JP5277129B2 - Fluid analysis device - Google Patents
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本発明は、パーソナルコンピュータや大型計算機を用いた流体の数値シミュレーション解析に係り、特に、解析空間に置かれた任意の境界形状を持つ移動物体周りの流れの数値シミュレーションを実行する流体解析装置に関する。 The present invention relates to a numerical simulation analysis of a fluid using a personal computer or a large computer, and more particularly to a fluid analysis apparatus that executes a numerical simulation of a flow around a moving object having an arbitrary boundary shape placed in an analysis space.
コンピュータ及び数値解析手法の発達に伴い、流れや燃焼の数値シミュレーションを用いたガソリンエンジン等のレシプロエンジン(以下、エンジン)の筒内現象把握、及びエンジン開発が実施されている。 With the development of computers and numerical analysis methods, in-cylinder phenomena in reciprocating engines (hereinafter referred to as engines) such as gasoline engines using numerical simulation of flow and combustion, and engine development are being carried out.
エンジンには、外部から吸入する空気量を制御するための吸気弁,外部へ排出するガス量を制御するための排気弁,仕事を取り出すためのピストンが設けられており、エンジンの運転中は、これらが移動,停止を繰り返す。このため、エンジン内部の空間形状は時々刻々と変化する。エンジン内部を数値シミュレーションにて解析する場合には、ピストンやバルブの移動に伴う空間形状の変化を何らかの方法で再現する必要がある。 The engine is provided with an intake valve for controlling the amount of air sucked from the outside, an exhaust valve for controlling the amount of gas discharged to the outside, and a piston for taking out work. During operation of the engine, These repeatedly move and stop. For this reason, the internal space shape of the engine changes every moment. When analyzing the interior of the engine by numerical simulation, it is necessary to reproduce the change in the spatial shape accompanying the movement of the piston and valve by some method.
このような空間形状の変化を再現する手法の一つとして境界条件埋め込み法(Immersed Boundary Method、以下、IB法)が考案されている。流体の数値シミュレーションでは、解析空間を複数の多面体(以下、計算セル)に分割し解析を行う。IB法は、計算セルとは別に移動物体(例えば、吸気弁,排気弁,ピストン)の表面データを用い、解析空間中でこの表面データを移動させることで、解析空間の形状変化を表現する手法である。移動物体による流れの変化は、流体の運動方程式に相互作用力項を加えることで反映させる。具体的には、式(1)を解くことで流れ解析を行う。 As one of the methods for reproducing such a change in the space shape, a boundary condition embedding method (hereinafter referred to as IB method) has been devised. In the fluid numerical simulation, the analysis space is divided into a plurality of polyhedrons (hereinafter, calculation cells) for analysis. The IB method uses surface data of a moving object (for example, an intake valve, an exhaust valve, and a piston) separately from a calculation cell, and expresses a change in shape of the analysis space by moving the surface data in the analysis space. It is. The change in the flow due to the moving object is reflected by adding an interaction force term to the equation of motion of the fluid. Specifically, the flow analysis is performed by solving equation (1).
ここで、ρは流体の密度、pは圧力、τはせん断応力テンソル、vec(u)は平均速度ベクトル、vec(Fs)が相互作用力ベクトルである。平均速度ベクトルvec(u)、相互作用力項vec(Fs)は式(2),式(3)で評価される。 Here, ρ is the density of the fluid, p is the pressure, τ is the shear stress tensor, vec (u) is the average velocity vector, and vec (F s ) is the interaction force vector. The average velocity vector vec (u) and the interaction force term vec (F s ) are evaluated by the equations (2) and (3).
ここで、θは計算セルを占める物体の体積分率(以下、物体体積分率)、vec(uF)は流体の速度ベクトル、vec(uP)は物体の速度ベクトル、Δtはシミュレーションの条件として設定する時間刻み幅であり、解析の安定性や求める計算精度を実現するように決定する。物体の体積分率θは、各計算セルの体積をVkとし、該計算セルを占める物体の体積をVMとすると、式(4)で定義される。 Here, θ is the volume fraction of the object occupying the calculation cell (hereinafter referred to as object volume fraction), vec (u F ) is the fluid velocity vector, vec (u P ) is the velocity vector of the object, and Δt is the simulation condition. And is determined so as to realize the stability of the analysis and the required calculation accuracy. The volume fraction θ of the object is defined by Equation (4), where V k is the volume of each calculation cell and V M is the volume of the object occupying the calculation cell.
式(4)で定義される物体体積分率は、与えられた移動物体に関するデータ(以下、移動体データ)と計算セルに関するデータ(以下、計算格子データ)に基づき計算される。 The object volume fraction defined by Expression (4) is calculated based on data regarding a given moving object (hereinafter referred to as moving object data) and data regarding a calculation cell (hereinafter referred to as calculation grid data).
IB法は、計算セル作成の工数を削減できる点がメリットとなる反面、計算格子データと移動体データに基づく体積分率計算の負荷が大きい点がデメリットとなる。このデメリットを解決する手段として、物体形状に基づき配置された仮想粒子の情報に基づき相互作用力項を計算する手法がある(例えば、非特許文献1参照)。 The IB method is advantageous in that it can reduce the man-hours for creating the calculation cell, but it has a disadvantage in that the volumetric load calculation based on the calculation grid data and the moving body data is heavy. As a means for solving this disadvantage, there is a method of calculating an interaction force term based on information of virtual particles arranged based on an object shape (see, for example, Non-Patent Document 1).
文献によれば、移動物体の内部に複数の仮想粒子を分布させ、移動物体の形状を近似、近似に用いた仮想粒子データに基づき、各計算セルにおける物体の体積分率を計算する方法が報告されている。本手法によれば、幾何的な計算に基づき体積計算をする必要が無くなり、計算負荷低減が図れる。しかし、該手法では、移動物体の境界面の近くにおいて、移動物体が存在しない計算セルで体積分率が0とならない、移動物体で完全に埋め尽くされる格子において、物体の体積分率が1とならない場合がある。これは、形状近似に用いた仮想粒子データのみに基づき計算をしたため、物体の境界の正確な位置情報が失われるために生じると考えられる。この結果、流体のシミュレーション誤差を大きくすることとなる。 According to the literature, a method of calculating the volume fraction of an object in each calculation cell based on the virtual particle data used to distribute the multiple virtual particles inside the moving object and approximate the shape of the moving object. Has been. According to this method, it is not necessary to perform volume calculation based on geometric calculation, and the calculation load can be reduced. However, in this method, the volume fraction of the object is 1 in the lattice completely filled with the moving object, where the volume fraction is not 0 in the calculation cell where the moving object does not exist near the boundary surface of the moving object. It may not be possible. This is considered to be caused by the fact that the accurate position information of the boundary of the object is lost because the calculation is based only on the virtual particle data used for shape approximation. As a result, the fluid simulation error is increased.
本発明は、このような従来技術の課題を解決するものであり、その目的は、移動物体の表面付近に位置する計算セルにおける物体の体積分率を高精度に予測し、これにより、解析時間の精度低下と計算時間の長期化を防ぐ流体解析精度の向上を実現する流体解析装置を提供することである。 The present invention solves such problems of the prior art, and its purpose is to predict the volume fraction of an object in a calculation cell located near the surface of a moving object with high accuracy, thereby analyzing time. It is intended to provide a fluid analysis apparatus that realizes improvement in fluid analysis accuracy that prevents a decrease in accuracy and a prolonged calculation time.
上記目的を達成するため、本発明では、解析空間に複数散らばった格子点の位置座標により表される格子点データ、複数の格子点データを用いて表される複数のセル表面データ及び複数のセル表面データにより表される計算セルデータから構成される計算格子データと、解析空間に置かれた物体を表すために物体表面に設けられた複数の物体点データ、複数の物体点データにより表される物体微小面データから構成される物体データを記憶する手段を備える。 In order to achieve the above object, in the present invention, lattice point data represented by position coordinates of a plurality of lattice points scattered in an analysis space, a plurality of cell surface data and a plurality of cells represented by using a plurality of lattice point data Represented by calculation grid data composed of calculation cell data represented by surface data, multiple object point data provided on the object surface to represent an object placed in the analysis space, and multiple object point data Means for storing object data composed of object minute surface data are provided.
前記物体周りの流れを解析するための流体解析装置において、
前記解析空間に置かれた物体の内部に分布した複数仮想粒子の位置座標と物体体積及び格子データに基づき決めた体積データで構成される仮想粒子データを記憶する手段を備え、
前記物体点データ及び前記物体微小面データに基づき前記格子点が移動物体の内外のいずれにあるか判定する格子点判定手段を備え、
各計算セル中に含まれる物体体積と前記各計算セルの体積の比である物体の体積分率を、前記境界面上セルにおいては、前記格子点判定手段で物体内部にあると判定した格子点である内部点と物体外部にあると判定した格子点である外部点の両方で構成される計算セルである境界面上セルに所属する仮想粒子の体積データ基づき計算すること、
を特徴とする流体解析装置
を作成する。
In the fluid analysis device for analyzing the flow around the object,
Means for storing virtual particle data composed of volume data determined based on position coordinates, object volume and lattice data of a plurality of virtual particles distributed inside the object placed in the analysis space;
Grid point determination means for determining whether the grid point is inside or outside the moving object based on the object point data and the object micro-plane data;
The lattice point of the volume of the object, which is the ratio of the volume of the object included in each calculation cell and the volume of each calculation cell, determined to be inside the object by the lattice point determination means in the cell on the boundary surface A calculation based on volume data of virtual particles belonging to a cell on the boundary surface, which is a calculation cell composed of both an internal point that is and an external point that is a lattice point determined to be outside the object,
A fluid analysis device characterized by the above is created.
本発明によれば、解析空間に設けた複数の計算セルを、内部が移動物体で100%占められている計算セル(以下、内部セル),内部に移動物体の表面が存在する計算セル(以下、境界面上セル),セル内部に移動物体を含まない計算セル(以下、外部セル)の3種類に分類し、内部セルの物体体積分率を1、外部セルの物体体積分率を0と設定することができる。さらに、境界面上セルの物体体積分率は、移動物体の内部かつ移動物体の表面近くに分布させた仮想粒子の位置及び体積データに基づき計算することができるため、物体体積分率の計算精度を向上できる。この結果、流体解析の精度低下の防止と計算時間長期化の防止を両立できる。 According to the present invention, a plurality of calculation cells provided in the analysis space are calculated cells (hereinafter referred to as internal cells) in which 100% is occupied by moving objects, and calculation cells (hereinafter referred to as internal cells) in which the surfaces of moving objects exist , Cells on the boundary surface), and calculation cells that do not include moving objects inside the cell (hereinafter referred to as external cells), the object volume fraction of the internal cell is 1 and the object volume fraction of the external cell is 0. Can be set. In addition, the object volume fraction of the cell on the boundary surface can be calculated based on the position and volume data of virtual particles distributed inside the moving object and near the surface of the moving object. Can be improved. As a result, it is possible to achieve both prevention of fluid analysis accuracy reduction and prevention of prolonged calculation time.
図1から図20を用いて本発明の実施例を説明する。流体解析装置の構成,使用するデータ,処理手段及び処理方法,データ入出力の順に説明する。 An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The configuration of the fluid analysis apparatus, data to be used, processing means and processing method, and data input / output will be described in this order.
図1は、流体解析装置1000の構成図である。流体解析装置1000は、キーボード,マウスなどの入力装置1001,流体解析に用いる格子データ,初期条件,境界条件,移動物体データ,シミュレーション結果などを記録したハードディスクやコンパクトディスク等の外部記憶媒体1002、シミュレーション結果やシミュレーションを実行するために必要な設定を表示するディスプレイ等の表示装置1003、および、シミュレーションを実行する解析装置1004から構成される。解析装置1004は、入力装置1001から入力されるデータ、外部記憶媒体1002との間で入出力されるデータ及び中央処理装置1006で実行するプログラム等を記憶するための主記憶装置1005とシミュレーションの処理を記述したプログラムを実行する中央処理装置1006で構成される。以上を以って流体解析装置を構成する。
FIG. 1 is a configuration diagram of a
続いて、流体解析装置にて使用するデータについて説明する。データは、移動物体を表す移動物体データ、解析空間を分割し生成する計算格子データ、物体が各計算セルを占める割合である物体体積分率の計算に用いる仮想粒子データの順に説明する。 Next, data used in the fluid analysis device will be described. The data will be described in the order of moving object data representing a moving object, calculation grid data generated by dividing the analysis space, and virtual particle data used for calculating the object volume fraction, which is the ratio of the object to each calculation cell.
図11と図12を用いて移動物体データについて説明する。移動物体データは物体表面の位置と移動速度を表し、かつ、複雑な形状を持つ移動物体に対応する必要がある。このため、移動物体は複数の多角形の集合で表す。以下では物体表面を表すために用いる多角形を物体微小面4201と呼ぶ。図11は移動物体の表面4200の一部を表示した図である。物体表面4200は、多数の物体微小面4201で構成される。さらに、物体微小面4201は、3点の物体点4202により構成される。流体解析装置1000では、これらが数値データの組み合わせで表現される。図12を用いて、物体点4202を表す物体点データ4203と物体微小面4201を表す物体微小面データ4204を説明する。物体点データ4203は、各物体点を区別するための物体点番号NBg、物体点の座標,物体点の移動速度で構成される。本実施例では、物体点の総数をNBgmと表す。座標は解析空間における位置を示すデータ、物体点の移動速度は、解析空間中を各物体点が移動する速度を示すデータである。物体微小面データ4204は、各物体微小面4201を区別するための物体面番号NBsと物体微小面4201を構成する物体点4202の物体点番号で構成される。本実施例では、物体微小面の総数をNBsmと表す。物体面番号は整数で与えられるデータである。なお、図11で三角形を用いて説明したが、微小表面の形状はこれに限るものではなく、四角形や、八角形等の多角形にすることもできる。また、移動物体データの形式は、図12に示す形式に限るものではない。
Moving object data will be described with reference to FIGS. The moving object data represents the position and moving speed of the object surface, and needs to correspond to a moving object having a complicated shape. For this reason, the moving object is represented by a set of a plurality of polygons. Hereinafter, the polygon used to represent the object surface is referred to as an
続いて、図13と図14を用いて計算格子データを説明する。前述の通り、シミュレーションで流体解析を行う際には空間を複数の多面体に分割する。この多面体を計算セルと呼ぶ。図13には、一例として立方体で作成した計算セル4100を示している。計算セル4100は、6面のセル表面4101から構成され、各セル表面4101は4点の格子点4102で構成される。流体解析装置1000では、これらが数値データの組み合わせで表現される。図14を用いて、格子点4102を表す格子点データ4103,セル表面4101を表すセル表面データ4104,計算セル4100を表すセルデータ4105を説明する。格子点データ4103は、各格子点を区別するための格子点番号Ng、格子点の座標,物体内部フラグで構成される。本実施例では、格子点の全数をNgmとする。格子点の座標は、解析空間中における各格子点の位置を示すデータである。図17を用いて物体内部フラグを説明する。図17は、2次元の解析空間における計算セル4100と移動物体の表面4200が示されている。移動物体の表面4200との関係から、格子点4102は、移動物体の外部にある格子点(以下、外部点)4112,移動物体の内部にある格子点(以下、内部点)4111の2種類に分類できる。物体内部フラグは、格子点が内部点であるか、外部点であるかを示すデータであり、本実施例では、格子点が内部点であればTrue、外部点であればFalseと設定される。セル表面4101を表すセル表面データ4104は、各セル表面を区別するためのセル表面番号Nsと、セル表面を構成する格子点番号Ngで構成される。本実施例では、セル表面の総数をNsmと表す。計算セル4100を表す計算セルデータ4105は、各計算セルを区別するためのセル番号Ncと、計算セルを構成するセル表面番号,セルの体積,セル位置フラグ及び各セルを占める物体の体積分率で構成される。本実施例では、セルの総数をNcmと表す。図17を用いて、セル位置フラグについて説明する。図17は、前述の通り2次元の解析空間における計算セル4100と移動物体の表面4200が示されている。計算セル4100は、物体表面4200との関係から、計算セル全体が物体の外部に位置する計算セル(以下、外部セル)4107,計算セル全体が物体内部に含まれる計算セル(以下、内部セル)4108,計算セル内部に物体境界を含む計算セル(境界面上セル)4106の3種類に分類できる。セル位置フラグは、計算セルが3種類のどれに分類されるかを示すデータであり、本実施例では、計算セルが内部セルであれば0、外部セルであれば1、境界面上セルであれば2と設定される。なお、図13で立方体セルを用いて説明したが、計算セルの形状はこれに限るものではなく、4面体や、8面体等の多面体にすることもできる。また、計算格子データの形式は、図14に示す形式に限るものではない。
Subsequently, the calculation grid data will be described with reference to FIGS. 13 and 14. As described above, the space is divided into a plurality of polyhedrons when fluid analysis is performed by simulation. This polyhedron is called a calculation cell. FIG. 13 shows a
次に、図15を用いて体積計算に用いる仮想粒子データについて説明する。図15には、2次元の解析空間における計算セル4100,物体表面4200,仮想粒子4300が示してある。図15に示すように、仮想粒子は、移動物体の表面で形成される閉曲面(解析空間が2次元の空間であれば閉曲線)の内側に分布させることが特徴である。仮想粒子は、流体解析装置1000では、数値データの組み合わせで表現される。仮想粒子4300を表す仮想粒子データ4301は、各仮想粒子を区別するための仮想粒子番号Np,仮想粒子の位置座標,仮想粒子の移動速度,仮想粒子の体積,仮想粒子の所属微小面番号,所属セル番号,物体微小面フラグから構成される。本実施例では、仮想粒子の総数をNpmと表す。仮想粒子の位置座標及び移動速度は、解析空間に設けた座標軸で与える。所属微小面番号には、物体微小面番号NBsが保存される。例えば、最も距離が近い物体微小面4201の番号と設定できる。所属セル番号は、仮想粒子が属する計算セル番号Ncが設定される。物体微小面フラグは、仮想粒子が、境界面上セル4106に所属するかを示す。境界面上セル4106に所属する場合には、Trueが設定され、境界面上セル4106以外に所属する場合にはFalseが設定される。
Next, virtual particle data used for volume calculation will be described with reference to FIG. FIG. 15 shows a
本実施例では、移動物体を剛体とする。移動物体の移動速度をvec(uP)とし、各物体点、各仮想粒子の移動速度もvec(uP)であるとする。 In this embodiment, the moving object is a rigid body. It is assumed that the moving speed of the moving object is vec (u P ), and the moving speed of each object point and each virtual particle is also vec (u P ).
以上で、データの説明を終わり、続いて処理の説明を行う。処理は、図2と図3により処理の全体像を説明し、その後、各処理の詳細をフローチャートやブロック図を用いて説明する。 This is the end of the description of the data, followed by a description of the processing. Processing will be described with reference to FIG. 2 and FIG. 3, and then the details of each processing will be described with reference to flowcharts and block diagrams.
図2は流体解析装置1000で実行する解析機能を表す機能ブロック図である。解析機能は、入力装置1001や外部記憶媒体1002から入力されるデータを記憶するための入力データ記憶手段100,各計算セルにおける物体の体積分率や流体解析を実行する解析手段200,解析結果を表示装置1003に表示するための結果表示手段300で構成される。
FIG. 2 is a functional block diagram showing an analysis function executed by the
入力データ記憶手段100は、流体解析装置1000にて解析する物理量(速度,温度,化学種濃度,圧力,乱流等)の初期条件やシミュレーションに必要な設定(例えば、計算時間や時間刻み幅等)、前記物理量の方程式に対する境界条件を記憶する流体解析条件記憶手段101,流体解析の解析空間を複数の多面体に分割することで生成される計算格子データを記憶するための計算格子データ記憶手段102,移動物体データを記憶するための移動物体データ記憶手段103及び仮想粒子データを記憶するための仮想粒子データ記憶手段104から構成される。また、解析手段200は、物体の移動の計算や流体解析条件や計算格子データ,物体体積分率等に基づく流れ場の解析を行う流れ場解析手段201,計算格子データ,物体面データ,仮想粒子データに基づき物体体積分率や相互作用力を計算するための移動物体計算手段202,仮想粒子データに基づき仮想粒子発生をさせる仮想粒子発生手段203から構成される。
The input data storage means 100 has initial conditions for physical quantities (velocity, temperature, chemical species concentration, pressure, turbulence, etc.) to be analyzed by the
図3は、図2に示した解析機能による処理を表すフローチャートである。最初に、ステップS1000にて、解析に必要となるデータを入力装置1001及び外部記憶媒体1002から入力する。続いてステップS2000に進み、物体体積分率の計算,流体解析を実行する。続いて、ステップS3000に進み、解析結果をディスプレイ等の表示装置1003に表示する処理を実行する。
FIG. 3 is a flowchart showing processing by the analysis function shown in FIG. First, in step S1000, data necessary for analysis is input from the
続いて、図3に示したステップS2000の処理を、図4を用いて説明する。図4は、流れ・物体移動解析手段S2000の処理をフローチャートで示したものである。ステップS2100にて、解析を開始。ステップS2200にて体積計算に用いる仮想粒子が解析空間に配置されているかを判定する。ステップS2200にて、仮想粒子を配置済み(YES)と判定した場合は、ステップS2400に進む。ステップS2200にて、仮想粒子を未配置(NO)と判定した場合は、ステップS2300に進み、移動物体内部かつ移動物体の表面近傍に仮想粒子を発生させた後、ステップS2400に進む。ステップS2400では、初期条件に基づき流体解析を開始する。次にステップS2500に進み、時刻tにおける物体の体積分率・流れ場の計算を開始する。続いて、ステップS2600に進み、各計算セルを占める移動物体の体積分率や移動物体の影響を反映させる相互作用力を計算し、ステップS2700に進む。ステップS2700では、ステップS2600で計算した物体の体積分率や相互作用力及び入力した計算格子データ,初期条件,境界条件のデータ及び古い時間ステップの計算結果に基づき流体解析を実施。この処理の中で、移動物体の移動も実施する。続いてステップS2800で、入力され流体解析装置記憶手段101に保持されたデータに基づき解析を終了するか判断する。ステップS2800にて解析を終了する(YES)と判定した場合には、ステップS2990に進み流れ・物体移動計算を終了する。ステップS2800にて、流体解析を終了しない(NO)と判定した場合は、ステップS2900に進み、次に解析時間tを新しい時間に更新し、ステップS2500に進む。ここで、図18と図19を用いて、ステップS2300の処理内容を説明する。図18は、2次元の解析空間に置かれた移動物体4200と計算セル4100,仮想粒子4300を表示しており、図19は、仮想粒子発生条件の入力画面を示している。図18に示すように、仮想粒子4300は、移動物体4200の表面で形成される閉曲面(解析空間が2次元の空間であれば閉曲線)の内側に分布させる。仮想粒子を分布させる範囲Lpを決定し、それにより決まる物体内部に決まる仮想面4400と移動物体4200の表面の間に、仮想粒子4300をランダムに分布させる。ここで、発生させる仮想粒子数と仮想粒子を発生させる範囲は、入力装置1001や外部記憶媒体1002に保存したテキストファイルを用いて入力する。図19は、表示装置1003に表示された条件入力の画面4500の例であり、少なくとも発生させる粒子の総数と粒子を発生させる範囲を指定するための数値(移動物体の表面から距離)を入力する。発生する粒子数とは、移動物体4200の表面で形成される閉曲面内に発生させる仮想粒子の総数を指定する数字であり、発生させない場合は0と指定する。仮想粒子の数は、大きいほど精度向上が期待できる。しかし、仮想粒子数を増やすと計算負荷が大きくなるため、計算精度と計算時間の兼ね合いで決める。仮想粒子の発生範囲は、仮想粒子を発生させる範囲を指定する値であり、移動物体表面からの距離Lpで指定することができる。前記Lpの値は、格子点の距離オーダーとなることが必要であり、例えば、格子点間距離の平均値や前記平均値に定数倍の値を前記Lpの値と決めると良い。ここでは、2次元の解析空間を用いて粒子発生処理の説明をしたが、3次元の空間に対しても同様の処理が可能である。
Next, the process of step S2000 shown in FIG. 3 will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a flowchart showing the process of the flow / object movement analysis means S2000. In step S2100, analysis is started. In step S2200, it is determined whether virtual particles used for volume calculation are arranged in the analysis space. If it is determined in step S2200 that the virtual particles have been arranged (YES), the process proceeds to step S2400. If it is determined in step S2200 that the virtual particles are not arranged (NO), the process proceeds to step S2300, and virtual particles are generated inside the moving object and in the vicinity of the surface of the moving object, and then the process proceeds to step S2400. In step S2400, fluid analysis is started based on the initial conditions. In step S2500, the calculation of the volume fraction and flow field of the object at time t is started. Subsequently, the process proceeds to step S2600, where the interaction force reflecting the volume fraction of the moving object occupying each calculation cell and the influence of the moving object is calculated, and the process proceeds to step S2700. In step S2700, fluid analysis is performed based on the volume fraction and interaction force of the object calculated in step S2600, the input calculation grid data, initial condition, boundary condition data, and the old time step calculation result. In this process, the moving object is also moved. In step S2800, it is determined whether to end the analysis based on the data input and held in the fluid analysis
次に、図4に示したステップS2600の処理について図5と図6を用いて説明する。 Next, the process of step S2600 shown in FIG. 4 will be described with reference to FIGS.
図5は、図2に示した移動物体計算手段の機能ブロック図である。移動物体計算手段202は、格子点区分手段2021,計算セル区分手段2022,仮想粒子区分手段2023,物体体積・相互作用力計算手段2024により構成される。格子点区分手段2021は、移動物体データと計算格子データに基づき、格子点4102が内部点であるかを判定する。判定は、光線交差法等の手法によりなされる。計算セル判定手段2022は、物体面データと格子点区分手段2021の結果に基づき、各計算セル4100を内部セル4108,外部セル4107,境界面上セル4106に分類する手段である。仮想粒子区分手段2023は、格子点区分手段2023の結果と、仮想粒子データに基づき、境界面上セル4106に属する仮想粒子を検索する手段である。判定は、仮想粒子位置と格子点の位置から行う。また、物体体積・相互作用力計算手段2024は、各処理の判定結果を用いて、各計算セル4100を占める物体の体積分率及び物体が流体へ及ぼす効果を表す相互作用力を計算する手段である。
FIG. 5 is a functional block diagram of the moving object calculation means shown in FIG. The moving
図6は、図5に示した移動物体計算手段における処理を表すフローチャートである。まず、ステップS2610にて、各格子点4102が内部点であるかを判定する。続いてステップS2620に進み、計算セル4100を、内部セル4108,外部セル4107,境界面上セル4106に区分する処理を実施する。続いて、ステップS2640にて、境界面上セル4106に位置する体積計算用の仮想粒子を検索する処理を実施。次に、ステップS2660に進み物体体積分率,相互作用力を計算する。
FIG. 6 is a flowchart showing processing in the moving object calculation means shown in FIG. First, in step S2610, it is determined whether each
続いて図6に示したステップS2610からステップS2640の処理について図7から図10を用いて説明する。 Next, the processing from step S2610 to step S2640 shown in FIG. 6 will be described with reference to FIGS.
図7は、図6に示したステップS2610の処理を表すフローチャートである。ステップS2611にて格子点区分処理を開始し、次にステップS2612に進み、M番目(1≦M≦Ngm)の格子点(以下、M番格子点)の区分を開始する。続いて、ステップS2613に進み、M番格子点が内部点であるかを判定する。ステップS2613の処理は、光線交差法等を用いて実現される。続いて、ステップS2613で、物体外部にある(NO)と判定した場合、ステップS2614に進み、M番格子点の物体内部フラグをFalseに設定し、ステップS2616に進む。ステップS2613にて内部点である(YES)と判定した場合、ステップS2615に進みM番格子点の内部フラグをTrueに設定、続いて、ステップS2616に進む。ステップS2616では、全ての格子点の区分を完了したかを判定する。ステップS2616で、完了したと判定した場合には、ステップS2618に進み、格子点区分処理を終了する。ステップS2616にて全ての格子点の区分を完了していないと判定した場合、ステップS2617に進み、Mの値を更新し(例えばMをM+1の値に置き換える)、ステップS2612に進む。 FIG. 7 is a flowchart showing the process of step S2610 shown in FIG. In step S2611, the grid point segmentation process is started, and then the process proceeds to step S2612, where the Mth (1 ≦ M ≦ N gm ) grid point (hereinafter referred to as Mth grid point) segment is started. Then, it progresses to step S2613 and it is determined whether the M-th grid point is an internal point. The process of step S2613 is realized using a ray intersection method or the like. Subsequently, if it is determined in step S2613 that the object is outside the object (NO), the process proceeds to step S2614, the object internal flag of the Mth lattice point is set to False, and the process proceeds to step S2616. If it is determined that the internal point (YES) at step S2613, sets an internal flag in the M-th grid point proceeds to step S2615 to T rue, subsequently, the flow proceeds to step S2616. In step S2616, it is determined whether classification of all grid points has been completed. If it is determined in step S2616 that the process has been completed, the process advances to step S2618 to end the grid point division process. If it is determined in step S2616 that the classification of all grid points has not been completed, the process proceeds to step S2617, the value of M is updated (for example, M is replaced with the value of M + 1), and the process proceeds to step S2612.
図8は、図6に示したステップS2620の処理を表すフローチャートである。まず、ステップS2621に進み、計算セル区分処理を開始する。次にステップS2622に進み、セル番号がK番(1≦K≦Ncm)のセル(以下、K番セル)の判定を開始する。続いて、ステップS2623に進み、K番セルが外部セル4107であるかを判定する。セルを構成する格子点の物体内部フラグを用いることができる。セルを構成する格子点の物体内部フラグが全てFalseであれば、外部セルである。ステップS2623にて、外部セルである(YES)と判定した場合、ステップS2625に進み、K番セルのセル位置フラグを外部セルと設定し、続いて、ステップS2628に進む。ステップS2623にて、外部セルでは無い(NO)と判定した場合、ステップS2624に進み、K番セルが内部セルであるかを判定する。判定には、セルを構成する格子点の物体内部フラグを用いることができる。セルを構成する格子点の物体内部フラグが全てTrueであれば、内部セルである。ステップ2624で内部セルである(YES)と判定した場合、ステップS2626に進み、K番セルのセル位置フラグを内部セルと設定し、ステップS2628に進む。ステップS2624にて、内部セルでは無い(NO)と判定した場合、ステップS2627に進み、セル位置フラグを境界面上セルと設定、続いてステップS2628に進む。ステップS2628では、全ての計算セルを分類したかを判定し、全ての格子の分類が完了した(YES)と判定した場合には、ステップS2630に進み計算セル区分処理を終了する。ステップS2628にて、全ての分類が完了していない(NO)と判定した場合には、ステップS2629に進みKの値を更新し(例えばKをK+1の値に置き換える)、ステップS2622に進む。
FIG. 8 is a flowchart showing the process of step S2620 shown in FIG. First, it progresses to step S2621 and a calculation cell division process is started. Next, the process proceeds to step S2622, and determination of a cell having a cell number K (1 ≦ K ≦ N cm ) (hereinafter referred to as “K” cell) is started. Then, it progresses to step S2623 and it is determined whether the Kth cell is the
図9は、図6に示したステップS2640の処理を表すフローチャートである。最初に、ステップS2641に進み、仮想粒子区分を開始する。次にステップS2642に進み、仮想粒子番号がJ番(1≦J≦Npm)の仮想粒子(以下、J番仮想粒子)の処理を開始する。次にステップS2643に進み、J番仮想粒子の座標と計算格子データに基づきJ番仮想粒子が所属するセル番号を検索し、その結果に基づき所属計算セル番号を設定する。続いてステップS2644に進み、J番仮想粒子が境界面上セルに位置するかを判定する。判定には、所属計算セル番号として保持している数字をセル番号として持つ計算セルのセル位置フラグを用いることができる。ステップS2644で、境界面上セルに位置しない(NO)と判定した場合、ステップS2646に進み、仮想粒子データ4301の境界面上フラグをFalseと設定し、ステップS2648に進む。ステップS2644にて境界面上セルに位置する(YES)と判定した場合、ステップS2645に進み、境界面上セル内の仮想粒子数を保存する変数であるNpcを更新し、ステップS2647に進み、境界面上フラグをTrueに設定する。続いて、ステップS2648に進む。ステップS2648では、全ての仮想粒子の分類を完了したかを判定し、全ての仮想粒子の分類を完了した(YES)と判定した場合には、ステップS2650に進み、仮想粒子検索処理を終了する。ステップS2648にて、全ての仮想粒子の分類を完了していない(NO)と判定した場合には、ステップS2649に進みJの値を更新し(例えばJの値をJ+1に置き換える、ステップS2642に進む。
FIG. 9 is a flowchart showing the process of step S2640 shown in FIG. First, the process proceeds to step S2641 to start virtual particle classification. Next, the process proceeds to step S2642, and processing of virtual particles (hereinafter referred to as J-th virtual particles) whose virtual particle number is J-th (1 ≦ J ≦ N pm ) is started. In step S2643, the cell number to which the J-th virtual particle belongs is searched based on the coordinates of the J-th virtual particle and the calculation grid data, and the calculated cell number is set based on the result. Then, it progresses to step S2644 and it is determined whether J number virtual particle is located in a cell on a boundary surface. For the determination, the cell position flag of the calculation cell having the number held as the belonging calculation cell number as the cell number can be used. If it is determined in step S2644 that the cell is not located on the boundary surface cell (NO), the flow proceeds to step S2646, the boundary surface flag of the
図10は、図6に示したステップS2660の処理を示すフローチャートである。最初に、ステップS2661に進み、体積分率・相互作用力の計算を開始する。次に、ステップS2662に進み、セル番号がI番(1≦I≦Ncm)である計算セル(以下、I番セル)の計算を開始する。次にステップS2663に進み、I番セルが内部セルかを判定する。この判定には、セルデータ4105のセル位置フラグを用いることができる。ステップS2663にて、内部セルである(YES)と判定した場合、ステップS2665に進み、物体体積分率を1に設定、前記物体移動速度vec(uP)と前記式(3)を用いて相互作用力を計算し、ステップS2668に進む。ステップS2663にて、内部セルでは無い(NO)と判定した場合、ステップS2664に進み、I番セルが外部セルであるかを判定する。ステップS2664にて、物体外部セルである(YES)と判定した場合には、ステップS2667に進み、物体体積分率と相互作用力を0と設定し、ステップS2668に進む。ステップS2664にて、物体外部セルでは無い(NO)と判定した場合、ステップS2666進み、仮想粒子データに基づく体積分率と相互作用力の計算を行う。以下に、ステップS2666における処理の具体例を述べる。境界面上セルに区分される計算セルに所属する仮想粒子の総数をNST、I番セルに含まれる仮想粒子個数をNPI、移動物体の総体積をVm、I番セルの体積をVI、内部セルに区分された計算セルの体積の総和をVIN、j番仮想粒子の速度をvec(uPj)、移動物体の移動速度をvec(uP)、流体の密度をρとする。本定義のもと、I番セルの体積分率θI,相互作用力vec(FSI)を式(5)から式(7)で求める。
FIG. 10 is a flowchart showing the process of step S2660 shown in FIG. First, the process proceeds to step S2661, where calculation of volume fraction and interaction force is started. Next, the process proceeds to step S2662, and calculation of a calculation cell (hereinafter referred to as I-th cell) whose cell number is I (1 ≦ I ≦ N cm ) is started. Next, proceeding to step S2663, it is determined whether the number I cell is an internal cell. For this determination, the cell position flag of the
ここで、Δtはシミュレーションにおける時間刻み幅であり、計算の安定性や求める計算精度に応じて決定する。式(6)の総和は、I番セルに所属する粒子について計算する。 Here, Δt is a time interval in the simulation, and is determined according to the stability of calculation and the required calculation accuracy. The sum total of formula (6) is calculated for the particles belonging to the cell number I.
式(5)及び式(6)では、仮想粒子の影響が及ぶ範囲を点に限定しているが、分布関数を用いることで、仮想粒子の影響が及ぶ範囲を広げることができ、さらに計算精度の向上が期待できる。例えば、式(8)から式(10)のように計算ができる。 In the formulas (5) and (6), the range affected by the virtual particles is limited to a point, but the range affected by the virtual particles can be expanded by using the distribution function, and the calculation accuracy is further increased. Improvement can be expected. For example, the calculation can be performed from Expression (8) to Expression (10).
ここで、vec(x)及びvec(xp)は解析空間中の位置を表すベクトル、vec(xp,j)は解析空間中の仮想粒子の位置を表すベクトル、σは粒子を分布させる範囲の定数倍で与える実数、である。また、式(8)と式(9)の総和は、I番セルに所属する粒子について計算する。以上に示したのは、一例であり、ステップS2666の体積分率の計算には、これらの方法に限ることなく任意の方法を選択できる。 Here, vec (x) and vec (x p ) are vectors representing positions in the analysis space, vec (x p, j ) is a vector representing positions of virtual particles in the analysis space, and σ is a range in which particles are distributed Is a real number given by a constant multiple of. Further, the sum of Expression (8) and Expression (9) is calculated for the particles belonging to the cell number I. The above is only an example, and any method can be selected for the calculation of the volume fraction in step S2666 without being limited to these methods.
図20は、本発明の実施形態である流体解析装置を用いて計算した体積分率の表示画像4600であり、2次元解析空間4700における計算セル4100,移動物体4200,仮想粒子4300及び各計算セルにおける体積分率計算結果を示している。本発明により、外部セル4107で体積分率を0、内部セル4108で体積分率を1、境界面上セル4106で体積分率を0より大きくかつ1より小さく計算することができるため、外部セル4107における物体体積分率が0、内部セル4108における物体体積分率が1、境界面上セル4106における物体体積分率が0より大きく1より小さい、と表示できる。また、移動物体4200の表面内部かつ移動物体4200の表面近傍に仮想粒子4300が分布する結果を画面上に表示することができる。
FIG. 20 is a
100 入力データ記憶手段
101 流体解析条件記憶手段
102 計算格子データ記憶手段
103 移動物体データ記憶手段
104 仮想粒子データ記憶手段
200 流れ・物体移動解析手段
201 流れ場解析手段
202 移動物体計算手段
203 仮想粒子発生手段
300 結果表示手段
1000 流体解析装置
1001 入力装置
1002 外部記憶媒体
1003 表示装置
1004 解析装置
1005 主記憶装置
1006 中央処理装置
2021 格子点区分手段
2022 計算セル区分手段
2023 仮想粒子区分手段
2024 体積分率・相互作用力計算手段
4100 計算セル
4101 セル表面
4103 格子点データ
4104 セル表面データ
4105 セルデータ
4106 境界面上セル
4107 外部セル
4108 内部セル
4111 内部点
4112 外部点
4200 移動物体の表面
4201 物体微小面
4202 物体点
4203 物体点データ
4204 物体微小面データ
4300 仮想粒子
4301 仮想粒子データ
4400 仮想粒子分布範囲
4500 入力画面画像
4600 出力画面画像
100 Input data storage means 101 Fluid analysis condition storage means 102 Calculation grid data storage means 103 Moving object data storage means 104 Virtual particle data storage means 200 Flow / object movement analysis means 201 Flow field analysis means 202 Moving object calculation means 203 Virtual
Claims (8)
前記複数の格子点データを用いて表される複数のセル表面データと、
前記複数のセル表面データにより表される計算セルデータとから構成される計算格子データと、
解析空間に置かれた物体を表すために物体表面に複数散らばった点の位置座標により表される物体点データと、
前記複数の物体点データにより表される物体微小面データから構成される物体データを記憶する手段とを備える、
前記物体周りの流れを解析するための流体解析装置において、
前記解析空間に置かれた物体の内部に分布した複数の仮想粒子の位置座標と物体体積及び格子データに基づき決定した体積データで構成される仮想粒子データを記憶する手段を備え、
前記物体点データ及び前記物体微小面データに基づき前記格子点が移動物体の内外のいずれにあるか判定する格子点判定手段を備え、
各計算セル中に含まれる物体体積と前記各計算セルの体積の比である物体の体積分率を、前記格子点判定手段で物体内部にあると判定した格子点である内部点と物体外部にあると判定した格子点である外部点の両方を用いて構成される計算セルである境界面上セルにおいては、前記境界面上セルに所属する仮想粒子の体積データ基づき計算すること、
を特徴とする流体解析装置。 A plurality of grid point data represented by the position coordinates of a plurality of grid points scattered in the analysis space;
A plurality of cell surface data represented using the plurality of grid point data;
Calculation grid data composed of calculation cell data represented by the plurality of cell surface data;
Object point data represented by position coordinates of a plurality of points scattered on the object surface to represent an object placed in the analysis space;
Means for storing object data composed of object microsurface data represented by the plurality of object point data,
In the fluid analysis device for analyzing the flow around the object,
Means for storing virtual particle data composed of volume data determined based on position coordinates, object volume and lattice data of a plurality of virtual particles distributed inside the object placed in the analysis space;
Grid point determination means for determining whether the grid point is inside or outside the moving object based on the object point data and the object micro-plane data;
The volume fraction of the object, which is the ratio of the volume of the object contained in each calculation cell and the volume of each calculation cell, is determined between the internal point that is a grid point determined by the grid point determination means and the outside of the object. In the cell on the boundary surface, which is a calculation cell configured using both external points that are determined to be lattice points, calculation based on volume data of virtual particles belonging to the cell on the boundary surface,
A fluid analysis device characterized by the above.
境界面上セルに分類される一つの計算セルの体積データVc、前記境界面上セルに分類された一つの計算セルに所属する仮想粒子数Npc、前記仮想粒子の体積Vpに基づき、前記境界面上セルの物体体積分率θcを求めること、
を特徴とする流体解析装置。 The fluid analysis apparatus according to claim 1,
Based on the volume data V c of one calculation cell classified as a cell on the boundary surface, the number of virtual particles N pc belonging to one calculation cell classified as the cell on the boundary surface, and the volume V p of the virtual particle, Obtaining an object volume fraction θ c of the cell on the boundary surface;
A fluid analysis device characterized by the above.
前記内部点でのみ構成される計算セルである内部セルの体積の総和VsumCを求める計算手段を備え、
前記境界面上セルに分類される計算セルに所属する仮想粒子の総和Ntを求める計算手段を備え、
前記物体の体積Vmと前記VsumCと前記Ntに基づき、前記境界面上格子に分類される計算セルに所属する各仮想粒子の体積Vpを式(A)で求めること
Vp=VsumC/Nt 式(A)
を特徴とする流体解析装置。 In the fluid analysis apparatus according to claim 1 and claim 2,
A calculation means for obtaining a sum V sum C of the volume of the internal cell which is a calculation cell composed only of the internal point;
A calculation means for obtaining a sum N t of virtual particles belonging to the calculation cell classified as the cell on the boundary surface;
Based on the volume V m of the object, the V sum C, and the N t , the volume V p of each virtual particle belonging to the calculation cell classified as the lattice on the boundary surface is obtained by the equation (A) V p = V sum C / Nt formula (A)
A fluid analysis device characterized by the above.
前記境界面上セルに分類される一つの計算セルに所属する仮想粒子数Npc、前記境界面上セルに分類された一つの計算セルの体積データVc、前記各仮想粒子の体積Vpに基づき前記境界面上セルの物体体積分率θcを式(B)で求めること
θc=Npc*Vp/Vc 式(B)
を特徴とする流体解析装置。 The fluid analyzing apparatus according to claim 3,
The number of virtual particles N pc belonging to one calculation cell classified as the boundary cell, the volume data V c of one calculation cell classified as the boundary cell, and the volume V p of each virtual particle Based on the equation (B), the object volume fraction θ c of the cell on the boundary surface is calculated based on θ c = N pc * V p / V c (B)
A fluid analysis device characterized by the above.
前記内部点のみで構成される計算セルである内部セルに分類される各計算セルにおける前記体積分率を1と計算し、かつ、前記外部セルに分類される各計算セルにおいて物体の体積分率を0とすること、
を特徴とする流体解析装置。 The fluid analysis device according to claim 1, wherein
The volume fraction in each calculation cell classified as an internal cell, which is a calculation cell composed only of the internal points, is calculated as 1, and the volume fraction of the object in each calculation cell classified as the external cell To 0,
A fluid analysis device characterized by the above.
前記物体が、解析空間中を任意の速度で移動すること、
を特徴とする流体解析装置。 The fluid analysis apparatus according to claim 1,
The object moves in the analysis space at an arbitrary speed;
A fluid analysis device characterized by the above.
前記物体内部に発生させる前記仮想粒子の個数Mpを入力する手段と記憶する手段を備え、
前記仮想粒子を発生させる範囲を示す物体表面からの距離Lpを入力する手段と記憶する手段を備え、
前記Mpと前記Lpに基づき仮想粒子を発生すること
を特徴とする流体解析装置。 The fluid analysis device according to claim 1,
Means for inputting and storing the number M p of virtual particles generated inside the object;
Means for inputting a distance L p from the object surface indicating a range in which the virtual particles are generated, and means for storing;
A fluid analyzing apparatus that generates virtual particles based on the M p and the L p .
前記物体表面と、前記物体内部に発生させる前記仮想粒子を表示する表示手段を備えること、
を特徴とする流体解析装置。 The fluid analyzing apparatus according to claim 1,
Comprising display means for displaying the object surface and the virtual particles generated inside the object;
A fluid analysis device characterized by the above.
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