JP4304277B2 - Numerical calculation method, program, and recording medium - Google Patents

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Description

本発明は、偏微分方程式の演算に使用する数値計算方法に関する。   The present invention relates to a numerical calculation method used for calculating a partial differential equation.

近年、コンピュータを用いて自然現象を再現する取り組みが、多く行われるようになってきている。たとえば、流体力学などの数値シミュレーションがその例で、その対象物は、液体、気体、電磁波など様々である。
そして、そのような数値シミュレーションを行う場合には、2以上の変数(以下、「多変数」という)に関する偏微分方程式を、離散化された空間および時間に関して解く、という手法が用いられることが多い。なお、変数には、たとえば、速度、圧力、温度、密度などが挙げられる。
In recent years, many efforts have been made to reproduce natural phenomena using computers. For example, numerical simulation such as fluid dynamics is an example, and the object is various such as liquid, gas, and electromagnetic wave.
When performing such a numerical simulation, a technique is often used in which a partial differential equation relating to two or more variables (hereinafter referred to as “multivariables”) is solved in terms of discretized space and time. . Examples of variables include speed, pressure, temperature, density, and the like.

多変数偏微分方程式における数値解法(シミュレーション)では、変数間のカップリングについて、高い時間的安定(以下、単に「安定」という)性が要求される。変数間のカップリングの安定性が低いと、短時間で計算が破綻してしまうからである。
そこで、従来、流体解析におけるSMAC(Simplified Marker and Cell)法や電磁波解析におけるFDTD(Finite Difference Time Domain)法においては、空間を離散化するときに、変数ごとの定義点をずらして設定するスタッガード格子が多く用いられていた。スタッガード格子は、変数間のカップリングの安定性が高いためである。
In a numerical solution method (simulation) in a multivariable partial differential equation, high temporal stability (hereinafter, simply referred to as “stability”) is required for coupling between variables. This is because if the stability of coupling between variables is low, the calculation fails in a short time.
Therefore, conventionally, in the SMAC (Simplified Marker and Cell) method in fluid analysis and the FDTD (Finite Difference Time Domain) method in electromagnetic wave analysis, a staggered variable is set by shifting the definition points for each variable. Many lattices were used. This is because the staggered lattice has high coupling stability between variables.

また、それぞれの変数の値だけでなく、それらの空間勾配(微分係数)なども利用する計算手法であるマルチモーメントスキームにおいても、スタッガード格子が多く用いられてきた。しかし、スタッガード格子は、変数間のカップリングの安定性が高い反面、計算精度や並列計算アルゴリズムの容易さなどの点で、欠点があった。   In addition, staggered grids have been often used in multi-moment schemes, which are calculation methods that use not only the values of each variable but also their spatial gradients (differential coefficients). However, the staggered grid has high stability in coupling between variables, but has a drawback in terms of calculation accuracy and ease of parallel calculation algorithm.

一方、すべての変数や空間勾配を同じ格子上に定義するコロケート格子は、スタッガード格子に比べて、計算精度や並列計算アルゴリズムの容易さなどの点で優れている。
たとえば、マルチモーメントスキームにおける計算精度は、スタッガード格子の2次に対し、コロケート格子は4次である。
また、コロケート格子は、スタッガード格子よりも、今後の発展が期待される計算手法であるAMR(Adaptive Mesh Refinement:適合格子細分化)法やCut-Cell法との組み合わせが容易であるという利点も有する。
On the other hand, a collocated grid that defines all variables and spatial gradients on the same grid is superior to a staggered grid in terms of calculation accuracy and ease of parallel calculation algorithms.
For example, the calculation accuracy in the multi-moment scheme is second order of the staggered lattice and fourth order of the collocated lattice.
In addition, the collocated grid has the advantage that it can be easily combined with the AMR (Adaptive Mesh Refinement) method and the Cut-Cell method, which are expected to be developed in the future, compared to the staggered grid. Have.

しかしながら、コロケート格子は、変数間のカップリングの安定性が低く、計算が短時間で破綻してしまうことが多いため、特殊な条件下でしか使用することができず、適用範囲が非常に限定されてしまう、という問題があった。   However, collocated grids can be used only under special conditions because the stability of coupling between variables is low and calculations often fail in a short time, and the application range is very limited. There was a problem of being.

たとえば、マルチモーメントスキームであるIDO(Interpolated Differential Operator:局所補間微分オペレータ)法では、間隔がΔxである3点、j−1点、j点、j+1点に関する中心補間関数F(x)を、j点を中心として、次の式(1)のような5次関数として表わすことができる。
なお、fj-1,fj,fj+1は、それぞれ、j−1点、j点、j+1点における変数の値を表わし、fx,j-1, fx,j, fx,j+1は、それぞれ、j−1点、j点、j+1点における変数の微分係数を表わす。また、xは座標を表わす。
For example, in an IDO (Interpolated Differential Operator) method that is a multi-moment scheme, a central interpolation function F (x) with respect to three points, j−1 points, j points, and j + 1 points having an interval Δx is expressed as j. Centering on the point, it can be expressed as a quintic function such as the following equation (1).
Note that f j−1 , f j , and f j + 1 represent the values of variables at j−1 point, j point, and j + 1 point, respectively, and fx , j−1 , fx , j , fx , j + 1 represents the differential coefficient of the variable at j−1 point, j point, and j + 1 point, respectively. X represents coordinates.

F(x)=A55+A44+A33+A22+fx,jx+fj ・・・(1)
また、F(x)の微分式であるFx(x)は、式(2)のように表わされる。
x(x)=5A54+4A43+3A32+2A2x+fx,j ・・・(2)
拘束条件は、F(Δx)=fj+1,F(−Δx)=fj-1,Fx(Δx)=fx,j+1, Fx(−Δx)=fx,j-1であり、これらにより、A2〜A5の値が決まる。
F (x) = A 5 x 5 + A 4 x 4 + A 3 x 3 + A 2 x 2 + f x, j x + f j (1)
Also, a differential expression of F (x) F x (x) is expressed by equation (2).
F x (x) = 5A 5 x 4 + 4A 4 x 3 + 3A 3 x 2 + 2A 2 x + f x, j (2)
The constraint conditions are F (Δx) = f j + 1 , F (−Δx) = f j−1 , F x (Δx) = fx , j + 1 , F x (−Δx) = fx , j− 1 and these determine the values of A 2 to A 5 .

そして、この条件下で、支配方程式(演算に使う偏微分方程式など)中の空間微分項は、式(1)、式(2)、および、式(2)をさらに微分した式などにより、∂f/∂x=Fx(0)=fx,j,∂2f/∂x2=Fxx(0)=2A2,・・・のように求めることができる。なお、Fxx(x)は、Fx(x)を微分した式を表わす。 Under these conditions, the spatial differential term in the governing equation (such as the partial differential equation used in the calculation) is expressed as follows by the equation (1), the equation (2), and the equation obtained by further differentiating the equation (2). f / ∂x = F x (0) = fx , j , ∂ 2 f / ∂x 2 = F xx (0) = 2A 2 ,... Note that F xx (x) represents an expression obtained by differentiating F x (x).

ここで、多変数型の偏微分方程式である次の式(3)、式(4)を考える。なお、fとuは変数、tは時間、xは座標を表わす。
Here, the following equations (3) and (4), which are multivariable partial differential equations, are considered. F and u are variables, t is time, and x is coordinates.

コロケート格子上では、前記補間関数(式(1)および式(2))を用いて、次の式(5)、式(6)のような空間離散化がなされる。なお、∂f/∂t|j,∂u/∂t|jは、それぞれ、補間関数などから求めたj点での微分係数を表わす。
そして、式(5)、式(6)からわかるように、離散化式中にそれぞれj点の変数しか現われないため、変数間のカップリングの安定性が悪い(低い)。
On the collocated grid, spatial discretization such as the following Expression (5) and Expression (6) is performed using the interpolation function (Expression (1) and Expression (2)). Note that ∂f / ∂t | j and ∂u / ∂t | j represent differential coefficients at j points obtained from an interpolation function or the like.
As can be seen from the equations (5) and (6), only j-point variables appear in the discretization equation, and thus the coupling stability between the variables is poor (low).

そこで、本発明は、前記問題点に鑑みてなされたものであり、コロケート格子を用いた偏微分方程式の数値解法において、変数間のカップリングの安定性が高い数値計算方法を提供することを目的とする。   Accordingly, the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a numerical calculation method with high stability of coupling between variables in a numerical solution of a partial differential equation using a collocated grid. And

前記課題を解決するために、本発明に係る数値計算方法は、各定義点上で変数に関する数値計算を行う数値計算装置による数値計算方法であって、前記数値計算装置は、記憶部と処理部を有し、前記記憶部は、前記各定義点のうち3点以上における各変数の値と、当該3点以上の各変数の値にそれぞれ対応する第1の微分係数と、前記各変数の値と前記3点以上のうち特定点を含まない定義点における前記第1の微分係数により決定される補間関数と、を記憶し、前記処理部は、前記補間関数によって前記特定点における第2の微分係数を算出し、前記第2の微分係数と前記特定点における第1の微分係数との加重平均によって前記特定点における第3の微分係数を算出することを特徴とする。
また、当該数値計算方法をコンピュータに実行させるためのプログラムを作成し、さらに、そのプログラムを記録媒体に記録することができる。
In order to solve the above problems, a numerical calculation method according to the present invention is a numerical calculation method by a numerical calculation device that performs numerical calculation related to a variable on each definition point, and the numerical calculation device includes a storage unit and a processing unit. The storage unit includes a value of each variable at three or more of the definition points, a first differential coefficient corresponding to the value of each variable of the three or more points, and a value of each variable. And an interpolation function determined by the first differential coefficient at a definition point that does not include a specific point among the three or more points, and the processing unit uses a second differential at the specific point by the interpolation function. A coefficient is calculated, and a third differential coefficient at the specific point is calculated by a weighted average of the second differential coefficient and the first differential coefficient at the specific point.
Moreover, a program for causing a computer to execute the numerical calculation method can be created, and further the program can be recorded on a recording medium.

本発明によれば、コロケート格子を用いた偏微分方程式の数値解法において、変数間のカップリングの安定性を高めることができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the stability of the coupling between variables can be improved in the numerical solution of the partial differential equation using a collocated lattice.

以下、本発明の実施形態に係る数値計算方法について、適宜図面を参照しながら説明する。
まず、図1を参照しながら、数値計算方法を行う数値計算装置の構成について説明する。図1は、数値計算装置の構成図である。
Hereinafter, a numerical calculation method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings as appropriate.
First, the configuration of a numerical calculation apparatus that performs a numerical calculation method will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a configuration diagram of a numerical calculation device.

数値計算装置10は、入力部1、記憶部(記録媒体)2、メモリ3、処理部4および出力部5を備えて構成されるコンピュータ装置であり、たとえば、パソコン、ワークステーション、スーパーコンピュータなどにより実現することができる。
なお、処理部4は、ここでは1つとしているが、複数設けることにより並列計算を行うようにしてもよい。
The numerical calculation device 10 is a computer device that includes an input unit 1, a storage unit (recording medium) 2, a memory 3, a processing unit 4, and an output unit 5, such as a personal computer, a workstation, or a supercomputer. Can be realized.
Note that although there is one processing unit 4 here, a plurality of processing units 4 may be provided to perform parallel computation.

入力部1は、数値計算装置10の使用者(以下、単に「使用者」という)が各種情報を入力する手段であり、たとえば、キーボード、マウスなどである。
記憶部2は、各種情報を記憶するものであり、たとえば、ROM(Read Only Memory)、ハードディスクなどである。記憶部2は、ここでは、流体力学の数値シミュレーションを行うために、数値計算を行う定義点である格子点、物理量(変数、微分係数など)の初期条件、支配方程式(自然現象を表わす偏微分方程式など)、補間関数、各種プログラムなどを記憶している。
The input unit 1 is means for a user of the numerical calculation device 10 (hereinafter simply referred to as “user”) to input various information, such as a keyboard and a mouse.
The storage unit 2 stores various types of information, such as a ROM (Read Only Memory) and a hard disk. Here, in order to perform a fluid dynamics numerical simulation, the storage unit 2 is a lattice point that is a definition point for performing a numerical calculation, initial conditions of physical quantities (variables, differential coefficients, etc.), a governing equation (a partial differential representing a natural phenomenon). Equations), interpolation functions, various programs, etc.

メモリ3は、処理部4が使用する一時記憶手段であり、たとえば、RAM(Random Access Memory)などである。
処理部4は、記憶部2に記憶された各種情報(プログラム、データなど)などに基づいて演算処理を行うものであり、たとえば、CPU(Central Processing Unit)である。
出力部5は、処理部4による演算処理の結果を出力するものであり、たとえば、ディスプレイなどである。
The memory 3 is temporary storage means used by the processing unit 4 and is, for example, a RAM (Random Access Memory).
The processing unit 4 performs arithmetic processing based on various types of information (programs, data, etc.) stored in the storage unit 2, and is, for example, a CPU (Central Processing Unit).
The output unit 5 outputs the result of the arithmetic processing by the processing unit 4 and is, for example, a display.

次に、図2を参照しながら、数値シミュレーションの処理について説明する(適宜図1参照)。図2は、流体力学の数値シミュレーションの処理の大まかな流れを表わしたフローチャートである。   Next, numerical simulation processing will be described with reference to FIG. 2 (see FIG. 1 as appropriate). FIG. 2 is a flowchart showing a rough flow of the numerical simulation process of fluid dynamics.

まず、使用者が入力部1によって数値シミュレーションの開始に関する操作を行うと、処理部4は、記憶部2に記憶された情報に基づいて、演算を行う定義点である格子点、各物理量の初期条件などを設定する(ステップS1)。
格子点は、たとえば、2次元の場合は32×32、3次元の場合は16×16×8、といったように設定される。また、各物理量の初期条件は、それぞれの格子点における変数の値、および、それらの値の空間勾配(微分係数)などが設定される。変数としては、たとえば、速度、圧力、温度、密度などが挙げられる。
First, when the user performs an operation related to the start of a numerical simulation with the input unit 1, the processing unit 4 is based on information stored in the storage unit 2, and is a grid point that is a definition point for performing an operation, and an initial value of each physical quantity. Conditions and the like are set (step S1).
For example, the lattice points are set to 32 × 32 in the case of two dimensions and 16 × 16 × 8 in the case of three dimensions. As initial conditions for each physical quantity, variable values at the respective lattice points, spatial gradients (differential coefficients) of these values, and the like are set. Examples of variables include speed, pressure, temperature, density, and the like.

次に、処理部4は、記憶部2に記憶された情報に基づいて、時間と空間に関する偏微分方程式などからなる支配方程式、各物理量の値を修正するための補間関数などを設定する(ステップS2)。
支配方程式としては、たとえば、圧縮性流体の運動方程式などが挙げられ、詳細については後記する。また、補間関数としては、3次関数、分母に関数を有する有理関数などが挙げられ、詳細については後記する。
Next, the processing unit 4 sets, based on the information stored in the storage unit 2, a governing equation including a partial differential equation related to time and space, an interpolation function for correcting the value of each physical quantity, and the like (step) S2).
As the governing equation, for example, an equation of motion of a compressible fluid can be cited, and details will be described later. Further, examples of the interpolation function include a cubic function, a rational function having a function in the denominator, and the details will be described later.

続いて、処理部4は、ステップS1およびステップS2で設定した各種情報を用い、時刻tにおける各格子点での各物理量の値に基づいて、時刻(t+1)における各格子点での各物理量の値を算出する、という処理をt=0,1,2,・・・n-1に関して行う(ステップS3〜ステップS5)。
そして、この中のステップS4における処理が本発明のポイントであるが、その詳細については、図3とともに後で説明する。
Subsequently, the processing unit 4 uses the various information set in step S1 and step S2, and based on the value of each physical quantity at each grid point at time t, the physical quantity at each grid point at time (t + 1). A process of calculating a value is performed for t = 0, 1, 2,..., N-1 (steps S3 to S5).
And the process in step S4 in this is the point of this invention, The detail is demonstrated later with FIG.

次に、処理部4は、ステップS3〜ステップS5で算出した各物理量の値を、出力部5に出力する(ステップS6)。以上で、数値シミュレーションが完了する。   Next, the processing unit 4 outputs the value of each physical quantity calculated in steps S3 to S5 to the output unit 5 (step S6). Thus, the numerical simulation is completed.

続いて、図3および図4を参照しながら、図2のステップS4における処理について説明する(適宜図1参照)。図3は、各格子点と変数、1階微分係数(以下、単に「微分係数」という)の関係を表わした図である。
図3に示すように、各格子点のうちの3点、j−1点、j点(特定点)、j+1点が、間隔Δxで並んでいる。
Next, the process in step S4 of FIG. 2 will be described with reference to FIGS. 3 and 4 (see FIG. 1 as appropriate). FIG. 3 is a diagram showing the relationship between each grid point and a variable, first-order differential coefficient (hereinafter simply referred to as “differential coefficient”).
As shown in FIG. 3, three of the lattice points, j−1 points, j points (specific points), and j + 1 points are arranged at an interval Δx.

j−1点、j点、j+1点において、座標はそれぞれ−Δx,0,Δx、変数(速度)uの値はそれぞれuj-1,uj,uj+1、変数(速度)uの微分係数はそれぞれux,j-1,ux,j,ux,j+1、変数(圧力)pの値はそれぞれpj-1,pj,pj+1、また、変数(圧力)pの微分係数はそれぞれpx,j-1,px,j,px,j+1である。 At the j−1 point, j point, and j + 1 point, the coordinates are −Δx, 0, Δx, and the variable (velocity) u values are u j−1 , u j , u j + 1 , and the variable (velocity) u. The differential coefficients are ux , j-1 , ux , j , ux , j + 1 , the variable (pressure) p values are pj-1 , pj , pj + 1 , respectively, and the variable (pressure) ) The differential coefficients of p are p x, j−1 , p x, j , p x, j + 1 , respectively.

図4は、図2のステップS4における処理の内容の詳細を表わしたフローチャートである。なお、ステップS41〜ステップS46において扱う各物理量はすべて時刻tのものであり、ステップS47において算出される各物理量の値が時刻t+1のものである。   FIG. 4 is a flowchart showing details of the contents of the process in step S4 of FIG. The physical quantities handled in steps S41 to S46 are all at time t, and the values of the physical quantities calculated in step S47 are those at time t + 1.

ここで、変数(速度)uの補間関数U(x)を次の式(7)のような、エルミート補間関数の1つである3次関数として設定する。なお、エルミート補間関数とは、定義点上の変数の値とそれらの微分係数から決定する補間関数の総称であり、ここでの補間関数として適している。   Here, the interpolation function U (x) of the variable (velocity) u is set as a cubic function that is one of the Hermite interpolation functions as shown in the following equation (7). The Hermite interpolation function is a generic name for interpolation functions determined from the values of variables on the definition points and their differential coefficients, and is suitable as the interpolation function here.

U(x)=C33+C22+C1x+C0 ・・・(7)
また、U(x)の微分式であるUx(x)は、式(8)として表わされる。
x(x)=3C32+2C2x+C1 ・・・(8)
U (x) = C 3 x 3 + C 2 x 2 + C 1 x + C 0 (7)
U x (x), which is a differential expression of U (x), is expressed as formula (8).
U x (x) = 3C 3 x 2 + 2C 2 x + C 1 (8)

拘束条件は、U(Δx)=uj+1,U(−Δx)=uj-1,Ux(Δx)=ux,j+1,Ux(−Δx)=ux,j-1であり、これらにより、C0〜C3の値が決まる。なお、ここでは、j点における微分係数を拘束条件としない、すなわち、Ux(0)=ux,jを使用しないのが特徴である。もし、Ux(0)=ux,jを使用すると、ステップS42で取得するC1がux,jと等しくなってしまい、ステップS43で加重平均をとる意味がなくなってしまうからである。 The constraint conditions are U (Δx) = u j + 1 , U (−Δx) = u j−1 , U x (Δx) = ux , j + 1 , U x (−Δx) = ux , j− 1, these, the value of C 0 -C 3 is determined. Here, the feature is that the differential coefficient at point j is not used as a constraint, that is, U x (0) = ux , j is not used. If U x (0) = u x, j is used, C 1 acquired in step S42 becomes equal to u x, j, and the meaning of taking a weighted average in step S43 is lost.

図4に戻って、以上の条件の下、処理部4は、まず、本来の微分係数ux,j(第1の微分係数)を取得する(ステップS41)。
次に、処理部4は、補間関数(式(7)および式(8))から求めた微分係数C1(第2の微分係数)を取得する(ステップS42)。つまり、j点における微分係数は、次の式(9)により、C1と求まるのである。
∂f/∂x=Ux(0)=C1 ・・・(9)
Returning to FIG. 4, under the above conditions, the processing unit 4 first acquires the original differential coefficient ux , j (first differential coefficient) (step S41).
Next, the processing unit 4 acquires a differential coefficient C 1 (second differential coefficient) obtained from the interpolation function (Equation (7) and Equation (8)) (Step S42). That is, the differential coefficient at the point j is obtained as C 1 by the following equation (9).
∂f / ∂x = U x (0) = C 1 (9)

続いて、処理部4は、近似微分係数∂u/∂x|j(第3の微分係数)を、次の式(10)により算出する(ステップS43)。なお、∂u/∂x|jは、補間関数などから求められたj点での微分係数を表わす。
Subsequently, the processing unit 4 calculates an approximate differential coefficient ∂u / ∂x | j (third differential coefficient) by the following equation (10) (step S43). Note that ∂u / ∂x | j represents a differential coefficient at j point obtained from an interpolation function or the like.

そして、数値シミュレーションの条件に応じて、この式(10)のαに適切な値を代入することによって、数値シミュレーションの安定性を高めることができる。   The stability of the numerical simulation can be enhanced by substituting an appropriate value for α in the equation (10) according to the numerical simulation conditions.

たとえば、多くの条件下では、α=2/3を代入することによって、数値シミュレーションの安定性を高めることができることが、実証されている。その実証例(応用例)については後記するが、ここでは、α=2/3が適していることが多いことの理由として考えられる数学的根拠について説明する。   For example, it has been demonstrated that, under many conditions, the stability of numerical simulations can be increased by substituting α = 2/3. A demonstration example (application example) will be described later, but here, a mathematical basis considered as a reason why α = 2/3 is often suitable will be described.

まず、物理量U(x)に対するj点周りのテーラー展開の式を、次の式(11)に示す。
First, the equation of Taylor expansion around j point with respect to the physical quantity U (x) is shown in the following equation (11).

そして、U(x+Δx)=uj+1,U(x)=uj,U(x−Δx)=uj-1という拘束条件の下で、式(11)を使って2次中心差分による離散近似を行うと式(12)のようになり、その式(12)を整理すると式(13)が得られる。
Then, using the equation (11) under the constraint that U (x + Δx) = u j + 1 , U (x) = u j , U (x−Δx) = u j−1, the secondary center When discrete approximation using the difference is performed, Expression (12) is obtained, and Expression (13) is obtained by rearranging Expression (12).

また、空間勾配Ux(x)に対するj点周りのテーラー展開の式を、次の式(14)に示す。
Further, an equation for Taylor expansion around the j point with respect to the spatial gradient U x (x) is shown in the following equation (14).

次に、Ux(x+Δx)=ux,j+1,Ux(x)=ux,j,Ux(x−Δx)=ux,j-1という拘束条件の下で、式(14)を使って前進差分、後退差分による離散近似を行い、式を整理すると次の式(15)に示すように、3階微分項を得ることができる。
Next, under the constraint that U x (x + Δx) = ux , j + 1 , U x (x) = ux , j , U x (x−Δx) = ux , j−1 , By performing discrete approximation by forward difference and backward difference using Expression (14) and rearranging the expressions, a third-order differential term can be obtained as shown in the following Expression (15).

そして、式(15)を式(13)に代入すれば、次の式(16)を得ることができる。
Then, by substituting equation (15) into equation (13), the following equation (16) can be obtained.

また、式(10)におけるC1を、式(7)と式(8)を使って計算すると次の式(17)の通りとなる。
さらに、式(10)に式(17)とα=2/3を代入すると次の式(18)のようになる。
Further, when C 1 in the equation (10) is calculated using the equations (7) and (8), the following equation (17) is obtained.
Further, when Expression (17) and α = 2/3 are substituted into Expression (10), the following Expression (18) is obtained.

以上の説明からわかるように、式(18)は、式(16)の右辺の左2項と一致しており、4次精度(式(16)の右辺の左から3項目以降の項におけるΔxの最低次数が4)であるので、従来の2次精度などの計算手法やその他の計算手法よりも高い精度を実現することができる。
このことが、式(10)においてα=2/3を代入することの有利性を示す数学的根拠の1つであると考えられる。
As can be seen from the above description, the expression (18) matches the left two terms on the right side of the expression (16), and the quaternary accuracy (Δx in terms of the third and subsequent items from the left of the right side of the expression (16) Since the lowest order is 4), higher accuracy than the conventional calculation methods such as secondary accuracy and other calculation methods can be realized.
This is considered to be one of the mathematical grounds showing the advantage of substituting α = 2/3 in equation (10).

ただし、数値シミュレーションの諸条件は千差万別なので、必ずしも常にα=2/3がベストとは限らず、計算が安定するように、必要に応じてαに2/3以外の数値(2/3に近い値、2/3よりも小さな値など)を代入すればよい。
たとえば、数値シミュレーションの対象(気体、液体、電磁波など)の波の波長が、格子間隔と比較して相対的にある程度以上長いときは、αに2/3よりも小さな数値を代入することで計算を安定させることができることもある。なぜなら、対象の波の波長が格子間隔と比較して相対的に長い(格子間隔の数倍〜数百倍など)ときは、j点の物理量を算出する際に、近接格子点(j−1点、j+1点など)の物理量によって補正をする必要性が低減することもあるからである。
すなわち、本発明の特徴は、式(10)に示すように、本来の微分係数、および、補間関数から求めた微分係数、という2つの値から近似微分係数を算出することであり、α=2/3というのはその一例である。
However, since the numerical simulation conditions vary widely, α = 2/3 is not always the best, and α may be set to a value other than 2/3 as necessary (2 / Substituting a value close to 3 or a value smaller than 2/3).
For example, if the wave wavelength of the object of numerical simulation (gas, liquid, electromagnetic wave, etc.) is relatively longer than the relative distance of the lattice, calculate by substituting a numerical value smaller than 2/3 for α. May be stabilized. This is because when the wavelength of the target wave is relatively long compared to the lattice interval (several times to several hundred times the lattice interval, etc.), when calculating the physical quantity of the j point, the adjacent lattice point (j−1 This is because the necessity of correction may be reduced depending on the physical quantity of point, j + 1 point, and the like.
That is, the feature of the present invention is to calculate an approximate differential coefficient from two values of an original differential coefficient and a differential coefficient obtained from an interpolation function, as shown in Expression (10), and α = 2 / 3 is one example.

図4に戻って、ステップS44〜ステップS46により、処理部4は変数(圧力)pに関する近似微分係数∂p/∂x|jを算出するが、ステップS44〜ステップS46は、ステップS41〜ステップS43においてuをpに置き換えた場合と同様であるので、説明を省略する。 Returning to FIG. 4, the processing unit 4 calculates the approximate differential coefficient ∂p / ∂x | j with respect to the variable (pressure) p through steps S44 to S46, but steps S44 to S46 are steps S41 to S43. In this case, since u is replaced with p in FIG.

次に、処理部4は、ステップS43で算出した∂u/∂x|jとステップS46で算出した∂p/∂x|jを使って支配方程式を演算し、時刻t+1における各物理量(速度、圧力およびそれらの空間勾配)の値を算出する(ステップS47)。
たとえば、数値シミュレーションの対象物が圧縮性流体の場合、支配方程式は、次の式(19)のようになる。なお、ρは密度である。
Next, the processing unit 4 calculates a governing equation using ∂u / ∂x | j calculated in step S43 and ∂p / ∂x | j calculated in step S46, and each physical quantity (at time t + 1) ( The values of speed, pressure and their spatial gradient are calculated (step S47).
For example, when the object of the numerical simulation is a compressible fluid, the governing equation is expressed by the following equation (19). Note that ρ is density.

この式(19)を時間積分すれば、時刻t+1における各物理量の値を算出することができる。時間積分する場合は、ルンゲ・クッタ法などを用いてもよい。また、∂u/∂x|jと∂p/∂x|jρをα=2/3を使って算出した場合は、ρも同様にして、ρを算出するための補間関数から算出された値と本来の値を元に、2/3:1/3(2:1)の加重平均によって求めた値を使うようにしてもよい。
また、式(7)の補間関数の代わりに、次の式(20)のような、分母に関数を有する有理関数を補間関数として用いてもよい。
If this equation (19) is integrated over time, the value of each physical quantity at time t + 1 can be calculated. For time integration, the Runge-Kutta method or the like may be used. Further, ∂u / ∂x | j and ∂p / ∂x | if the j [rho were calculated using alpha = 2/3 is, [rho are similarly calculated from the interpolation function for calculating the [rho You may make it use the value calculated | required by the weighted average of 2/3: 1/3 (2: 1) based on the value and the original value.
Further, instead of the interpolation function of Expression (7), a rational function having a function in the denominator, such as the following Expression (20), may be used as the interpolation function.

なお、ここでは、分子を3次関数とし、分母を1次関数としているが、それぞれ、その他の関数を用いてもよい。また、この式(20)は、圧力に関してだけでなく、速度、その他の変数にも適用できることは言うまでもない。
このように、補間関数に式(20)のような有理関数を用いる場合も、近似微分係数∂u/∂x|jの算出の仕方は、補間関数を式(7)から式(20)に入れ替えるほかは、図4のフローチャートのステップS41〜ステップS43の場合と同様である。
Although the numerator is a cubic function and the denominator is a linear function here, other functions may be used. Needless to say, this equation (20) can be applied not only to pressure but also to speed and other variables.
As described above, even when a rational function such as Expression (20) is used as the interpolation function, the method of calculating the approximate differential coefficient ∂u / ∂x | j is changed from Expression (7) to Expression (20). Except for the replacement, the procedure is the same as that in steps S41 to S43 in the flowchart of FIG.

数値シミュレーションの初期に、数百倍あるいは数千倍の密度比や圧力比を有する爆風や衝撃波などに関する計算の場合は、式(20)のような有理関数を用いることで、計算の安定性を高めることができる。   In the early stage of numerical simulation, in the case of calculations related to blasts or shock waves with density ratios or pressure ratios of several hundreds or thousands of times, it is possible to improve the stability of the calculation by using a rational function such as equation (20). Can be increased.

次に、本実施形態の数値計算装置10による数値計算方法に関する4つの応用例について説明する。
<応用例1:浅水波方程式>
静力学大気モデルにおける力学過程は、浅水波方程式によって記述される。そして、浅水波方程式を数値シミュレーションに用いる場合には、重力ポテンシャルと流速に関して、高精度かつ安定なカップリングが必要となる。
Next, four application examples regarding the numerical calculation method by the numerical calculation apparatus 10 of the present embodiment will be described.
<Application example 1: Shallow water wave equation>
The dynamic process in the hydrostatic atmospheric model is described by the shallow water wave equation. When the shallow water wave equation is used for a numerical simulation, a highly accurate and stable coupling is required for the gravitational potential and the flow velocity.

なお、過去に、テンパートンらが、浅水波方程式に関して、高解像度計算を行っている(文献「An efficient two-time-level semi-Lagrangian semi-implicit integration scheme」(Temperton,C.,and Stainforth,A.,1987年,「Quart.J.Roy.Meteor.Soc.(113版)1025頁〜1039頁」)参照)。このテンパートンらの計算は、800×800の格子数で行われている。   In the past, Temperton et al. Performed high-resolution calculations for the shallow water wave equation (the literature “An efficient two-time-level semi-Lagrangian semi-implicit integration scheme” (Temperton, C., and Stainforth, A , 1987, "Quart. J. Roy. Meteor. Soc. (113 edition) pages 1025-1039"). The calculation by Temperton et al. Is performed with a lattice number of 800 × 800.

この場合、支配方程式は、回転球面上の浅水波方程式である。この浅水波方程式は、ポーラーステレオ投影面におけるカルテシアン座標(x,y)を用いて、次の式(21)〜式(23)のように表わされる。
なお、tは時間、u、vはそれぞれ流速のx方向成分、y方向成分、φはジオポテンシャル高度であり、また、マップファクタをm、地球の自転の角速度をΩ、緯度をlatとし、U=u/m,V=v/m,S=m2,f=2Ωsin(lat)(コリオリパラメータ)である。
In this case, the governing equation is a shallow water wave equation on the rotating sphere. This shallow water wave equation is expressed by the following equations (21) to (23) using Cartesian coordinates (x, y) on the polar stereo projection plane.
Where t is the time, u and v are the x-direction component and y-direction component of the flow velocity, φ is the geopotential height, m is the map factor, Ω is the angular velocity of the earth's rotation, and lat is the latitude. = U / m, V = v / m, S = m 2 , f = 2Ωsin (lat) (Coriolis parameter).

計算対象領域は、北極を中心とした正方領域であり、マップファクタの基準緯度を北緯60度としている。また、境界条件として、赤道近傍で固定壁条件を与える。初期条件として、1984年2月28日12時の気圧500mbに対する解析に基づいて流速分布、ジオポテンシャル高度分布を与え、5分間隔で2日間分の積分を行う。   The calculation target area is a square area centered on the North Pole, and the reference latitude of the map factor is 60 degrees north latitude. As a boundary condition, a fixed wall condition is given near the equator. As an initial condition, a flow velocity distribution and a geopotential height distribution are given based on an analysis with respect to a pressure of 500 mb at 12:00 on February 28, 1984, and integration for two days is performed at 5-minute intervals.

このような条件下において、図5(a)は、変数間のカップリングを行わない従来の計算手法で計算した場合のジオポテンシャル高度の誤差を表わした図、図5(b)は、本実施形態の数値計算方法により計算した場合のジオポテンシャル高度の誤差を表わした図であり、格子点数はともに100×100である。   Under such conditions, FIG. 5A is a diagram showing an error of the geopotential height when calculated by a conventional calculation method that does not perform coupling between variables, and FIG. It is the figure showing the error of the geopotential height at the time of calculating by the numerical calculation method of the form, and the number of grid points is 100 × 100.

それぞれの図において、図の中心は北極を表わし、曲線501および曲線511は赤道を表わし、曲線502などおよび曲線512などはテンパートンらの計算によって得られたジオポテンシャル高度が等しい地点を表わすものである。また、符号503および符号513は、ジオポテンシャル高度の誤差の大きさと色との関係を表わしたものである。   In each figure, the center of the figure represents the North Pole, the curves 501 and 511 represent the equator, the curves 502 and 512, etc. represent the points where the geopotential heights obtained by the calculation of Temperton et al. Are equal. . Reference numerals 503 and 513 represent the relationship between the magnitude of the geopotential height error and the color.

この2つの図を比較してわかるように、本実施形態の数値計算方法による計算結果は、従来の計算手法よりもはるかに精度が高く、また、格子点数が8×8倍のテンパートンらの計算とほぼ同じ計算結果が得られている。   As can be seen by comparing these two figures, the calculation result obtained by the numerical calculation method of the present embodiment is much more accurate than the conventional calculation method, and is calculated by Temperton et al. And almost the same calculation results are obtained.

<応用例2:乱流計算>
乱流の計算には、各物理量をフーリエ展開し、波数空間上で計算を行うスペクトル法が主に用いられており、最も精度の高い計算手法として知られている。
一方、本実施形態の数値計算方法は、次の式(24)〜式(26)に示す支配方程式を使用する。式(24)と式(25)は、2次元非圧縮性ナビエ・ストークス方程式であり、式(26)は、連続式である。
なお、u、vはそれぞれ流速のx方向成分、y方向成分、xとyは座標、tは時間、Pは圧力、Reはレイノルズ数を表わす。
<Application example 2: Turbulent flow calculation>
For the calculation of turbulent flow, a spectral method in which each physical quantity is Fourier-expanded and calculation is performed in a wave number space is mainly used, and is known as the most accurate calculation method.
On the other hand, the numerical calculation method of this embodiment uses the governing equations shown in the following equations (24) to (26). Equations (24) and (25) are two-dimensional incompressible Navier-Stokes equations, and equation (26) is a continuous equation.
Note that u and v are the x direction component and y direction component of the flow velocity, x and y are coordinates, t is time, P is pressure, and Re is Reynolds number.

そして、格子点数が512×512の正方領域に、所定の乱流プロファイル(ここでは、渦度ω=∂v/∂x−∂u/∂y)を与える。このとき、周期境界条件を用いて式(24)〜式(26)を解けば、図6のような結果が得られる。   Then, a predetermined turbulent flow profile (here, vorticity ω = ∂v / ∂x−∂u / ∂y) is given to a square region having the number of lattice points of 512 × 512. At this time, if the equations (24) to (26) are solved using the periodic boundary condition, a result as shown in FIG. 6 is obtained.

図6は、散逸(Dissipation)とETT(Eddy Turnover Time)との関係を示した図である。散逸とは、流体統計量の1つで、単位時間当たりに運動エネルギーが熱エネルギーに変わる量の大きさを表わすものであり、散逸をΦ、エンストロフィをε、レイノルズ数をReとすると、Φ=2ε/Reである。なお、渦度をωとすると、ε=ω2/2である。
また、ETTは、無次元化した時間であり、初期における積分長をL、速度の標準偏差をUr.m.sとすると、1ETT=L/Ur.m.sと表わされる。
FIG. 6 is a diagram showing the relationship between dissipation and ETT (Eddy Turnover Time). Dissipation is a fluid statistic that represents the amount of kinetic energy converted to thermal energy per unit time, where Φ is the dissipation, ε is the entropy, and Re is the Reynolds number. = 2ε / Re. It should be noted that, if the vorticity and ω, is ε = ω 2/2.
ETT is a dimensionless time, and is expressed as 1ETT = L / U rms where L is the integral length in the initial stage and U rms is the standard deviation of speed.

図6に示すように、スペクトル法による計算結果(曲線601:Spectral)と、本実施形態の数値計算方法による計算結果(図中のドット:IDO-SC)が、ほぼ一致している。
乱流現象は時間的、空間的に不規則であるという特徴を有するが、本実施形態の数値計算方法によれば、散逸だけでなく、速度の標準偏差、歪度、扁平度、エンストロフィなど、他の統計量に関しても、スペクトル法と同程度の、高い安定性の計算を実現することができる。
As shown in FIG. 6, the calculation result by the spectral method (curve 601: Spectral) and the calculation result by the numerical calculation method of the present embodiment (dots in the figure: IDO-SC) almost coincide.
Although the turbulent flow phenomenon is irregular in terms of time and space, according to the numerical calculation method of this embodiment, not only dissipation but also standard deviation of velocity, skewness, flatness, enstrophy, etc. As for other statistics, high-stability calculations similar to the spectral method can be realized.

<応用例3:2次元キャビティフロー問題>
キャビティフローの問題は、非圧縮性流体計算のベンチマークとして広く知られており、従来では、ギアらによる多重格子法の計算結果が最も高精度とされている(文献「High-Resolution for incompressible flow using the Navier-Stokes equations and a multitigrid method」(Ghia,U.,Ghia,K.N.,and Shin,C.T.,1982年,「J.Comput.Phys.(48版)387頁〜411頁」)参照)。
<Application example 3: Two-dimensional cavity flow problem>
The problem of cavity flow is widely known as a benchmark for incompressible fluid calculations, and conventionally, the results of the multigrid method by Gear et al. Are considered to be the most accurate (reference: High-Resolution for incompressible flow using the Navier-Stokes equations and a multitigrid method "(Ghia, U., Ghia, KN, and Shin, CT, 1982," J. Comput. Phys. (48th edition) pages 387-411 ").

キャビティフローの問題は、圧力と流速のカップリングが重要であるため、従来のIDO法では、流速を正しく評価できなかった。図7(a)は、格子点数40×40で、従来のIDO法による計算を行った場合の結果を示した図である。
なお、従来のIDO法による計算も、本実施形態の数値計算方法による計算も、使用する支配方程式は、前記した式(24)〜式(26)である。
As for the problem of the cavity flow, since the coupling between the pressure and the flow velocity is important, the conventional IDO method cannot correctly evaluate the flow velocity. FIG. 7A is a diagram showing a result when calculation is performed by the conventional IDO method with the number of lattice points of 40 × 40.
Note that the governing equations used for the calculation by the conventional IDO method and the calculation by the numerical calculation method of the present embodiment are the above-described equations (24) to (26).

図7(a)において、xとyは座標を表わす。また、vは、y=0.5の地点におけるx座標に対応するx方向の流速を表わし、曲線701(IDO)の近傍のドット(Ghia et al)がギアらの計算結果(格子点数256×256)、曲線701が従来の計算手法による計算結果(格子点数40×40)である。さらに、uは、x=0.5の地点におけるy座標に対応するy方向の流速を表わし、曲線702(IDO)の近傍のドット(Ghia et al)がギアらの計算結果(格子点数256×256)、曲線702が従来の計算手法による計算結果(格子点数40×40)である。図7(a)を見れば、従来の計算結果の精度がよくないことがわかる。   In FIG. 7A, x and y represent coordinates. Further, v represents the flow velocity in the x direction corresponding to the x coordinate at a point where y = 0.5, and the dot (Ghia et al) in the vicinity of the curve 701 (IDO) is the calculation result of Gear et al. 256), a curve 701 is a calculation result (number of grid points 40 × 40) by a conventional calculation method. Further, u represents the flow velocity in the y direction corresponding to the y coordinate at a point where x = 0.5, and the dot (Ghia et al) in the vicinity of the curve 702 (IDO) is the calculation result of Gear et al. 256), a curve 702 is a calculation result (number of grid points 40 × 40) by a conventional calculation method. As can be seen from FIG. 7A, the accuracy of the conventional calculation results is not good.

一方、図7(b)は、本実施形態の数値計算装置による計算結果を示した図である。図7(b)において、xとyは座標を表わす。
また、vは、y=0.5の地点におけるx座標に対応するx方向の流速を表わし、曲線711(IDO-SC)の近傍のドット(Ghia et al)がギアらの計算結果(格子点数256×256)、曲線711が本実施形態の数値計算方法による計算結果(格子点数40×40)である。さらに、uは、x=0.5の地点におけるy座標に対応するy方向の流速を表わし、曲線712(IDO-SC)の近傍のドット(Ghia et al)がギアらの計算結果(格子点数256×256)、曲線712が本実施形態の数値計算方法による計算結果(格子点数40×40)である。
On the other hand, FIG. 7B is a diagram showing a calculation result by the numerical calculation device of the present embodiment. In FIG. 7B, x and y represent coordinates.
Further, v represents the flow velocity in the x direction corresponding to the x coordinate at the point where y = 0.5, and the dot (Ghia et al) in the vicinity of the curve 711 (IDO-SC) is the calculation result (number of grid points). 256 × 256) and the curve 711 are the calculation results (number of grid points 40 × 40) by the numerical calculation method of the present embodiment. Furthermore, u represents the flow velocity in the y direction corresponding to the y coordinate at the point where x = 0.5, and the dot (Ghia et al) in the vicinity of the curve 712 (IDO-SC) indicates the calculation result (number of grid points). 256 × 256) and the curve 712 are the calculation results (number of grid points 40 × 40) by the numerical calculation method of the present embodiment.

図7(b)を見れば、本実施形態の数値計算方法による計算結果は、40×40という非常に少ない格子点数ながらも、格子点数256×256のギアらの計算結果とほぼ一致し、精度の高いことがわかる。   If FIG.7 (b) is seen, the calculation result by the numerical calculation method of this embodiment will be substantially in agreement with the calculation result of the gears of the number of lattice points 256x256, although it is very small number of lattice points of 40x40. It is clear that

<応用例4:衝撃波問題>
初期条件として大きな圧力比や密度比が与えられる衝撃波問題において、従来のIDO法などによる計算では、圧力や密度と流速のカップリングが悪く、計算が初期から不安定になり破綻していた。
<Application example 4: Shock wave problem>
In a shock wave problem in which a large pressure ratio or density ratio is given as an initial condition, in the calculation by the conventional IDO method or the like, the coupling of pressure, density and flow velocity is poor, and the calculation becomes unstable from the beginning and breaks down.

ここでは、密閉された管に密度と圧力の異なる2つの流体が隔膜を隔てて存在し、その隔膜を瞬間的に取り除いたときに、高圧の流体が低圧の流体側に流入し、低圧の流体が急速に圧縮されて衝撃波が発生する、という1次元衝撃波管問題について数値シミュレーションを行った場合について説明する。   Here, two fluids having different densities and pressures exist in a sealed tube with a diaphragm separated, and when the diaphragm is instantaneously removed, the high pressure fluid flows into the low pressure fluid side, and the low pressure fluid A case will be described in which a numerical simulation is performed on a one-dimensional shock tube problem in which a shock wave is generated due to rapid compression.

この場合、支配方程式は、1次元圧縮性ナビエ・ストークス方程式と連続式であり、非保存形で表わすと、次の式(27)〜式(29)のようになる。
なお、tは時間、xは座標、ρは密度、pは圧力、qは人工粘性、uは流速、eは内部エネルギーである。
In this case, the governing equation is a one-dimensional compressible Navier-Stokes equation and a continuous equation. When expressed in a non-conservative form, the following equations (27) to (29) are obtained.
Here, t is time, x is coordinates, ρ is density, p is pressure, q is artificial viscosity, u is flow velocity, and e is internal energy.

図8(a)は、圧力比10:1の場合の圧力と座標の関係図であり、図8(b)は、圧力比10000:1の場合の圧力と座標の関係図である。
図8(a)において、横軸は座標、縦軸は流体の圧力(Pressure)である。ここでは、初期に、x=1.0よりも左側に圧力1の流体が存在し、x=1.0よりも右側に圧力0.1の流体が存在し、その条件下で、x=1.0の地点に設けられていた隔膜を瞬間的に取り除いてから微小時間後のある時刻における流体のそれぞれの座標における圧力を示している。
FIG. 8A is a relationship diagram of pressure and coordinates when the pressure ratio is 10: 1, and FIG. 8B is a relationship diagram of pressure and coordinates when the pressure ratio is 10000: 1.
In FIG. 8A, the horizontal axis represents coordinates, and the vertical axis represents fluid pressure. Here, initially, a fluid having a pressure of 1 exists on the left side of x = 1.0, and a fluid of a pressure of 0.1 exists on the right side of x = 1.0. Under these conditions, x = 1 The pressure at each coordinate of the fluid at a certain time after a short time after the diaphragm provided at the point of 0.0 is instantaneously removed is shown.

曲線801(Exact)は論理的に求めた解析解(厳密解)であり、ドット(IDO-SC)で示された本実施形態の数値計算方法による計算結果は、曲線801とほぼ一致していることがわかる。   A curve 801 (Exact) is an analytical solution (exact solution) obtained logically, and a calculation result by the numerical calculation method of the present embodiment indicated by dots (IDO-SC) is almost in agreement with the curve 801. I understand that.

また、図8(b)において、横軸は座標、縦軸(対数表示)は流体の圧力(Pressure)である。ここでは、初期に、x=1.0よりも左側に圧力1(100)の流体が存在し、x=1.0よりも右側に圧力10-4の流体が存在し、その条件下で、x=1.0の地点に設けられていた隔膜を瞬間的に取り除いてから微小時間後のある時刻における流体のそれぞれの座標における圧力を示している。 In FIG. 8B, the horizontal axis represents coordinates, and the vertical axis (logarithm display) represents fluid pressure (Pressure). Here, initially, a fluid having a pressure of 1 (10 0 ) is present on the left side of x = 1.0, and a fluid having a pressure of 10 −4 is present on the right side of x = 1.0. , X = 1.0, the pressure at each coordinate of the fluid at a certain time after a minute time has elapsed after the diaphragm provided at the point of 1.0 is instantaneously removed.

曲線802(Exact)は論理的に求めた解析解(厳密解)であり、ドット(IDO-SC)で示された本実施形態の数値計算方法による計算結果は、曲線802とほぼ一致していることがわかる。
本実施形態の数値計算方法によれば、図8(a)の場合のような一般的な衝撃波管問題だけでなく、図8(b)の場合のような圧力比などがさらに大きな衝撃波管問題や壁面との相互作用を含む問題においても、安定的かつ高精度の高い計算を行うことができる。なお、密度比や圧力比などが極端に大きな場合は、補間関数として、3次関数ではなく、分母に関数を有する有理関数、たとえば、分母に1次関数、分子に3次関数を有する有理関数などを用いることが望ましい。
A curve 802 (Exact) is an analytical solution (exact solution) obtained logically, and a calculation result by the numerical calculation method of the present embodiment indicated by dots (IDO-SC) is almost in agreement with the curve 802. I understand that.
According to the numerical calculation method of the present embodiment, not only a general shock tube problem as in FIG. 8A, but also a shock tube problem with a larger pressure ratio as in FIG. 8B. Even for problems involving interactions with walls and walls, stable and highly accurate calculations can be performed. When the density ratio or pressure ratio is extremely large, the interpolation function is not a cubic function but a rational function having a function in the denominator, for example, a rational function having a linear function in the denominator and a cubic function in the numerator. It is desirable to use etc.

以上説明したように、本実施形態の数値計算方法によれば、コロケート格子を用いた多変数偏微分方程式において、変数間の安定なカップリングを実現することができる。また、この数値計算方法をコンピュータに実行させるためのプログラムを作成し、そのプログラムを記憶部(記録媒体)2(図1参照)に記憶(記録)することができる。   As described above, according to the numerical calculation method of the present embodiment, stable coupling between variables can be realized in a multivariable partial differential equation using a collocated grid. In addition, a program for causing a computer to execute the numerical calculation method can be created, and the program can be stored (recorded) in the storage unit (recording medium) 2 (see FIG. 1).

以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこれらに限定されるものではない。
たとえば、本発明は、電磁気に関する数値シミュレーションや、レイリーテーラー不安定性の解析など、偏微分方程式を使った自然現象の再現全般に広く適用することができる。
その他、数値計算装置や各フローチャートなどの具体的な構成について、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。
This is the end of the description of the embodiments, but the aspects of the present invention are not limited to these.
For example, the present invention can be widely applied to general reproduction of natural phenomena using partial differential equations, such as numerical simulation related to electromagnetics and analysis of Rayleigh Taylor instability.
In addition, specific configurations such as the numerical calculation device and each flowchart can be appropriately changed without departing from the spirit of the present invention.

数値計算装置の構成図である。It is a block diagram of a numerical calculation apparatus. 数値シミュレーションの処理の大まかな流れを表わしたフローチャートである。It is a flowchart showing the rough flow of the process of numerical simulation. 各格子点と変数、微分係数の関係を表わした図である。It is a figure showing the relationship between each lattice point, a variable, and a differential coefficient. 図2のステップS4における処理の内容を表わしたフローチャートである。It is a flowchart showing the content of the process in step S4 of FIG. 応用例1の計算結果を表わす図であり、(a)は、従来の計算手法で計算した場合の誤差を表わした図、(b)は、本実施形態の数値計算装置により計算した場合の誤差を表わした図である。It is a figure showing the calculation result of the application example 1, (a) is a figure showing the error at the time of calculating with the conventional calculation method, (b) is the error at the time of calculating with the numerical calculation apparatus of this embodiment. FIG. 応用例2の計算結果を表わす図であり、散逸とETTとの関係を示した図である。It is a figure showing the calculation result of the application example 2, and is the figure which showed the relationship between dissipation and ETT. 応用例3の計算結果を表わす図であり、(a)は、従来のIDO法による計算結果を示した図、(b)は、本実施形態の数値計算装置による計算結果を示した図である。It is a figure showing the calculation result of the application example 3, (a) is the figure which showed the calculation result by the conventional IDO method, (b) is the figure which showed the calculation result by the numerical calculation apparatus of this embodiment. . 応用例4の計算結果を表わす図であり、(a)は、圧力比10:1の場合の圧力と座標の関係図、(b)は、圧力比10000:1の場合の圧力と座標の関係図である。It is a figure showing the calculation result of the application example 4, (a) is a relationship figure of the pressure in the case of 10: 1 pressure ratio, and a coordinate diagram, (b) is the relationship between the pressure in the case of a pressure ratio of 10000: 1. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1 入力部
2 記憶部
3 メモリ
4 処理部
5 出力部
10 数値計算装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Input part 2 Memory | storage part 3 Memory 4 Processing part 5 Output part 10 Numerical calculation apparatus

Claims (7)

空間上の複数の定義点それぞれにおける1つ以上の物理的な変数の値を、所定の物理現象を表す偏微分方程式を含む支配方程式と、前記支配方程式で使用する前記変数の値を修正するための所定の関数であって前記定義点ごとに自身の定義点以外の2点以上の前記変数の値に基づいて係数が決定される補間関数と、を用いて、所定の微小時間単位で更新する数値計算装置による数値計算方法であって、
前記数値計算装置は、記憶部と処理部とを有し、
前記記憶部は、前記支配方程式と前記補間関数とを記憶しており、
前記処理部は、前記複数の定義点のうちの特定点について前記変数の値を更新するとき、
前記支配方程式を用いて前記変数に関する第1の微分係数を算出し、
前記補間関数を用いて前記変数に関する第2の微分係数を算出し、
前記第の微分係数と前記第の微分係数との加重平均によって前記変数に関する第3の微分係数を算出し、
前記第3の微分係数と前記支配方程式とに基づいて演算を行うことで、前記変数の値を前記所定の微小時間後の値に更新する
ことを特徴とする数値計算方法。
To correct the value of one or more physical variables at each of a plurality of definition points in space, the governing equation including a partial differential equation representing a predetermined physical phenomenon, and the value of the variable used in the governing equation And an interpolation function in which a coefficient is determined based on the values of two or more variables other than its own defined point for each of the defined points, and is updated in a predetermined minute time unit. A numerical calculation method by a numerical calculation device,
The numerical calculation device includes a storage unit and a processing unit,
The storage unit stores the governing equation and the interpolation function,
When the processing unit updates the value of the variable for a specific point among the plurality of definition points,
Calculating a first derivative for the variable using the governing equation;
Calculating a second derivative for the variable using the interpolation function;
Calculating a third derivative for the variable by a weighted average of the first derivative and the second derivative ;
A numerical calculation method , wherein the value of the variable is updated to a value after the predetermined minute time by performing an operation based on the third differential coefficient and the governing equation .
前記複数の定義点は、すべての変数やその微分係数が同じ格子上に定義されるコロケート格子点である
ことを特徴とする請求項1に記載の数値計算方法。
The numerical calculation method according to claim 1, wherein the plurality of definition points are collocated grid points in which all variables and their differential coefficients are defined on the same grid .
前記補間関数は、エルミート補間関数であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の数値計算方法。   The numerical calculation method according to claim 1, wherein the interpolation function is a Hermite interpolation function. 前記補間関数は、3次関数を分子に持つ有理関数であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の数値計算方法。   The numerical calculation method according to claim 1, wherein the interpolation function is a rational function having a cubic function in a numerator. 前記加重平均は、前記第の微分係数と前記第2の微分係数の比が/3対/3あるいはそれに近い値であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の数値計算方法。 The weighted average according to claim 1 or claim 2, wherein the ratio of said first derivative and the previous SL second derivative is 1/3 to 2/3 or a value close to Numerical calculation method. 請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の数値計算方法をコンピュータに実行させるためのプログラム。   The program for making a computer perform the numerical calculation method as described in any one of Claims 1-5. 請求項6に記載のプログラムを記録した記録媒体。
A recording medium on which the program according to claim 6 is recorded.
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