、x、y、z格子軸の3つのすべてに対して正規化速度(r)、正規化速度の2倍(2r)、または正規化速度の3倍(3r)で移動している粒子を表し(グループ3、8、および10)、12個は、x、y、z格子軸のうちの2つに対して正規化速度の2倍(2r)で移動している粒子を表し(グループ6)、24個は、x、y、z格子軸のうちの2つに対して正規化速度(r)および正規化速度の2倍(2r)で移動しており、残りの軸に対して移動していない粒子を表し(グループ5)、24個は、x、y、z格子軸のうちの2つに対して正規化速度(r)で、および残りの軸に対して正規化速度の3倍(3r)で移動している粒子を表す(グループ9)。 More complex models such as the 3D-2 model with 101 velocities and the 2D-2 model with 37 velocities can also be used. In the three-dimensional model 3D-2, one of the 101 velocities represents a non-moving particle (Group 1), and three sets of six velocities are the x-axis, y-axis, or z-axis of the lattice. Represents a particle moving along either in the positive or negative direction at either the normalization velocity (r), twice the normalization velocity (2r), or three times the normalization velocity (3r). (Groups 2, 4, and 7), the three sets of eight velocities are normalized velocities (r), twice the normalized velocities (2r), or twice the normalized velocities (2r) for all three of the x, y, z lattice axes. Representing particles moving at three times the normalization velocity (3r) (groups 3, 8, and 10), 12 are of the normalization velocity for two of the x, y, z lattice axes. Representing particles moving twice (2r) (group 6), 24 are the normalization velocity (r) and twice the normalization velocity for two of the x, y, z lattice axes. Represents particles that are moving in (2r) and not moving with respect to the remaining axes (Group 5), with 24 normalizing velocities for two of the x, y, and z lattice axes (group 5). In r), and with respect to the remaining axes, represent particles moving at three times the normalizing velocity (3r) (Group 9).

2次元モデル2D−2では、37個の速度のうち、1つは、移動していない粒子を表し(グループ1)、4つの速度の3組は、格子のx軸またはy軸のいずれかに沿って正方向または負方向のいずれかに正規化速度(r)、正規化速度の2倍(2r)、または正規化速度の3倍(3r)のいずれかで移動している粒子を表し(グループ2,4、および7)、4つの速度の2組は、x格子軸とy格子軸の両方に対して正規化速度(r)または正規化速度の2倍(2r)で移動している粒子を表し、8つの速度は、x格子軸およびy格子軸の一方に対して正規化速度(r)で、および他の軸に対して正規化速度の2倍(2r)で移動している粒子を表し、8つの速度は、x格子軸およびy格子軸の一方に対して正規化速度(r)で、および他の軸に対して正規化速度の3倍(3r)で移動している粒子を表す。 In the two-dimensional model 2D-2, one of the 37 velocities represents a non-moving particle (Group 1), and three sets of four velocities are on either the x-axis or the y-axis of the lattice. Represents a particle moving along either in the positive or negative direction at either the normalizing velocity (r), twice the normalizing velocity (2r), or three times the normalizing velocity (3r) (3r). Groups 2, 4, and 7), two sets of four velocities are moving at a normalized velocity (r) or twice the normalized velocity (2r) with respect to both the x and y velocities. Representing a particle, the eight velocities are moving at a normalized velocity (r) with respect to one of the x and y lattice axes and at twice the normalized velocity (2r) with respect to the other axis. Representing a particle, the eight velocities are moving at a normalized velocity (r) with respect to one of the x and y lattice axes and at three times the normalized velocity (3r) with respect to the other axis. Represents a particle.

上述のLBMモデルは、2次元と3次元の両方における流れの数値シミュレーションのための効率的で頑健な離散速度動力学モデルの特定のクラスを提供する。この種類のモデルは、離散速度とその速度に関連する重みとの特定のセットを含む。速度は、速度空間におけるデカルト座標のグリッド点と一致し、それは、離散速度モデル、特に、格子ボルツマンモデルとして知られている種類の正確で効率的な実施を容易にする。そのようなモデルを使用して、高い忠実度で流れをシミュレートすることができる。 The LBM model described above provides a specific class of efficient and robust discrete velocity dynamics models for numerical simulation of flow in both 2D and 3D. This type of model contains a specific set of discrete velocities and their associated velocities. The velocity coincides with the grid points of Cartesian coordinates in velocity space, which facilitates accurate and efficient implementation of the discrete velocity model, in particular the kind known as the Lattice Boltzmann model. Such a model can be used to simulate flow with high fidelity.

図10を参照すると、物理的プロセスシミュレーションシステムは、上述で論じたようにCADプロセスを使用して流体流れなどの物理的プロセスをシミュレートするための手順270に従って動作する。シミュレーションの前に、シミュレーション空間がボクセルの集合としてモデル化される(ステップ272)。一般に、シミュレーション空間は、コンピュータ支援設計(CAD)プログラムを使用して生成される。例えば、CADプログラムを使用して、風洞に位置づけられたマイクロデバイスを描くことができる。その後、CADプログラムによって作り出されたデータを処理して、適切な分解能を有する格子構造を追加し、シミュレーション空間内のオブジェクトおよび表面を明らかにする。 With reference to FIG. 10, the physical process simulation system operates according to procedure 270 for simulating a physical process such as fluid flow using a CAD process as discussed above. Prior to simulation, the simulation space is modeled as a set of voxels (step 272). Generally, the simulation space is generated using a computer-aided design (CAD) program. For example, a CAD program can be used to draw a microdevice located in a wind tunnel. The data generated by the CAD program is then processed to add a lattice structure with appropriate resolution to reveal objects and surfaces in the simulation space.

物理的プロセスシミュレーションシステムは、上述で論じた修正流束計算プロセスを使用して、手順270に従って動作する。格子の分解能は、シミュレートされているシステムのレイノルズ数に基づいて選択することができる。レイノルズ数は、流れの粘性(ν)、流れ中のオブジェクトの特性長(L)、および流れの特性速度(u)に関連し、
Re=uL/ν 式(I4)
である。
The physical process simulation system operates according to procedure 270 using the modified flux calculation process discussed above. The resolution of the grid can be selected based on the Reynolds number of the simulated system. The Reynolds number is related to the viscosity of the flow (ν), the characteristic length of the object in the flow (L), and the characteristic velocity of the flow (u).
Re = uL / ν equation (I4)
Is.

オブジェクトの特性長は、オブジェクトの大きいスケールのフィーチャを表す。例えば、マイクロデバイスのまわりの流れがシミュレートされる場合、マイクロデバイスの高さを特性長であると見なすことができる。オブジェクト(例えば、自動車のサイドミラー)の小さい領域のまわりの流れが対象である場合、シミュレーションの分解能を向上させることができ、または分解能の向上した区域を対象の領域のまわりで使用することができる。ボクセルの寸法は、格子の分解能の向上につれて減少する。 The characteristic length of an object represents a large-scale feature of the object. For example, when the flow around the microdevice is simulated, the height of the microdevice can be considered as the characteristic length. If the flow around a small area of the object (eg, a car side mirror) is of interest, the resolution of the simulation can be improved, or the improved resolution area can be used around the area of interest. .. Voxel dimensions decrease as the resolution of the grid increases.

状態空間は、fi(x,t)として表され、ここで、fiは、時間tでの3次元ベクトルxによって表わされる格子サイトにおける状態iの単位体積当たりの要素または粒子の数(すなわち、状態iの粒子の密度)を表す。既知の時間増分に対して、粒子の数は単にfi(x)と呼ばれる。格子サイトのすべての状態の組合せは、f(x)として表わされる。 State space, f i (x, t) is represented as, where, f i is the number of elements or particles per unit volume of the state i in the lattice sites represented by three-dimensional vector x at time t (i.e. , The density of particles in state i). For known time increment, the number of particles are referred to simply as f i (x). The combination of all states of the lattice site is represented as f (x).

状態の数は、各エネルギーレベル内の可能な速度ベクトルの数によって決定される。速度ベクトルは、3つの次元、x、y、およびzを有する空間における整数の直線速度からなる。状態の数は、多数の種のシミュレーションでは増加する。 The number of states is determined by the number of possible velocity vectors within each energy level. The velocity vector consists of an integer linear velocity in space with three dimensions, x, y, and z. The number of states increases in simulations of many species.

各状態iは、特定のエネルギーレベル(すなわち、エネルギーレベル0、1、または2)における異なる速度ベクトルを表す。各状態の速度ciは、以下のように3次元の各々の「速度」で示される。
i=(cix,c,ciz) 式(I5)
Each state i represents a different velocity vector at a particular energy level (ie, energy levels 0, 1, or 2). The velocity c i of each state is indicated by each "velocity" in three dimensions as follows.
c i = (c ix , c i ν , c iz ) Equation (I5)

エネルギーレベル0の状態は、いずれの次元にも移動していない停止した粒子を表し、すなわちcstopped=(0,0,0)である。エネルギーレベル1の状態は、3つの次元のうちの1つで±1の速度および他の2つの次元で0の速度を有する粒子を表す。エネルギーレベル2の状態は、3つの次元すべてで±1の速度、または3つの次元のうちの1つで±2の速度および他の2つの次元で0の速度を有する粒子を表す。 The state of energy level 0 represents a stopped particle that has not moved to any dimension, i.e. c stopped = (0,0,0). The state of energy level 1 represents a particle having a velocity of ± 1 in one of the three dimensions and a velocity of 0 in the other two dimensions. The state of energy level 2 represents a particle having a velocity of ± 1 in all three dimensions, or a velocity of ± 2 in one of the three dimensions and a velocity of 0 in the other two dimensions.

3つのエネルギーレベルの可能な並べ換えのすべてを生成すると、合計で39個の可能な状態が与えられる(1つのエネルギー0の状態、6つのエネルギー1の状態、8つのエネルギー3の状態、6つのエネルギー4の状態、12個のエネルギー8の状態、および6つのエネルギー9の状態)。 Generating all of the possible sorts of three energy levels gives a total of 39 possible states (1 energy 0 state, 6 energy 1 states, 8 energy 3 states, 6 energies). 4 states, 12 energies 8 states, and 6 energies 9 states).

各ボクセル(すなわち、各格子サイト)は、状態ベクトルf(x)によって表される。状態ベクトルは、ボクセルの状態を完全に定義し、39個のエントリを含む。39個のエントリは、1つのエネルギー0の状態、6つのエネルギー1の状態、8つのエネルギー3の状態、6つのエネルギー4の状態、12個のエネルギー8の状態、および6つのエネルギー9の状態に対応する。この速度セットを使用することによって、システムは、達成される平衡状態ベクトルに対してマクスウェル−ボルツマン統計を作り出すことができる。 Each voxel (ie, each grid site) is represented by a state vector f (x). The state vector fully defines the voxel state and contains 39 entries. The 39 entries are in one energy 0 state, six energy 1 states, eight energy 3 states, six energy 4 states, twelve energy 8 states, and six energy 9 states. Correspond. Using this speed set, the system can produce Maxwell-Boltzmann statistics for the equilibrium state vector achieved.

処理効率のために、ボクセルは、マイクロブロックと呼ばれる2×2×2体積にグループ化される。マイクロブロックは、ボクセルの並列処理を可能にし、データ構造に関連するオーバーヘッドを最小にするように編成される。マイクロブロックのボクセルの簡易表記は、Ni(n)として定義され、ここで、nは、マイクロブロック内の格子サイトの相対位置を表し、n∈{0,1,2,・・・,7}である。 For processing efficiency, voxels are grouped into 2x2x2 volumes called microblocks. Microblocks are organized to allow parallel processing of voxels and minimize the overhead associated with data structures. Shorthand voxel microblocks is defined as N i (n), where, n is represents the relative positions of the lattice sites in the macroblock, n∈ {0,1,2, ···, 7 } in is there.

マイクロブロックが図11に示される。 The microblock is shown in FIG.

図12Aおよび図12Bを参照すると、表面S(図12A)は、シミュレーション空間(図12B)にファセットFαの集合として表されており、
S={Fα} 式(I6)
であり、ここで、αは、特定のファセットを挙げるインデクスである。ファセットは、ボクセル境界に制限されるのではなくて、ファセットが比較的少数のボクセルに影響を与えるように、一般に、ファセットに隣接するボクセルのサイズと同等かまたはそれよりもわずかに小さいサイズにされる。表面動力学を実施するために、特性がファセットに割り当てられる。特に、各ファセットFαは、単位法線(nα)、表面積(Aα)、中心位置(xα)、およびファセットの表面動力学特性を記述するファセット分布関数(fi(α))を有する。全エネルギー分布関数qi(α)は、ファセットとボクセルの相互作用の流れ分布と同じように扱われる。
Referring to FIGS. 12A and 12B, the surface S (FIG. 12A) is represented as a set of facets F alpha to the simulation space (FIG. 12B),
S = {F α } formula (I6)
Where α is an index that lists a particular facet. Facets are generally sized to be equal to or slightly smaller than the size of voxels adjacent to the facets so that the facets affect a relatively small number of voxels, rather than being restricted to voxel boundaries. To. Properties are assigned to facets to perform surface dynamics. In particular, each facet F alpha, unit normal (n alpha), surface area (A alpha), the center position (x alpha), and facet facet distribution function describing the surface kinetics of the (f i (α)) Have. The total energy distribution function q i (α) is treated in the same way as the flow distribution of facet-voxel interactions.

図13を参照すると、処理効率を改善するために、異なるレベルの分解能をシミュレーション空間の異なる領域で使用することができる。一般に、オブジェクト322のまわりの領域320が、最も重要であり、それゆえに、最も高い分解能でシミュレートされる。粘性の影響はオブジェクトからの距離とともに減少するので、低下したレベルの分解能(すなわち、拡大されたボクセル体積)が、オブジェクト322から増加した距離に離間された領域324、326をシミュレートするために使用される。 With reference to FIG. 13, different levels of resolution can be used in different regions of the simulation space to improve processing efficiency. In general, the area 320 around the object 322 is the most important and therefore simulated with the highest resolution. Since the effect of viscosity decreases with distance from the object, a reduced level of resolution (ie, the expanded voxel volume) is used to simulate regions 324, 326 separated by an increased distance from the object 322. Will be done.

同様に、図14に示すように、低いレベルの分解能が、オブジェクト342のあまり重要でないフィーチャのまわりの領域340をシミュレートするために使用されてもよく、一方、最高レベルの分解能が、オブジェクト342の最も重要なフィーチャ(例えば、先頭の表面および末尾の表面)のまわりの領域344をシミュレートするために使用される。遠く隔った領域346は、最低レベルの分解能および最大のボクセルを使用してシミュレートされる。 Similarly, as shown in FIG. 14, a low level of resolution may be used to simulate the area 340 around the less important features of object 342, while the highest level of resolution is object 342. It is used to simulate the area 344 around the most important features of (eg, top and end surfaces). The distant region 346 is simulated using the lowest level of resolution and the largest voxels.

C.ファセットによって影響されるボクセルの識別
図10を再び参照すると、シミュレーション空間がモデル化された(ステップ272)後、1つまたは複数のファセットによって影響されるボクセルが識別される(ステップ274)。ボクセルは、ファセットによっていくつかの様式で影響される可能性がある。最初に、1つまたは複数のファセットが交差しているボクセルは、交差していないボクセルと比べて体積が減少するという点で影響を受ける。これは、ファセットと、ファセットによって表される表面下にある物質とがボクセルの一部分を占めるので生じる。分画因子Pf(x)は、ファセットによって影響されないボクセルの部分(すなわち、流れがシミュレートされている流体または他の物質によって占められ得る部分)を示す。交差していないボクセルでは、Pf(x)は1に等しい。
C. Identifying Voxels Affected by Facets With reference to FIG. 10 again, after the simulation space is modeled (step 272), voxels affected by one or more facets are identified (step 274). Voxels can be affected in several ways by facets. First, voxels with one or more facets intersecting are affected in that they are reduced in volume compared to non-intersecting voxels. This occurs because the facets and the underlying material represented by the facets occupy a portion of the voxel. Fractional factor P f (x) indicates the portion of the voxel that is unaffected by the facet (ie, the portion that can be occupied by the fluid or other substance whose flow is being simulated). For non-intersecting voxels, P f (x) is equal to 1.

ファセットに粒子を移送するかまたはファセットから粒子を受け取ることによって1つまたは複数のファセットと相互作用するボクセルはまた、ファセットによって影響されるボクセルとして識別される。ファセットが交差するすべてのボクセルは、ファセットから粒子を受け取る少なくとも1つの状態と、ファセットに粒子を移送する少なくとも1つの状態とを含むことになる。ほとんどの場合、追加のボクセルはまた、そのような状態を含むことになる。 Voxels that interact with one or more facets by transferring the particles to or receiving the particles from the facets are also identified as voxels affected by the facets. All voxels at which the facets intersect will include at least one state of receiving the particles from the facets and at least one state of transferring the particles to the facets. In most cases, additional voxels will also include such a condition.

図15を参照すると、0でない速度ベクトルciを有する状態iごとに、ファセットFαは、平行六面体Gによって定義された領域から粒子を受け取るか、またはそれに粒子を移送し、その平行六面体Gは、速度ベクトルciとファセットの単位法線nαとのベクトル内積の大きさ(|cii|)によって定義された高さと、ファセットの表面積Aαによって定義される底面とを有し、その結果、平行六面体Gの体積Vは、
=|ciα|Aα 式(I7)
に等しい。
Referring to FIG. 15, for each state i having a non-zero velocity vector c i , the facet F α either receives a particle from the region defined by the parallelepiped G i α or transfers the particle to it and its parallelepiped G is the velocity vector c i and the vector inner product of the unit normal n alpha facet size chromatic and height defined by a bottom surface defined by the surface area a alpha facet (| | c i n i) and, as a result, the volume V i.alpha parallelepiped G i.alpha is
V i α = | c i n α | A α formula (I7)
be equivalent to.

ファセットFαは、状態の速度ベクトルがファセットの方に向けられている(|cii|<0)とき、体積Vから粒子を受け取り、状態の速度ベクトルがファセットから離れるように向けられている(|cii|>0)とき、その領域に粒子を移送する。以下で論じるように、この式は、別のファセットが平行六面体Gの一部を占める、すなわち、内部の隅などの非凸面フィーチャの近傍で生じる得る状態である場合、修正されなければならない。 The facets F alpha, the velocity vector of the state is directed towards the facet (| c i n i | < 0) when receives the particles from the volume V i.alpha, the velocity vector of the state is directed away from the facet and are (| c i n i |> 0) when, for transporting the particles to the region. As discussed below, this formula, another facet occupies a portion of the parallelepiped G i.alpha, i.e., when a condition for obtaining occurring in the vicinity of the non-convex surface features such as internal corner must be modified.

ファセットFαの平行六面体Gは、多数のボクセルの一部またはすべてと重なることがある。ボクセルまたはその一部の数は、ボクセルのサイズに対するファセットのサイズ、状態のエネルギー、および格子構造に対するファセットの方位に依存する。影響されるボクセルの数は、ファセットのサイズとともに増加する。その結果、ファセットのサイズは、上記のように、一般に、ファセットの近くに配置されたボクセルのサイズと同等かまたはそれよりも小さくなるように選択される。 Parallelepiped G i.alpha facet F alpha may overlap with some or all of a number of voxels. The number of voxels or parts thereof depends on the size of the facets relative to the size of the voxels, the energy of the state, and the orientation of the facets with respect to the lattice structure. The number of voxels affected increases with facet size. As a result, the size of the facet is generally chosen to be equal to or smaller than the size of the voxels placed near the facet, as described above.

平行六面体Gが重なったボクセルN(x)の部分は、V(x)として定義される。この項を使用して、ボクセルN(x)とファセットFαとの間を移動する状態iの粒子の流束Γ(x)は、ボクセル内の状態iの粒子の密度(Ni(x))と、ボクセルとの重なりの領域の体積(V(x))とを乗算したものに等しい。
Γ(x)=Ni(x)+V(x) 式(I8)
Portion of the voxel N (x) which overlap parallelepiped G i.alpha is defined as V iα (x). Using this term, the flux Γ i α (x) of the particles in state i moving between the voxel N (x) and the facet F α is the density of the particles in state i in the voxel (N i (x). )) Is equal to the product of the volume of the region of overlap with the voxel (V (x)).
Γ (x) = N i (x) + V (x) Equation (I8)

平行六面体Gが1つまたは複数のファセットと交差するとき、以下条件は真である。
=ΣVα(x)+ΣV(β) 式(I9)
ここで、第1の合計は、Gが重なったすべてのボクセルに相当し、第2の項は、Gと交差するすべてのファセットに相当する。平行六面体Gが別のファセットと交差しない場合、この式は、
=ΣV(x) 式(I10)
である。
When parallelepiped G i.alpha intersects one or more facets, following conditions are true.
V iα = ΣV α (x) + ΣV iα (β) formula (I9)
Here, the first sum corresponds to all voxels in which G overlaps, and the second term corresponds to all facets intersecting G . If parallelepiped G i.alpha does not intersect with another facet, the formula
V iα = ΣV iα (x) formula (I10)
Is.

D.シミュレーションの実行
1つまたは複数のファセットによって影響されるボクセルが識別された(ステップ274)後、シミュレーションを始めるために、タイマーが初期化される(ステップ276)。シミュレーションの各時間増分の間に、ボクセルからボクセルへの粒子の移動は、粒子と表面ファセットとの相互作用を引き起こす移流段階(ステップ278〜286)によってシミュレートされる。次に、衝突段階(ステップ288)は、各ボクセル内の粒子の相互作用をシミュレートする。その後、タイマーが増分される(ステップ290)。増分されたタイマーが、シミュレーションの完了(ステップ292)を示さない場合、移流および衝突段階(ステップ278〜290)が繰り返される。増分されたタイマーが、シミュレーションの完了(ステップ292)を示す場合、シミュレーションの結果が、格納および/または表示される(ステップ294)。
D. Running Simulation After the voxels affected by one or more facets have been identified (step 274), a timer is initialized to start the simulation (step 276). During each time increment of the simulation, the movement of the particles from voxel to voxel is simulated by an advection step (steps 278-286) that causes the interaction of the particles with the surface facets. The collision step (step 288) then simulates the interaction of particles within each voxel. The timer is then incremented (step 290). If the incremented timer does not indicate the completion of the simulation (step 292), the advection and collision steps (steps 278-290) are repeated. If the incremented timer indicates the completion of the simulation (step 292), the simulation results are stored and / or displayed (step 294).

1.表面の境界条件
表面との相互作用を正しくシミュレートするために、各ファセットは、4つの境界条件を満たさなければならない。第1に、ファセットが受け取る粒子の合計質量は、ファセットが移送する粒子の合計質量に等しくなければならない(すなわち、ファセットへの正味質量流束は0に等しくなければならない)。第2に、ファセットが受け取る粒子の合計エネルギーは、ファセットが移送する粒子の合計エネルギーに等しくなければならない(すなわち、ファセットへの正味エネルギー流束は0に等しくなければならない)。これらの2つの条件は、各エネルギーレベル(すなわち、エネルギーレベル1および2)の正味質量流束が0に等しいことを要求することによって満たすことができる。
1. 1. Surface Boundary Conditions Each facet must meet four boundary conditions in order to correctly simulate surface interaction. First, the total mass of particles received by the facet must be equal to the total mass of particles transferred by the facet (ie, the net mass flux to the facet must be equal to 0). Second, the total energy of the particles received by the facet must be equal to the total energy of the particles transferred by the facet (ie, the net energy flux to the facet must be equal to zero). These two conditions can be met by requiring that the net mass flux at each energy level (ie, energy levels 1 and 2) be equal to zero.

他の2つの境界条件は、ファセットと相互作用する粒子の正味運動量に関連する。本明細書で滑り面と呼ばれる表面摩擦のない表面では、正味接線運動量流束は0に等しくなければならず、正味法線運動量流束は、ファセットの局所圧力に等しくなければならない。したがって、ファセットの法線nαに垂直である受け取った合計の運動量と移送した合計の運動量の成分(すなわち、接線成分)は等しくなければならず、一方、ファセットの法線nαに平行である受け取った合計の運動量と移送した合計の運動量の成分(すなわち、法線成分)との間の差は、ファセットでの局所圧力に等しくなければならない。非滑り面では、表面の摩擦は、ファセットが受け取る粒子の合計接線運動量に対するファセットが移送する粒子の合計接線運動量を摩擦量に関連する係数だけ減少させる。 The other two boundary conditions relate to the net momentum of the particles interacting with the facets. On a surface without surface friction, referred to herein as a slip surface, the net tangential momentum flux must be equal to zero and the net normal momentum flux must be equal to the local pressure of the facet. Therefore, the component of the total momentum received and the total momentum transferred (ie, the tangent component), which is perpendicular to the facet normal n α , must be equal, while parallel to the facet normal n α. The difference between the total momentum received and the component of the total momentum transferred (ie, the normal component) must be equal to the local pressure at the facet. On non-slip surfaces, surface friction reduces the total tangential momentum of the particles transferred by the facet relative to the total tangential momentum of the particles received by the facet by a factor related to the friction.

2.ボクセルからファセットへの収集
粒子と表面との間の相互作用をシミュレートする際の第1のステップとして、粒子が、ボクセルから収集され、ファセットに供給される(ステップ278)。上記のように、ボクセルN(x)とファセットFαとの間の状態iの粒子の流束は、
Γ(x)=Ni(x)V(x) 式(I11)
である。
2. 2. Voxel-to-facet collection As a first step in simulating the interaction between particles and surfaces, particles are collected from the voxels and fed to the facets (step 278). As described above, the flux of particles in state i between voxel N (x) and facet F α is
Γ (x) = N i (x) V (x) Equation (I11)
Is.

この式から、ファセットFαに向けられた状態i(ciα<0)ごとに、ボクセルがファセットFαに供給する粒子の数は、
ΓiαV→F=ΣXΓ(x)=ΣXi(x)V(x) 式(I12)
である。
From this equation, for each state directed to the facet F α i (c i n α <0), the number of voxels facet F alpha to supply particles,
Γ iα V → F = Σ X Γ i α (x) = Σ X N i (x) V i α (x) Equation (I12)
Is.

(x)が0でない値を有するボクセルのみが合計されなければならない。上記のように、ファセットのサイズは、V(x)が少数のボクセルでのみ0でない値を有するように選択される。V(x)およびPf(x)は非整数値を有することがあるので、Γα(x)は実数として格納および処理される。 Only voxels with a non-zero value for V (x) must be summed. As mentioned above, the facet size is chosen such that V (x) has a non-zero value only in a small number of voxels. Since V i α (x) and P f (x) can have non-integer values, Γ α (x) is stored and processed as a real number.

3.ファセットからファセットへの移動
次に、粒子がファセット間で移動される(ステップ280)。ファセットFαの流入状態(ciα<0)の平行六面体Gが、別のファセットFβと交差する場合、ファセットFαが受け取った状態iの粒子の一部は、ファセットFβから来ることになる。特に、ファセットFαは、以前の時間増分の間にファセットFβによって作り出された状態iの粒子の一部を受け取ることになる。
3. 3. Moving from facet to facet Next, particles are moved between facets (step 280). When the parallelepiped G i α in the inflow state of facet F α (c i n α <0) intersects another facet F β , some of the particles in state i received by facet F α are from facet F β. Will come. In particular, the facet F α will receive some of the particles in state i created by the facet F β during the previous time increment.

次に、図17を参照すると、以前の時間増分の間にファセットFβによって作り出された状態iの粒子の関係が示される。図17において、ファセットFβと交差する平行六面体Gの一部380が、ファセットFαと交差する平行六面体Gの一部382と等しいことが示される。上記のように、交差部分は、V(β)として表される。この項を使用して、ファセットFβとファセットFαとの間の状態iの粒子の流束は、
Γ(β,t−1)=Γi(β)V(β)/V 式(I.13)
として記述することができ、ここで、Γi(β,t−1)は、以前の時間増分の間にファセットFβによって作り出された状態iの粒子の分量である。この式から、ファセットFα(ciα<0)に向けられた状態iごとに、他のファセットによってファセットFαに供給される粒子の数は、
ΓiαF→F=ΣβΓ(β)=ΣβΓi(β,t−1)V(β)/V 式(I.14)
であり、ファセットへの状態iの粒子の全流束は、
ΓiIN(α)=ΓiαF→F+ΓiαF→F=Σxi(x)V+ΣβΓi(β,t−1)V(β)/V 式(I.15)
である。
Next, with reference to FIG. 17, the relationship between the particles in state i created by facet F β during the previous time increment is shown. 17, a portion 380 of the parallelepiped G i.alpha intersecting the facet F beta is, it is shown equal to the part 382 of the parallelepiped G i.beta intersecting the facet F alpha. As mentioned above, the intersection is represented as Viα (β). Using this term, the flux of particles in state i between facet F β and facet F α is
Γ iα (β, t-1 ) = Γ i (β) V iα (β) / V iα formula (I.13)
Where Γ i (β, t-1) is the amount of particles in state i produced by facet F β during the previous time increment. The number from this equation, facet F α (c i n α < 0) for each state i, which is directed to, particles fed to the facet F alpha by another facet,
Γ iα F → F = Σ β Γ i α (β) = Σ β Γ i (β, t-1) V i α (β) / V i α equation (I.14)
And the total flux of the particles of state i to the facet is
Γ iIN (α) = Γ i α F → F + Γ i α F → F = Σ x N i (x) V i α + Σ β Γ i (β, t-1) V i α (β) / V i α equation (I.15)
Is.

ファセット分布関数とも呼ばれるファセットの状態ベクトルN(α)は、ボクセル状態ベクトルのM個のエントリに対応するM個のエントリを有する。Mは、離散格子速度の数である。ファセット分布関数N(α)の入力状態は、それらの状態への粒子の流束を体積Vで除算したものに等しく設定され、ciα<0に対して、
i(α)=ΓiIN(α)/V 式(I.16)
である。
The facet state vector N (α), also called the facet distribution function, has M entries corresponding to the M entries of the voxel state vector. M is the number of discrete lattice velocities. Input state of the facet distribution function N (alpha) is set equal to those obtained by dividing the flux of particles to their state in the volume V i.alpha, against c i n α <0,
N i (α) = Γ iIN (α) / V i α equation (I.16)
Is.

ファセット分布関数は、ファセットからの出力流束を生成するためのシミュレーションツールであり、必ずしも実際の粒子を表していない。正確な出力流束を生成するために、分布関数の他の状態に値を割り当てる。内向き状態を投入するための上述の技法を使用して、外向き状態が投入され、ciα≧0では、
i(α)=ΓiOTHER(α)/V 式(I.17)
であり、ここで、ΓiOTHER(α)は、ΓiIN(α)を生成するための上述の技法を使用するが、流入状態(ciα<0)以外の状態(ciα≧0)にこの技法を適用して決定される。代替の手法では、ΓiOTHER(α)は、以前の時間ステップからのΓiOUT(α)の値を使用して生成することができ、その結果、
ΓiOTHER(α,t)=ΓiOUT(α,t−1) 式(I.18)
となる。
The facet distribution function is a simulation tool for generating the output flux from the facet and does not necessarily represent the actual particle. Assign values to other states of the distribution function to generate an accurate output flux. Using the above techniques for introducing inward state, outwards state is turned on, the c i n α ≧ 0,
N i (α) = Γ iOTHER (α) / V iα formula (I.17)
Here, Γ iOTHER (α) uses the above technique for generating Γ iIN (α), but states other than the inflow state (c i n α <0) (c i n α ≧). It is determined by applying this technique to 0). In an alternative approach, Γ iOTHER (α) can be generated using the value of Γ iOUT (α) from the previous time step, and as a result,
Γ iOTHER (α, t) = Γ iOUT (α, t-1) Equation (I.18)
Will be.

平行状態(ciα=0)では、VとV(x)は共に0である。Ni(α)の式において、V(x)は、分子に現われ(ΓiOTHER(α)の式から)、Vは、分母に現われる(Ni(α)の式から)。その結果、平行状態のNi(α)は、VおよびV(x)が0に近づくときのNi(α)の極限として決定される。0速度を有する状態(すなわち、静止状態、ならびに状態(0,0,0,2)および(0,0,0,−2))の値は、温度と圧力の初期条件に基づいてシミュレーションの初めに初期化される。次いで、これらの値は、時間とともに調節される。 In the parallel state (c i n α = 0), both V i α and V i α (x) are 0. In the equation of N i (α), V i α (x) appears in the numerator (from the equation of Γ iOTHER (α)) and V i α appears in the denominator (from the equation of N i (α)). As a result, the parallel state N i (alpha) is determined as a limit of N i (alpha) when V i.alpha and V i.alpha (x) approaches zero. The values of the states with zero velocity (ie, the stationary state, and the states (0,0,0,2) and (0,0,0,-2)) are the beginning of the simulation based on the initial conditions of temperature and pressure. Is initialized to. These values are then adjusted over time.

4.ファセット表面動力学の実行
次に、表面動力学が、ファセットごとに、上述で論じた4つの境界条件を満たすように実行される(ステップ282)。ファセットに表面動力学を実行するための手順が、図18に示される。最初に、ファセットFαに垂直な合計運動量が、ファセットにおける粒子の合計運動量P(α)を決定することによって、すべてのiに対して、
4. Execution of facet surface dynamics Next, surface dynamics are executed for each facet so as to satisfy the four boundary conditions discussed above (step 282). The procedure for performing surface dynamics on the facet is shown in FIG. First, for all i, the total momentum perpendicular to the facet F α determines the total momentum P (α) of the particles in the facet.

Figure 2020201961
として決定される(ステップ392)。この式から、法線運動量Pn(α)は、
n(α)=nα・P(α) 式(I.20)
として決定される。
Figure 2020201961
Is determined as (step 392). From this equation, the normal momentum P n (α) is
P n (α) = n α · P (α) equation (I.20)
Is determined as.

次いで、この法線運動量がプッシュ/プル技法を使用して除去されて(ステップ394)、Nn-(α)が作り出される。この技法によって、粒子は、法線運動量にのみ影響を与えるように状態間で移動される。プッシュ/プル技法は、米国特許第5,594,671号に説明されており、それは参照によって組み込まれる。 This normal momentum is then removed using a push / pull technique (step 394) to produce N n- (α). By this technique, particles are moved between states so that they only affect normal momentum. The push / pull technique is described in US Pat. No. 5,594,671 which is incorporated by reference.

その後、Nn-(α)の粒子を衝突させて、ボルツマン分布Nn-β(α)を作り出す(ステップ396)。流体動力学の実行に関して以下で説明するように、ボルツマン分布は、衝突規則のセットをNn-(α)に適用することによって達成することができる。 Then, the particles of N n- (α) are collided to create a Boltzmann distribution N n-β (α) (step 396). The Boltzmann distribution can be achieved by applying a set of collision rules to N n- (α), as described below for the practice of fluid dynamics.

ファセットFαの流出流束分布が、流入流束分布、CFL制約違反を考慮に入れるための修正流束計算、およびボルツマン分布に基づいて、決定される(ステップ398)。 Effluent flux distribution of facet F alpha is flowing flux distribution, corrected flux calculation to take into account the CFL constraint violations, and on the basis of the Boltzmann distribution is determined (step 398).

最初に、流入流束分布Γi(α)とボルツマン分布との間の差が、
ΔΓi(α)=ΓiIN(α)−Nn-βi(α)V 式(I.21)
として決定される。
First, the difference between the inflow flux distribution Γ i (α) and the Boltzmann distribution is
ΔΓ i (α) = Γ iIN (α) −N n-β i (α) V i α equation (I.21)
Is determined as.

この差を使用して、流出流束分布は、
αi>0に対して、
ΓiOUT(α)=Nn-βi(α)V−.Δ.Γi*(α) 式(I.22)
であり、ここで、i*は、状態iと反対の方向を有する状態である。例えば、状態iが(1,1,0,0)である場合、状態i*は(−1,−1,0,0)である。表面摩擦および他の要因を考慮するために、流出流束分布は、以下のようにさらに精密にすることができる。nαi>0に対して、
ΓiOUT(α)=Nn-Bi(α)V−ΔΓi*(α)+
f(nα・ci)−[Nn-βi*(α)−Nn-βi(α)]V
(nα・ci)(t・ci)ΔNj,1
(nα・ci)(t・ci)ΔNj,2 式(I.23)
であり、ここで、Cfは、表面摩擦の関数であり、tは、nαに垂直な第1の接線ベクトルであり、tは、nαとtの両方に垂直な第2の接線ベクトルであり、ΔNj,1およびΔNj,2は、状態iおよび表示された接線ベクトルのエネルギー(j)に対応する分布関数である。分布関数は、
Using this difference, the outflow flux distribution
For n α c i > 0
Γ iOUT (α) = N n-β i (α) V i α −. Δ. Γ i * (α) Equation (I.22)
Here, i * is a state having a direction opposite to that of the state i. For example, when the state i is (1,1,0,0), the state i * is (-1, -1,0,0). To take into account surface friction and other factors, the outflow flux distribution can be further refined as follows. For n α c i > 0
Γ iOUT (α) = N n -Bi (α) V iα -ΔΓ i * (α) +
C f (n α · c i )-[N n-βi * (α) -N n-βi (α)] V +
(N α・ c i ) (t 1 α・ c i ) ΔN j, 1 V i α +
(N α · c i) ( t 2α · c i) ΔN j, 2 V iα formula (I.23)
, And the Here, C f, is a function of surface friction, t i.alpha is, n is a first tangent vector perpendicular to the alpha, t 2.alpha is, n alpha and t second both to a vertical The tangent vector of, ΔN j, 1 and ΔN j, 2 are distribution functions corresponding to the state i and the energy (j) of the displayed tangent vector. The distribution function is

Figure 2020201961
に従って決定され、ここで、jは、エネルギーレベル1の状態では1に等しく、エネルギーレベル2の状態では2に等しい。
Figure 2020201961
Here, j is equal to 1 in the state of energy level 1 and equal to 2 in the state of energy level 2.

ΓiOUT(α)の式の各項の役割は、以下の通りである。第1および第2の項は、衝突がボルツマン分布を作り出すのに有効な範囲で法線運動量流束の境界条件を強制するが、接線運動量の流束異常を含む。第4および第5の項は、不十分な衝突に起因する離散の影響または非ボルツマン構造のために生じることがあるこの異常を補正する。最後に、第3の項は、表面の接線運動量流束の所望の変化を強制するために特定の量の表面分画を追加する。摩擦係数Cfの生成について以下で説明する。ベクトル操作を含むすべての項は、シミュレーションを始める前に計算することができる幾何学的因子であることに留意されたい。 The role of each term in the equation of Γ iOUT (α) is as follows. The first and second terms enforce boundary conditions for normal momentum flux to the extent that collisions are effective in creating a Boltzmann distribution, but include tangential momentum flux anomalies. The fourth and fifth terms correct for this anomaly that may occur due to discrete effects or non-Boltzmann structures due to inadequate collisions. Finally, the third term adds a specific amount of surface fraction to force the desired change in the tangential momentum flux of the surface. The generation of the friction coefficient C f will be described below. Note that all terms, including vector manipulation, are geometric factors that can be calculated before starting the simulation.

この式から、接線速度は、
i(α)=(P(α)−Pn(α)nα)/ρ 式(I.25)
として決定され、ここで、ρは、ファセット分布の密度
From this equation, the tangential velocity is
u i (α) = (P (α) -P n (α) n α ) / ρ equation (I.25)
Determined as, where ρ is the density of the facet distribution

Figure 2020201961
である。
Figure 2020201961
Is.

前と同様に、流入流束分布とボルツマン分布との間の差は、
ΔΓi(α)=ΓiIN(α)−Nn-βi(α)V 式(I.27)
として決定される。
As before, the difference between the inflow flux distribution and the Boltzmann distribution is
ΔΓ i (α) = Γ iIN (α) −N n-β i (α) V i α equation (I.27)
Is determined as.

次いで、流出流束分布は、
ΓiOUT(α)=Nn-βi(α)V−ΔΓi*(α)+Cf(nαi)[Nn-βi*(α)−Nn-βi(α)]V 式(I.28)
になり、これは、以前の技法によって決定された流出流束分布の最初の2つのラインに対応するが、異常な接線流束への補正を必要としない。
Next, the outflow flux distribution is
Γ iOUT (α) = N n -βi (α) V iα -ΔΓ i * (α) + C f (n α c i) [N n-βi * (α) -N n-βi (α)] V iα Equation (I.28)
This corresponds to the first two lines of the outflow flux distribution determined by previous techniques, but does not require correction to anomalous tangential flux.

いずれの手法を使用しても、結果として生じる流束分布は、運動量流束条件のすべてを満たし、すなわち、 Regardless of which method is used, the resulting flux distribution meets all of the momentum flux conditions, i.e.

Figure 2020201961
であり、ここで、pαは、ファセットFαの平衡圧力であり、ファセットに粒子を供給するボクセルの平均密度および温度値に基づき、uαは、ファセットにおける平均速度である。
Figure 2020201961
Here, p α is the equilibrium pressure of facet F α , and u α is the average velocity at facet, based on the average density and temperature values of the voxels that feed the facets.

質量およびエネルギー境界条件が確実に満たされるために、入力エネルギーと出力エネルギーとの間の差が、エネルギーレベルjごとに、 To ensure that the mass and energy boundary conditions are met, the difference between the input energy and the output energy is, for each energy level j,

Figure 2020201961
として測定され、ここで、インデクスjは、状態iのエネルギーを表す。次いで、このエネルギー差を使用して、差の項を生成し、cjiα>0に対して、
Figure 2020201961
Where the index j represents the energy of the state i. This energy difference is then used to generate a term for the difference, for c j n α > 0.

Figure 2020201961
である。この差の項を使用して、cjiα>0に対して、
ΓαjiOUTf=ΓαjiOUT+δΓαji 式(I.32)
になるように流出流束を修正する。この操作は、接線運動量流束を不変のままにしながら、質量およびエネルギー流束を補正する。この調節は、流れがファセットの近傍でほぼ一様で平衡に近い場合、わずかである。調節の後に結果として生じる法線運動量流束は、近傍の平均特性に、近傍の非均一または非平衡特性による補正を加えたものに基づいて、平衡圧力である値までわずかに変更される。CFL制約が違反されている場合、プロセスは、修正流束計算手法を、図10のプロセスに含まれるいずれかの流束計算に適用する285。
Figure 2020201961
Is. Using this difference term, for c ji n α > 0,
Γ αjiOUTf = Γ αjiOUT + δΓ αji equation (I.32)
Correct the outflow flux so that This operation corrects the mass and energy flux while leaving the tangential momentum flux unchanged. This adjustment is slight when the flow is nearly uniform and close to equilibrium near the facets. The resulting normal momentum flux after adjustment is slightly modified to the equilibrium pressure value based on the mean characteristic of the neighborhood plus correction by the non-uniform or non-equilibrium characteristic of the neighborhood. If the CFL constraint is violated, the process applies the modified flux calculation method to any of the flux calculations included in the process of FIG. 10 285.

5.ボクセルからボクセルへの移動
図10を再び参照すると、粒子は、3次元直線格子に沿ってボクセル間を移動される(ステップ284)。このボクセルからボクセルへの移動は、ファセットと相互作用しないボクセル(すなわち、表面の近くに配置されないボクセル)で実行される唯一の移動操作である。典型的なシミュレーションでは、表面と相互作用するほどは表面の近くに配置されないボクセルが、大多数のボクセルを構成する。
5. Moving from voxel to voxel With reference to FIG. 10 again, the particles are moved between voxels along a three-dimensional linear lattice (step 284). This voxel-to-voxel movement is the only movement operation performed on voxels that do not interact with the facets (ie, voxels that are not located near the surface). In a typical simulation, voxels that are not placed close enough to interact with the surface make up the majority of voxels.

別個の状態の各々は、3次元x、y、およびzの各々において整数の速度で格子に沿って移動する粒子を表す。整数の速度は、0、±1、および±2を含む。速度の符号は、粒子が、対応する軸に沿って移動している方向を示す。 Each of the separate states represents a particle moving along a grid at an integer velocity in each of the three dimensions x, y, and z. Integer velocities include 0, ± 1, and ± 2. The velocity sign indicates the direction in which the particle is moving along the corresponding axis.

表面と相互作用しないボクセルでは、移動操作は、計算上極めて簡単である。状態の集団全体が、時間増分ごとの間に、現在のボクセルから目的地のボクセルに移動される。同時に、目的地のボクセルの粒子は、そのボクセルからそれ自体の目的地のボクセルに移動される。例えば、+1xおよび+1y方向(1,0,0)に移動しているエネルギーレベル1の粒子は、現在のボクセルからx方向に+1および他の方向に0にあるボクセルに移動される。粒子は、最後には、移動(1,0,0)の前に有していたものと同じ状態で目的地のボクセルに行き着く。ボクセル内の相互作用は、他の粒子および表面との局所相互作用に基づいて、その状態に対して粒子数を変更する可能性があることになる。そうでない場合、粒子は、同じ速度および方向で格子に沿って移動し続けることになる。 For voxels that do not interact with the surface, the movement operation is computationally very simple. The entire population of states is moved from the current voxel to the destination voxel in time increments. At the same time, particles of the destination voxel are moved from that voxel to its own destination voxel. For example, energy level 1 particles moving in the + 1x and + 1y directions (1,0,0) are moved from the current voxel to a voxel at +1 in the x direction and 0 in the other direction. The particles eventually arrive at the destination voxel in the same state they had before the move (1,0,0). Interactions within voxels will change the number of particles for that state based on local interactions with other particles and surfaces. Otherwise, the particles will continue to move along the grid at the same velocity and direction.

移動操作は、1つまたは複数の表面と相互作用するボクセルでは、わずかに複雑になる。これにより、1つまたは複数の分画粒子がファセットに移送されることになる。そのような分画粒子をファセットに移送することにより、分画粒子がボクセルに残ることになる。これらの分画粒子は、ファセットによって占められるボクセルに移送される。 The move operation is slightly more complicated for voxels that interact with one or more surfaces. This will transfer one or more fractionated particles to the facet. By transferring such fractionated particles to the facet, the fractionated particles will remain in the voxels. These fractionated particles are transferred to voxels occupied by facets.

図16を参照すると、ボクセル362の状態iの粒子の一部360が、ファセット364に移動される(ステップ278)場合、残りの一部366は、ファセット364が配置されているボクセル368に移動され、そこから、状態iの粒子は、ファセット364に向けられる。したがって、状態集団が25に等しく、V(x)が0.25に等しい(すなわち、ボクセルの4分の1が平行六面体Gと交差する)場合、6.25個の粒子がファセットFαに移動されることになり、18.75個の粒子がファセットFαによって占められたボクセルに移動されることになる。多数のファセットが単一のボクセルと交差するので、1つまたは複数のファセットによって占められたボクセルN(f)に移送される状態iの粒子の数は、 Referring to FIG. 16, when a part 360 of the particles in the state i of the voxel 362 is moved to the facet 364 (step 278), the remaining part 366 is moved to the voxel 368 where the facet 364 is located. From there, the particles in state i are directed to the facet 364. Therefore, the state population is equal to 25, V i.alpha (x) is equal to 0.25 (i.e., a quarter of voxel intersects the parallelepiped G i.alpha) case, 6.25 pieces of particles facet F alpha It would be moved to, so that 18.75 pieces of particles are moved to the voxels occupied by facet F alpha. Since many facets intersect a single voxel, the number of particles in state i transferred to voxel N (f) occupied by one or more facets is

Figure 2020201961
であり、ここで、N(x)はソースボクセルである。
Figure 2020201961
Where N (x) is the source voxel.

6.ファセットからボクセルへの散乱
次に、各ファセットからの流出粒子がボクセルに散乱される(ステップ286)。本質的に、このステップは、粒子がボクセルからファセットに移動される収集ステップの逆である。ファセットFαからボクセルN(x)に移動する状態iの粒子の数は、
6. Scattering from facets to voxels Next, outflow particles from each facet are scattered to voxels (step 286). In essence, this step is the reverse of the collection step in which particles are moved from voxels to facets. The number of particles in state i moving from facet F α to voxel N (x) is

Figure 2020201961
であり、ここで、Pf(x)は、部分ボクセルの体積減少に相当する。この式から、状態iごとに、ファセットからボクセルN(x)に向けられる粒子の総数は、
Figure 2020201961
Where P f (x) corresponds to the volume reduction of the partial voxels. From this equation, the total number of particles directed from facets to voxels N (x) for each state i is

Figure 2020201961
である。
Figure 2020201961
Is.

ファセットからボクセルに粒子を散乱させ、それを、周囲のボクセルから移流した粒子と組み合わせ、その結果を整数化した後、特定のボクセルの特定の方向が、アンダーフローする(負になる)か、またはオーバーフローする(8ビット実装では255を超える)可能性がある。これは、これらの量が許容範囲の値に適合するように切り捨てられた後、質量、運動量、およびエネルギーの増加または減少のいずれかをもたらすことになる。そのような現象の発生を防ぐために、違反している状態を切り捨てる前に、境界を外れた質量、運動量、およびエネルギーは蓄積される。状態が属するエネルギーに対して、増加した値(アンダーフローのために)または減少した値(オーバーフローのために)に等しい量の質量は、同じエネルギーを有しかつそれ自体オーバーフローまたはアンダーフローの影響を受けないランダムに(または逐次に)選択された状態に追加される。この質量およびエネルギーの追加から生じる追加の運動量は、蓄積され、切捨てによる運動量に追加される。同じエネルギー状態にのみ質量を追加することによって、質量カウンタが0に達すると、質量とエネルギーの両方が補正される。最後に、運動量は、運動量アキュムレーターが0に戻るまでプッシュ/プル技法を使用して補正される。 After scattering particles from facets to voxels, combining them with particles advected from surrounding voxels, and integerizing the results, certain directions of a particular voxel either underflow (negative) or become negative. It can overflow (more than 255 for 8-bit implementations). This will result in either an increase or decrease in mass, momentum, and energy after these amounts have been truncated to fit acceptable values. To prevent the occurrence of such phenomena, off-boundary mass, momentum, and energy are stored before truncating the violating state. An amount of mass equal to an increased value (due to underflow) or a decreased value (due to overflow) with respect to the energy to which the state belongs has the same energy and is itself affected by overflow or underflow. Not received Added to randomly (or sequentially) selected states. The additional momentum resulting from this mass and energy addition is accumulated and added to the momentum due to truncation. By adding mass only to the same energy state, both mass and energy are corrected when the mass counter reaches zero. Finally, the momentum is corrected using the push / pull technique until the momentum accumulator returns to zero.

7.流体動力学の実行
流体動力学が実行される(ステップ288)、図10。このステップは、マイクロ動力学またはイントラボクセル操作と呼ぶこともできる。同様に、移流手順は、インターボクセル操作と呼ぶこともできる。以下で説明するマイクロ動力学操作を、さらに、ファセットで粒子を衝突させるのに使用して、ボルツマン分布を作り出すことができる。
7. Execution of Fluid Dynamics Execution of fluid dynamics (step 288), FIG. This step can also be called microdynamics or intra-voxel manipulation. Similarly, the advection procedure can also be referred to as an intervoxel operation. The microdynamic operations described below can also be used to collide particles with facets to create a Boltzmann distribution.

流体動力学は、BGK衝突モデルとして知られている特定の衝突演算子によって格子ボルツマン方程式モデルにおいて保証される。この衝突モデルは、実際の流体系の分布の動力学を模倣している。衝突過程は、式1および式2の右側によって完全に記述することができる。移流ステップの後、流体系の保存される量、具体的には、密度、運動量、およびエネルギーは、式3を使用して分布関数から得られる。これらの量から、式(2)のfeqで示された平衡分布関数は、式(4)によって完全に規定される。速度のベクトルセットci、重み、および両方の選択は、表1にリストされており、式2と一緒に、巨視的挙動が正しい流体力学の式に従うことを保証する。 Fluid dynamics is guaranteed in the lattice Boltzmann equation model by a specific collision operator known as the BGK collision model. This collision model mimics the dynamics of the distribution of an actual fluid system. The collision process can be fully described by the right side of Equations 1 and 2. After the advection step, the conserved amount of the fluid system, specifically the density, momentum, and energy, is obtained from the distribution function using Equation 3. From these quantities, the equilibrium distribution function represented by f eq in equation (2) is completely defined by equation (4). The velocity vector set c i , weights, and selection of both are listed in Table 1, and together with Equation 2, ensure that the macroscopic behavior follows the correct hydrodynamic equation.

可変分解能
可変分解能(米国特許出願公開第2013/0151221号に論じられているような)が、さらに、使用されてもよく、異なるサイズのボクセル、例えば、粗いボクセルおよび細かいボクセルを使用することになる。
Variable resolution Variable resolution (as discussed in US Patent Application Publication No. 2013/0151221) may also be used, resulting in the use of voxels of different sizes, such as coarse and fine voxels. ..

固有過渡的格子ボルツマンベース物理学を活用することによって、システムは、現実の条件を正確に予測するシミュレーションを実行することができる。例えば、エンジニアは、変更の影響が設計および経費にとって最も重要である場合、プロトタイプが構築される前の設計プロセスにおいて製品性能を早期に評価する。システムは、CAD幾何学を使用して、空気力学、空気−音響、および熱管理シミュレーションを正確に効率的に実行する。システムは、次のような用途に対処するためにシミュレーションを実行することができる。空気力学(空気力学効率;車両操作;汚れおよび水管理;パネル変形;運転動力学)、空力音響(温室風騒音;底部風騒音;ギャップ/シール騒音;ミラー、ホイッスル、およびトーナル騒音;サンルーフおよび窓バフェッティング;通過/ 都市騒音;冷却ファン騒音)、熱管理(冷却気流;熱保護;ブレーキ冷却;運転サイクルシミュレーション;キーオフおよびソーク;電子機器およびバッテリ冷却;ROA /吸気ポート)、空調(室内快適性;HVACユニット&配電系統性能;HVACシステムおよびファン騒音;霜取りおよび解凍)、パワートレイン(ドライブトレイン冷却;排気システム;冷却ジャケット;エンジンブロック)、汚れおよび水管理(ピラーオーバーフロー、ちりおよびほこりの蓄積、タイヤスプレー)など。 By leveraging the intrinsic transient lattice Boltzmann-based physics, the system can perform simulations that accurately predict real-life conditions. For example, engineers evaluate product performance early in the design process before the prototype is built, if the impact of the change is of paramount importance to design and cost. The system uses CAD geometry to perform aerodynamic, air-acoustic, and thermal management simulations accurately and efficiently. The system can run simulations to address the following uses: Aerodynamics (aerodynamic efficiency; vehicle operation; dirt and water management; panel deformation; driving dynamics), aerodynamics (greenhouse wind noise; bottom wind noise; gap / seal noise; mirror, whistle, and tonal noise; sunroof and windows Buffeting; Passing / Urban noise; Cooling fan noise), Thermal management (Cooling airflow; Thermal protection; Brake cooling; Operation cycle simulation; Key-off and soak; Electronic equipment and battery cooling; ROA / Intake port), Air conditioning (Indoor comfort) Gender; HVAC unit & distribution system performance; HVAC system and fan noise; defrosting and thawing), power train (drive train cooling; exhaust system; cooling jacket; engine block), dirt and water management (pillar overflow, dust and dust accumulation) , Tire spray) etc.

本明細書に記載された主題および機能動作の実施形態は、デジタル電子回路、有形に具現されたコンピュータソフトウェアもしくはファームウェア、コンピュータハードウェア(本明細書に開示されている構造および構造等価物を含む)で、またはこれらのうちの1つまたは複数の組合せで実現することができる。本明細書に記載されている主題の実施形態は、1つまたは複数のコンピュータプログラム(すなわち、データ処理装置による実行のため、またはデータ処理装置の動作の制御のために有形の非一時的プログラムキャリアに符号化されたコンピュータプログラム命令の1つまたは複数のモジュール)として実現することができる。コンピュータ記憶媒体は、機械可読ストレージデバイス、機械可読ストレージサブストレート、ランダムもしくはシリアルアクセスメモリデバイス、またはそれらの1つまたは複数の組合せとすることができる。 Embodiments of the subject matter and functional operation described herein include digital electronic circuits, tangibly embodied computer software or firmware, computer hardware, including the structures and structural equivalents disclosed herein. It can be realized with or in combination of one or more of these. Embodiments of the subject matter described herein are tangible non-temporary program carriers for execution by one or more computer programs (ie, for execution by a data processor or for controlling the operation of a data processor). It can be realized as one or more modules of computer program instructions encoded in. The computer storage medium can be a machine-readable storage device, a machine-readable storage substrate, a random or serial access memory device, or a combination of one or more thereof.

「データ処理装置」という用語は、データ処理ハードウェアを参照し、例として、プログラマブルプロセッサ、コンピュータ、または多数のプロセッサもしくはコンピュータを含むデータを処理するためのすべての種類の装置、デバイス、および機械を包含する。装置は、専用論理回路(例えば、FPGA(フィールドプログラマブルゲートアレイ)またはASIC(特定用途向け集積回路))とすることもでき、またはそれをさらに含むことができる。ハードウェアに加えて、装置は、コンピュータプログラムのための実行環境を作り出すコード(例えば、プロセッサファームウェア、プロトコルスタック、データベース管理システム、オペレーティングシステム、またはそれらの1つまたは複数の組合せを構成するコード)をオプションとして含むことができる。 The term "data processor" refers to data processing hardware, eg, programmable processors, computers, or all types of devices, devices, and machines for processing data, including multiple processors or computers. Include. The device can be a dedicated logic circuit (eg, FPGA (Field Programmable Gate Array) or ASIC (Application Specific Integrated Circuit)), or can further include it. In addition to the hardware, the device contains the code that creates the execution environment for the computer program (eg, the code that makes up the processor firmware, protocol stack, database management system, operating system, or one or more combinations thereof). Can be included as an option.

プログラム、ソフトウェア、ソフトウェアアプリケーション、モジュール、ソフトウェアモジュール、スクリプト、またはコードと呼ぶまたは記載することもできるコンピュータプログラムは、コンパイル型もしくはインタープリタ型言語、または宣言型もしくは手続き型言語を含む任意の形態のプログラミング言語で書くことができ、スタンドアロンプログラムとして、またはコンピューティング環境での使用に適したモジュール、コンポーネント、サブルーチン、もしくは別のユニットとしてを含む任意の形態で配備することができる。コンピュータプログラムは、ファイルシステムにおけるファイルに対応することができるが、対応する必要はない。プログラムは、他のプログラムまたはデータ(例えば、マークアップ言語ドキュメントに、当該のプログラムに専用の単一ファイルに、または多数の協調ファイル(例えば、1つまたは複数のモジュール、サブプログラム、もしくはコードの一部を格納するファイル)に格納された1つまたは複数のスクリプト)を保持するファイルの一部に格納することができる。コンピュータプログラムは、プログラムが、1つのコンピュータで実行されるか、または1つのサイトに配置されるかもしくは多数のサイトにわたって分散され、データ通信ネットワークによって相互接続された多数のコンピュータで実行されるように配備することができる。 Computer programs, which can also be referred to or written as programs, software, software applications, modules, software modules, scripts, or code, are any form of programming language, including compiled or interpreted languages, or declarative or procedural languages. It can be written in and deployed in any form, including as a stand-alone program or as a module, component, subroutine, or separate unit suitable for use in a computing environment. Computer programs can, but do not have to, handle files in the file system. A program can be another program or data (eg, in a markup language document, in a single file dedicated to that program, or in a number of collaborative files (eg, one or more modules, subprograms, or code). It can be stored in a part of the file that holds one or more scripts) stored in the file that stores the part. A computer program is such that the program runs on one computer, is located at one site, or is distributed across many sites and runs on many computers interconnected by a data communication network. Can be deployed.

コンピュータプログラムの実行に適したコンピュータは、汎用もしくは専用マイクロプロセッサまたは両方、あるいは他の種類の中央処理装置に基づくことができる。コンピュータプログラム命令およびデータを格納するのに適したコンピュータ可読媒体は、例として、半導体メモリデバイス(例えば、EPROM、EEPROM、およびフラッシュメモリデバイス)、磁気ディスク(例えば、内部ハードディスクまたはリムーバブルディスク)、光磁気ディスク、およびCD−ROMとDVD−ROMディスクを含む、媒体およびメモリデバイス上のすべての形態の不揮発性メモリを含む。プロセッサおよびメモリは、専用論理回路によって補足されるかまたは専用論理回路に組み込まれてもよい。 A computer suitable for executing a computer program can be based on a general purpose or dedicated microprocessor or both, or other types of central processing units. Computer-readable media suitable for storing computer program instructions and data include, for example, semiconductor memory devices (eg, EPROM, EEPROM, and flash memory devices), magnetic disks (eg, internal hard disks or removable disks), magneto-optical. Includes discs and all forms of non-volatile memory on media and memory devices, including CD-ROMs and DVD-ROM disks. The processor and memory may be supplemented by or incorporated into a dedicated logic circuit.

本明細書に記載されている主題の実施形態は、バックエンド構成要素(例えば、データサーバとしての)を含むか、またはミドルウェア構成要素(例えば、アプリケーションサーバ)を含むか、またはフロントエンド構成要素(例えば、ユーザが本明細書に記載されている主題の実施態様と対話することができるグラフィカルユーザインタフェースまたはウェブブラウザを有するクライアントコンピュータ)を含むコンピューティングシステムで、あるいは1つまたは複数のそのようなバックエンド、ミドルウェア、またはフロントエンド構成要素の任意の組合せで実施することができる。システムの構成要素は、任意の形態または媒体のデジタルデータ通信(例えば、通信ネットワーク)によって相互接続することができる。通信ネットワークの例は、ローカエリアネットワーク(LAN)およびワイドエリアネットワーク(WAN)(例えば、インターネット)を含む。 Embodiments of the subject matter described herein include back-end components (eg, as data servers), middleware components (eg, application servers), or front-end components (eg, application servers). For example, in a computing system that includes a graphical user interface or web browser that allows the user to interact with embodiments of the subject matter described herein, or in one or more such backs. It can be implemented with any combination of end, middleware, or front end components. The components of the system can be interconnected by digital data communication (eg, a communication network) of any form or medium. Examples of communication networks include local area networks (LANs) and wide area networks (WANs) (eg, the Internet).

コンピューティングシステムは、クライアントおよびサーバを含むことができる。クライアントおよびサーバは、通常、互いに離れており、一般に、通信ネットワークを通して対話する。クライアントとサーバの関係は、それぞれのコンピュータ上で実行するとともに互いにクライアント−サーバ関係を有するコンピュータプログラムによって生じる。いくつかの実施形態では、サーバは、クライアントとして働くユーザデバイス(例えば、ユーザデバイスと対話するユーザにデータを表示し、ユーザからユーザ入力を受信するための)にデータ(例えば、HTMLページ)を送信する。ユーザデバイスで生成されたデータ(例えば、ユーザ対話の結果)は、サーバにおいてはユーザデバイスから受信され得る。 The computing system can include clients and servers. Clients and servers are usually separated from each other and generally interact through a communication network. The client-server relationship arises from computer programs that run on their respective computers and have a client-server relationship with each other. In some embodiments, the server sends data (eg, an HTML page) to a user device that acts as a client (eg, to display data to a user interacting with the user device and to receive user input from the user). To do. Data generated on the user device (eg, the result of user interaction) can be received from the user device on the server.

主題の特定の実施形態が説明された。他の実施形態は、以下の特許請求の範囲内にある。例えば、特許請求の範囲で詳述される動作は、異なる順序で実行され、それでもなお、望ましい結果を達成することができる。1つの例として、添付図に示されているプロセスは、望ましい結果を達成するのに、図示の特定の順序または逐次的順序を必ずしも必要としない。場合によっては、マルチタスキングおよび並列処理が有利であることがある。 Specific embodiments of the subject were described. Other embodiments are within the scope of the following claims. For example, the actions detailed in the claims can be performed in a different order and still achieve the desired result. As an example, the process shown in the attached figure does not necessarily require the specific order or sequential order shown to achieve the desired result. In some cases, multitasking and parallel processing may be advantageous.

10 システム
12 サーバシステム
14 クライアントシステム
18 メモリ
20 インタフェース
22 移流操作
24 処理デバイス
28 メッシュ定義
30 シミュレーションプロセス
32 メッシュ準備エンジン
34 シミュレーションエンジン
34a 粒子衝突相互作用モジュール
34b 粒子境界モデルモジュール
34c 移流モジュール
36 サブモジュール、エンジン
38 データレポジトリ
10 System 12 Server System 14 Client System 18 Memory 20 Interface 22 Transfer Operation 24 Processing Device 28 Mesh Definition 30 Simulation Process 32 Mesh Preparation Engine 34 Simulation Engine 34a Particle Collision Interaction Module 34b Particle Boundary Model Module 34c Transfer Module 36 Submodule, Engine 38 Data repository

Claims (14)

固体の表面のまわりの流体流れをシミュレートするためのコンピュータ実施方法であって、前記方法は、
1つまたは複数のコンピューティングシステムによって、ボクセルの集合として表された格子構造と、物理的オブジェクトの表現とを含むシミュレーション空間のモデルを受け取るステップであり、前記ボクセルが、前記物理的オブジェクトの表面を説明するための適切な分解能を有する、受け取るステップと、
前記1つまたは複数のコンピュータシステムによって、流体の体積中の粒子の移動をシミュレートするステップであり、前記粒子の前記移動が前記粒子間の衝突を引き起こす、シミュレートするステップと、
前記コンピューティングシステムによって、2つのボクセル間の面を識別するステップであり、前記面のうちの少なくとも1つが安定条件に違反している、識別するステップと、
前記コンピューティングシステムによって、前記2つのボクセルの近傍の空間的に平均化された温度勾配を使用して修正熱流束を計算するステップであり、前記面の前記少なくとも1つが前記安定条件に違反している、計算するステップと、
前記コンピューティングシステムによって、後続のボクセルへの前記粒子の移流操作を実行するステップと
を含む、コンピュータ実施方法。
A computer-implemented method for simulating fluid flow around the surface of a solid, said method.
It is a step of receiving a model of a simulation space containing a lattice structure represented as a set of voxels and a representation of a physical object by one or more computing systems, wherein the voxels cover the surface of the physical object. The receiving step and the receiving step, which have the appropriate resolution to explain,
A step of simulating the movement of particles in a volume of fluid by the one or more computer systems, wherein the movement of the particles causes collisions between the particles.
A step of identifying a face between two voxels by the computing system, and a step of identifying at least one of the faces violating stability conditions.
A step of calculating a modified heat flux by the computing system using a spatially averaged temperature gradient in the vicinity of the two voxels, wherein at least one of the surfaces violates the stability condition. There are steps to calculate and
A computer implementation method comprising the step of performing an advection operation of the particles into a subsequent voxel by the computing system.
前記面のどちらも前記安定条件に違反しない隣接する面において、温度差形態に基づいて計算される温度勾配を計算するステップ
をさらに含む、請求項1に記載のコンピュータ方法。
The computer method of claim 1, further comprising calculating a temperature gradient calculated based on a temperature difference form on adjacent surfaces where neither of the surfaces violates the stability conditions.
前記温度差形態が、時間ステップの終わりにおける要素の最終温度を計算するために、前記要素のすべての面からのエネルギー移送の合計に対応する前記要素の各々への正味エネルギー移送を決定する、請求項2に記載のコンピュータ方法。 The temperature difference form determines the net energy transfer to each of the elements corresponding to the sum of the energy transfers from all aspects of the element in order to calculate the final temperature of the element at the end of the time step. Item 2. The computer method according to item 2. 前記修正熱流束を計算するステップが、
前記コンピューティングシステムによって、付加流束を計算するステップと、
前記コンピューティングシステムによって、平衡流束を計算するステップと
をさらに含む、請求項1に記載のコンピュータ方法。
The step of calculating the modified heat flux is
The step of calculating the additional flux by the computing system,
The computer method of claim 1, further comprising the step of calculating the equilibrium flux by the computing system.
前記計算された付加流束が、検討中の前記要素の温度発展に使用される、請求項4に記載のコンピュータ方法。 The computer method of claim 4, wherein the calculated additional flux is used for the temperature evolution of the element under consideration. 前記平衡流束が、前記要素のサイズに応じて温度発展に使用される、請求項4に記載のコンピュータ方法。 The computer method of claim 4, wherein the equilibrium flux is used for temperature development depending on the size of the element. 前記平衡流束は、前記要素の前記サイズが前記制約に違反するほどに小さい場合、前記温度発展に使用される、請求項6に記載のコンピュータ方法。 The computer method of claim 6, wherein the equilibrium flux is used for the temperature development if the size of the element is small enough to violate the constraint. 前記コンピュータシステムによって、前記平衡流束を、前記流束の方向の1つまたは複数の隣接する要素に送出するステップ
をさらに含む、請求項4に記載のコンピュータ方法。
The computer method of claim 4, further comprising sending the equilibrium flux to one or more adjacent elements in the direction of the flux by the computer system.
前記平衡流束は、前記平衡流束が最終的に十分に大きい要素に移送されるまで前記流束の前記方向に沿って連続的に送出され、前記平衡流束は、前記十分に大きい要素での温度発展に向けて適用される、請求項4に記載のコンピュータ方法。 The equilibrium flux is continuously delivered along the direction of the flux until the equilibrium flux is finally transferred to a sufficiently large element, and the equilibrium flux is at the sufficiently large element. The computer method according to claim 4, which is applied toward the temperature development of the above. 前記要素が十分に大きい場合、前記平衡流束が温度発展に向けて使用される、請求項9に記載のコンピュータ方法。 The computer method of claim 9, wherein if the element is large enough, the equilibrium flux is used for temperature evolution. 前記条件が、安定特性を含む、請求項1に記載のコンピュータ方法。 The computer method according to claim 1, wherein the conditions include stability characteristics. 前記条件が、安定分布を維持するために使用され得る最大時間ステップサイズを決定する時間進行スキームのCourant−Friedrichs−Lewy(CFL)制約である、請求項1に記載のコンピュータ方法。 The computer method of claim 1, wherein the condition is a Courant-Friedrichs-Lewy (CFL) constraint of a time progression scheme that determines the maximum time step size that can be used to maintain a stable distribution. 固体の表面のまわりの流体流れをシミュレートするための装置であって、前記装置は、
メモリと、
請求項1〜10のいずれか1項に記載の機能を実行する
ように構成された1つまたは複数のプロセッサデバイスと
を含む、装置。
A device for simulating a fluid flow around the surface of a solid, said device.
With memory
A device comprising one or more processor devices configured to perform the function according to any one of claims 1-10.
コンピュータに、
請求項1〜10のいずれか1項に記載の機能を実行させる
ために、1つまたは複数の処理デバイスによって実行可能である実行可能命令を含む、1つまたは複数の機械可読ハードウェアストレージデバイス上に格納された有形のコンピュータプログラム製品。
On the computer
On one or more machine-readable hardware storage devices, including executable instructions that can be executed by one or more processing devices to perform the function according to any one of claims 1-10. A tangible computer program product stored in.
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