JP3352930B2 - 流体解析装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、流体解析装置に関
し、特に住宅環境の設計等に用いるものに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、ベクトル化計算あるいは同時平行
処理が可能な大型高速電子計算機等の発達、普及によ
り、複雑な境界条件を有する大きな空間内に複数の計算
格子を生成した上で、該空間内の物質等の変化を支配す
る物理法則を用いて諸物質の変化、状態を表現する方程
式群を作成し、これを反復計算を用いて解く装置が広く
利用されている。例えば有限要素法を使用した平板の応
力解析装置も広い意味でのこの装置の一例であり、また
ＳＡＰやＮＡＳＴＲＡＮ等はこの装置のために使用され
るプログラムの例でもある。

【０００３】なお、これらの解析が前提としている物理
法則、諸公式、技術、例えば質量保存則、運動量保存
則、エネルギ保存則、座標変換、有限差分法や有限要素
法を使用するに際しての解析対象とする空間の格子分割
（メッシュ分割）の手法や所定の差分、繰り返し計算を
行うか否か等の判定に使用する判定値、境界条件の与え
方、繰り返し計算を行う際の繰り返しについての手法、
行列式を構成する方程式群を解く手法、大型高速電子計
算機による同時平行所処理の手法等については公知であ
る。例えば、日本機会学会編「機械工学便覧」１９８７
年出版のＡ５編流体工学、情報処理学会編「情報処理ハ
ンドブック」１９８９年出版、スハス．Ｖ．パタンカー
著 水谷幸夫 香月正司共訳「コンピューターによる熱
移動と流れの数値解析」森北出版刊等に掲載されてい
る。また流体解析結果も、例えば日本建築学会大会学術
講演梗概集（中国）１９９０年１０月等に掲載されてい
る周知の技術である。また、圧力、運動量、質量その他
熱量等を計算するあるいはそれらの物理量の補正量を計
算する、具体的には運動量が減少した分だけ流体の熱量
が増加し、更にこのため密度の修正や流量の補正を行う
こと、またこれらの計算のために必要な流体の各温度、
圧力等に応じての密度や粘度等各種物性値等をあらかじ
め入力しておくこと等も周知の技術である。

【０００４】さて、従来の一般的な解析装置で流体解析
を行う場合には、対象とする空間を複数の格子に分割
し、その各格子毎に連続の式、運動量保存方程式、エネ
ルギ保存方程式その他熱量を含む各種物理量の保存方程
式をたて、この上でその方程式を連立させて解くことを
行っていた。

【０００５】ところでこの際、分流部、合流部、屈曲
部、吹き出し部等の外部環境等が急激に変化する場所が
存在するため流れ場が複雑になると予想される場合や、
空間内に流体の流れを遮る物体が存在する場合には、精
度よく解析するために一律に格子間隔を密にしていた。
そのような場合、そのままではどうしても必要以上に格
子を密にしがちなため、計算機の必要とする記憶資源や
計算速度の面から不都合な状況に陥ることがよくあっ
た。このため、精度よく解析を行う必要のある場所のみ
格子間隔の密な副格子を配置する重畳格子法や局所的分
割法に代表される複合格子法を利用する試みがなされて
いる。

【０００６】次に、それらの解析手法の一例を具体的に
説明する。 １．解析対象の空間の形状、内部流体の物性値や流量
等、流動の原因となる外力の内容、解析に使用する諸公
式や物理法則等がＣＲＴ、キーボード等を介して入力さ
れる。 ２．解析対象の空間の格子分割が所定の手順に従って行
われる。この場合、主格子の間隔（大きさ）、副格子の
間隔（大きさ）や配置位置などは解析者が指定するのが
原則である。 ３．繰り返し計算の対象となる格子の選定の優先度、各
格子における繰り返し計算の回数が解析者により入力さ
れる。 ４．優先順位の高い格子、そして多くの場合動力源近辺
かつ境界条件の与えられた格子から繰り返し計算の対象
とされる。 ５．当該格子内の流体の各種状態を示す式が、その格子
内部の流速等幾つかの条件を仮定した上で繰り返し計算
で解かれる。そして、多くの場合、繰り返し回数がある
値に達するか、計算結果と前回の計算結果が所定値以内
に収束すれば当該格子を対象としての繰り返し計算は終
了する。そして計算結果は、当該格子に連続する、すな
わち端面を共通する、かつ繰り返し計算の優先順位の低
い格子の繰り返し計算に際して境界条件として使用され
るべく、転送されることとなる。 ７．以下、優先順位に従って、全ての格子を対象として
の繰り返し計算の一サイクルが行われる。 ８．以上のもとで、全ての格子の計算結果が得られた時
点で、各物理量が解析に使用する諸公式や物理法則を満
足するか否か、例えば、前回のサイクルで得られた計算
結果と今回のサイクルで得られた計算結果との差が所定
の値に収束しているか否か等が判断される。 ９．この結果が所定の値に収束しているならば、全格子
を対象としての繰り返し計算のサイクルそのものが終了
する。若し収束していないならば、最初の優先順位の格
子から、再度全格子を対象としての繰り返し計算の新た
なサイクルが始められる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の方法を採用する場合には、図４に示すように、主格子
Ａ上に椅子のための副格子Ｂ１，Ｂ２、エアコンのため
の副格子Ｂ４、机のための副格子Ｂ３が立体的に配置さ
れて存在することとなるため、主格子および副格子の境
界条件や物体位置を無視して配置するというわけにはい
かない。なお、図８は主格子、副格子の様子を具体的に
示す図である（なお、図８は、図４の椅子の代わりに箱
を机の上に置いた状態を示す）。

【０００８】このため、あらかじめ生成した副格子を主
格子に配置する場合等は格子の境界条件や物体位置の情
報を考慮し、格子の修正が生じる場合がある。しかし、
熟練者でないかぎり、あらかじめ生成した副格子を修正
することは困難である。通常の場合は、まず、研究者が
解析空間全体に対して主格子と副格子に割り振り、各格
子の境界条件、物体位置、計算領域を決めてから、格子
分割を行うことがなされている。

【０００９】また同じく、副格子が重畳し合う場合や主
格子と副格子の格子分割の粗さに差異がない場合、副格
子同士や主格子と副格子を一つの格子に統合し直す等の
無駄な作業をしていた。

【００１０】このため、流れ場が複雑になると予想され
る場所や物体が存在する場所を主格子上に配置された副
格子を用いて精度良く解析する際に、あらかじめ副格子
を生成しておけば主格子上に配置するだけで、複合格子
の統合修正が的確になしえる解析装置の実現が望まれて
いた。

【００１１】本発明は、かかる従来の解析装置の課題に
鑑みなされたものであり、生成した複合格子を最適な複
合格子に統合修正することを的確に行うことの出来る流
体解析装置を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、第１の本発明においては、解析する対象となる建物
又は容器の空間に対応して、空間に主格子を生成する主
格子生成部と、解析する対象となる建物又は容器の空間
に対応して、前記主格子生成部の生成した主格子の一部
に重畳しかつ主格子よりも格子間隔の密な副格子を生成
する副格子生成部と、解析する対象となる建物又は容器
の空間に対応して、前記主格子上に前記副格子を配置す
る格子配置部と、解析する対象となる建物又は容器の空
間に対応して、前記主格子および前記副格子毎に、対応
する流体の圧力、速度等の物理量を、与えられた式およ
び境界条件をもとに計算する流体物理量解析部と、前記
流体物理量解析部により算出された圧力分布、速度分布
等の流体の状態、あらかじめ与えられた流体の各物理量
における物性値及び、質量保存則、運動量保存則、エネ
ルギ保存則等の物理法則に基づき、前記流体物理量解析
部の結果を近似補正する流体物理量補正解析部と、前記
流体物理量解析部から前記流体物理量補正解析部に至る
計算を所定の手順で繰り返す反復計算制御部と、前記主
格子と前記副格子との間で必要なデータの授受を行うデ
ータ転送部とを備えた流体解析装置であって、前記格子
配置部によって前記副格子を前記主格子上に配置した
後、前記主格子および前記副格子の、少なくとも境界条
件と、物体位置等の格子情報とに基づき、前記配置され
た主格子及び／又は前記副格子をさらに統合・修正する
格子統合・修正部を備えたことを特徴とする流体解析装
置である。

【００１３】また、第２の本発明は、前記格子統合・修
正部が、前記境界条件や物体位置等の格子情報に基づ
き、前記主格子と前記副格子や、前記副格子同士を統合
する格子統合部と、その統合された主格子及び／又は副
格子を修正する格子修正部とを備えたことを特徴とする
上記第１の本発明の流体解析装置である。

【００１４】また、第３の本発明は、第１の本発明の前
記流体解析装置における、前記主格子生成部と、前記副
格子生成部と、前記格子配置部と、前記流体物理量解析
部と、前記流体物理量補正解析部と、前記反復計算制御
部と、前記データ転送部と、前記格子統合・修正部とし
て、コンピュータを実行させるプログラムを格納したＦ
Ｄ等の記録媒体である。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図を用いて説明する。

【００１６】図１は、本発明に係る流体解析装置の一実
施の形態の概略構成図である。図２、図３は、その動作
流れ図である。

【００１７】図１において、１は、主格子を生成する主
格子生成部である。２は、副格子を生成する副格子生成
部である。３は、主格子上に副格子を配置する格子配置
部である。４は、格子の境界条件および物体位置情報か
ら格子を統合するか決定した上で、格子同士を統合する
格子統合部である。５は、主格子および副格子の計算領
域が正しく設定されているか境界条件や物体位置情報か
ら判断した上で、格子の修正を行う格子修正部である。
６は、解析対象とする空間の格子毎に流体圧力を計算す
る圧力解析部である。７は、運動量の保存則に基づき流
体の速度を計算する運動量解析部である。８は、圧力解
析部６により算出される圧力分布と運動量解析部７によ
り算出される速度分布とから質量保存則に基づき流体の
圧力あるいは速度を近似補正する圧力補正量解析部であ
る。９は、質量保存則に基づき運動量解析部７において
求めた流体の速度を補正する質量補正量解析部である。
１０は、温度、粘度等の圧力および速度以外の物理量を
計算する他物理量解析部である。１１は、主格子および
副格子間でのデータの授受を行なわせるデータ転送部で
ある。１２は、圧力解析部６からデータ転送部１１に至
る各種の計算を繰り返すことおよびこの種の一連の繰り
返し計算のサイクルを繰り返すことを制御する反復計算
制御部である。なお、本発明の格子統合・修正部は、上
記格子統合部４及び格子修正部５で構成される。

【００１８】以上の他、数値解析を行なうには、各種入
力装置、各種記憶装置、各種出力装置等が必要である
が、それらは公知の手段を用いることが出来る。

【００１９】次に、図２および図３に基づいて本実施の
形態の動作について説明する。

【００２０】（Ｓ１）解析対象となる空間領域に主格子
を生成する。この場合、例えば室内環境ならば、部屋等
は格子が粗くされ、結果的に主格子で区分されることに
なる。このとき、主格子には位置情報だけでなく、壁温
度等の境界条件や物性値等の情報も含まれることとな
る。

【００２１】（Ｓ２）副格子を生成する。例えば、エア
コン等の空調機器の吹き出し口、排気口、机やベッドま
わり等は格子が細かくされ、結果的に主格子と空間的に
重複した若しくは主格子とは空間的には重複せず単に更
に小さく分割した副格子で区分されることとなる。この
とき、副格子にも位置情報だけでなく、壁温度等の境界
条件や物性値等の情報も含まれることとなる。

【００２２】（Ｓ３）主格子生成部１および副格子生成
部２において生成された格子を選択し、主格子Ａ上に副
格子Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４を配置する。図４はそれを
示す。

【００２３】（Ｓ４）格子配置部３で配置された格子に
内包する物体同士が相互に干渉するかどうか、また、副
格子に内包する物体が主格子の計算領域に存在するかど
うかを座標値等から判定を行う。

【００２４】（Ｓ５）複合格子の自動修正計算を開始す
る。

【００２５】（Ｓ６）格子に存在する境界条件および物
体位置を検索する。格子を配置する場合、解析者が格子
の境界条件や物体位置等の情報を考慮しながら複合格子
を生成し、必要なら格子の再生成も行なうのは困難であ
り、このため一応生成した複合格子が解析に適したもの
か否か判断資料を得るべく計算する。

【００２６】（Ｓ７）副格子同士が隣接あるいは重畳し
ているか、格子に内包する物体の位置および格子の分割
情報から判断する。

【００２７】（Ｓ８）隣接あるいは重畳している副格子
同士を、すべての統合の組み合わせについて仮に統合さ
せて、メッシュ分割を等分割や等比級分割などの所定の
メッシュ分割方法と所定の分割数にしたがって計算す
る。具体的には、図５に示すように、同じ形態の椅子が
隣接して並ぶ場合、それぞれ椅子を内包する複数の副格
子Ｂ１，Ｂ２を１つの副格子Ｂ５として統合し、その内
部に複数の椅子を配置し、格子の再分割を行なう。

【００２８】（Ｓ９）統合を行う前の全格子の総格子点
数と統合後の全格子の総格子点数との比較を行う。

【００２９】（Ｓ１０）全ての統合方法の組み合わせの
うちもっとも総格子点数が少なくなるパターンの統合方
法にしたがって副格子と副格子を統合し、副格子を再生
成する。

【００３０】（Ｓ１１）主格子上に重複する副格子と主
格子を、全ての統合の組み合わせについて仮に統合させ
て、メッシュ分割を等分割や等比級分割などの所定のメ
ッシュ分割方法と所定の分割数にしたがって計算する。
具体的には、図６に示すように、簡単な形状の物体が副
格子に内包されている場合、主格子上にその物体を内包
することができるなら、境界条件、物性値および物体位
置情報等を取り込んで、その主格子を再生成する。

【００３１】（Ｓ１２）統合を行う前の全格子の総格子
点数と統合後の全格子の総格子点数との比較を行う。

【００３２】（Ｓ１３）全ての統合方法の組み合わせの
うちもっとも総格子点数が少なくなるパターンの統合方
法にしたがって主格子と副格子を統合し、主格子を再生
成する。この際、その副格子は廃棄される。

【００３３】その後、修正を次に通り行う。

【００３４】（Ｓ１４）生成された複合格子内の副格子
において、計算領域、境界条件および物体の位置が他の
格子との間で矛盾がないか計算する。例えば、副格子の
計算領域が主格子の計算領域からはみ出す場合、または
副格子の計算領域が他の格子内に内包する物体の流れの
流入または流出口を遮る場合、あるいは副格子同士が重
畳して、一方の副格子内に他方の副格子に内包する物体
の全部または一部が内包する場合等である。

【００３５】（Ｓ１５）生成された複合格子内の副格子
において矛盾があれば、その副格子の計算領域の拡張や
収縮を行い、他の格子の境界条件や物体位置情報などを
取り込み、その副格子の再生成を行なう。たとえば、図
７に示すように、椅子を内包する副格子Ｂ５の計算領域
が主格子Ａの計算領域からはみ出す場合は、はみ出した
領域の収縮を行う。また、机を内包する副格子Ｂ３の計
算領域が他の格子Ｂ４内に内包するエアコンの吹き出し
口を遮る場合は、机を内包する副格子Ｂ３の計算領域を
エアコンの吹き出し口を遮る領域部分の収縮を行う。あ
るいは、机を内包する副格子Ｂ３と椅子を内包する副格
子Ｂ４が重畳して、机の一部が椅子を内包する副格子Ｂ
５領域内に存在し、また、椅子の一部が机を内包する副
格子Ｂ３の領域内に存在する場合は、それぞれの副格子
において、他の格子に内包する物体の一部の位置情報、
境界条件および物体値等の情報を取り込んで、副格子を
再生成する。

【００３６】（Ｓ１６）複合格子の自動修正計算を終了
する。

【００３７】（Ｓ１７）流体解析を開始する。

【００３８】（Ｓ１８）優先順に格子を計算対象として
選択する。優先順位は多くの場合動力源近辺かつ境界条
件の与えられた格子から繰り返し計算の対象とされる。

【００３９】（Ｓ１９）圧力解析部６、運動量解析部
７、圧力補正量解析部８、質量補正量解析部９および他
物理量解析部１０は、計算対象となっている格子内での
流れ場およびその他の物理量を解く。この場合、各格子
の端面は当該格子に計算順序が優先する、かつ端面を共
通する格子の先に計算された値等を保持しているものと
され、この上で連続の式、運動量保存方程式、エネルギ
保存方程式から成るナビエ・ストークス方程式等が解か
れていく。なお、これらの式は解析対象となる空間や流
体の種類に応じてあらかじめ解析者により与えられてい
る。例えば、流体が水のような非圧縮性のものの場合、
ナビエ・ストークス方程式等の簡略化が行われ、差分化
や座標変換等により解析可能な式に変換される。また、
室内空間におけるエアコンからの空気の吹き出しおよび
吸い込みの流れ解析においては、圧力、運動量、質量の
他に熱量および熱量の変化に伴う圧力、密度の変化を考
慮する必要があるし、また第一回の解析、さらにこの解
析結果をふまえて第二回の解析を行なう等の物理量の補
正計算をも繰り返し行なうことが不可欠となる。

【００４０】（Ｓ２０）データ転送部１１にて、各主格
子および各副格子間で必要なデータの授受を行なう。こ
れにより繰り返し計算の順位の優先する各主格子および
副格子で計算された各端面の流速、流量等の値は、計算
順位が後位のかつ相隣接する主格子若しくは副格子ある
いは内包する副格子や包含されることとなる主格子にお
ける繰り返し計算やその次のサイクルでの繰り返し計算
に際して、その格子の境界値とされる。

【００４１】（Ｓ２１）反復計算制御部１２は、反復計
算の終了の判定を行なう。なお、反復計算の終了は、計
算結果が与えられた境界条件と適合するか否かや前のサ
イクルの結果と相違しないかの他に各格子の残差の収
束、各格子 を対象としての繰り返し計算のサイクル
の回数の他に計算時間等も判断資料とされるのは、言う
までもないことである。

【００４２】（Ｓ２２）流体解析計算を終了する。この
上で、結果が所定の手順で出力されることとなる。

【００４３】以上、本発明を一つの実施の形態に基づき
説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定され
ず、例えば、解析の対象としては、住宅環境の解析だけ
でなく、学校などの建物や、電子機器の容器などの解析
に応用できる。なお、これらの場合、各解析に必要な支
配方程式を用いて解析することになることはもちろんで
ある。

【００４４】なお、本発明は、上述した本発明の各部が
有する機能の全部又は一部をコンピュータで実現するた
めのプログラムを格納したことを特徴とするＦＤ、Ｍ
Ｄ、光ディスクなどの媒体である。

【００４５】また、本発明は、コンピュータを利用して
ソフトウェアにより実現することも、各機能を備えた専
用のハード回路を利用して実現することももちろん自由
である。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したところから明らかなよう
に、本発明の流体解析装置においては、主格子と副格子
を配置する際、各格子間の境界条件や物体位置情報等か
ら自動的に複合格子を生成するため不必要な格子分割が
省け、計算費用が低減される。

【００４７】また、選択した主格子や副格子を再生成す
る必要がなくなり、あらかじめ主格子および副格子を生
成しておけば、それらを組み合わせることができ、資源
の有効的活用が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る流体解析装置の一実施の形態の構
成図である。

【図２】上記実施の形態の動作流れ図である。

【図３】上記実施の形態の動作流れ図である。

【図４】主格子生成部及び副格子生成部において生成さ
れた格子を選択し、主格子上に副格子が配置された模式
図である。

【図５】上記実施の形態において、格子の統合と再分割
を示す模式図である。

【図６】上記実施の形態において、主格子の再生成を示
す模式図である。

【図７】上記実施の形態において、副主格子の再生成を
示す模式図である。

【図８】主格子や副格子の具体的な様子を示す模式図で
ある。

【符号の説明】

１ 主格子生成部 ２ 副格子生成部 ３ 格子配置部 ４ 格子統合部 ５ 格子修正部 ６ 圧力解析部 ７ 運動量解析部 ８ 圧力補正部 ９ 質量補正部 １０ 他物理量解析部 １１ データ転送部 １２ 反復計算制御部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特許2942447（ＪＰ，Ｂ２) 特許3052634（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G06F 19/00 110 G06F 17/13 G06F 17/50

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 解析する対象となる建物又は容器の空間
   に対応して主格子を生成する主格子生成部と、解析する
   対象となる建物又は容器の空間に対応して前記主格子生
   成部の生成した主格子の一部に重畳しかつ主格子よりも
   格子間隔の密な副格子を生成する副格子生成部と、解析
   する対象となる建物又は容器の空間に対応して前記主格
   子上に前記副格子を配置する格子配置部と、解析する対
   象となる建物又は容器の空間に対応して前記主格子およ
   び前記副格子毎に、対応する流体の圧力、速度等の物理
   量を、与えられた式および境界条件をもとに計算する流
   体物理量解析部と、前記流体物理量解析部により算出さ
   れた圧力分布、速度分布等の流体の状態、あらかじめ与
   えられた流体の各物理量における物性値及び、質量保存
   則、運動量保存則、エネルギ保存則等の物理法則に基づ
   き、前記流体物理量解析部の結果を近似補正する流体物
   理量補正解析部と、前記流体物理量解析部から前記流体
   物理量補正解析部に至る計算を所定の手順で繰り返す反
   復計算制御部と、前記主格子と前記副格子との間で必要
   なデータの授受を行うデータ転送部とを備えた流体解析
   装置であって、 前記格子配置部によって前記副格子を前記主格子上に配
   置した後、前記主格子および前記副格子の、少なくとも
   境界条件と、物体位置等の格子情報とに基づき、前記配
   置された主格子及び／又は前記副格子をさらに統合・修
   正する格子統合・修正部を備えたことを特徴とする流体
   解析装置。
2. 【請求項２】 前記格子統合・修正部は、前記境界条件
   や物体位置等の格子情報に基づき、前記主格子と前記副
   格子や、前記副格子同士を統合する格子統合部と、その
   統合された主格子及び／又は副格子を修正する格子修正
   部とを備えたことを特徴とする請求項１記載の流体解析
   装置。
3. 【請求項３】 請求項１記載の前記流体解析装置におけ
   る、前記主格子生成部と、前記副格子生成部と、前記格
   子配置部と、前記流体物理量解析部と、前記流体物理量
   補正解析部と、前記反復計算制御部と、前記データ転送
   部と、前記格子統合・修正部として、コンピュータを実
   行させるプログラムを格納した記録媒体。