JP5516949B2 - Numerical fluid calculation method, numerical fluid calculation device, program, and recording medium - Google Patents
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Description
本発明は、有限体積法を用いて対流拡散方程式を解く数値流体計算方法、及び、数値流体計算装置に関する。また、そのような数値流体計算装置としてコンピュータを動作させるためのプログラム、及び、そのようなプログラムが記録された記録媒体に関する。 The present invention relates to a numerical fluid calculation method and a numerical fluid calculation apparatus for solving a convection diffusion equation using a finite volume method. The present invention also relates to a program for operating a computer as such a numerical fluid computing device, and a recording medium on which such a program is recorded.
コンピュータの進歩により、ものつくりの技術は飛躍的な発展を遂げた。例えば、設計を支援するCAD(Computer Aided Design)システム、解析を支援するCAE(Computer Aided Engineering)システム、加工を支援するCAM(Computer Aided Manufacturing)システム、検査を支援するCAT(Computer Aided Testing)システムは、ものつくりを行う上でもはや不可欠なツールとなっている。 With the advancement of computers, manufacturing technology has made tremendous progress. For example, a CAD (Computer Aided Design) system that supports design, a CAE (Computer Aided Engineering) system that supports analysis, a CAM (Computer Aided Manufacturing) system that supports processing, and a CAT (Computer Aided Testing) system that supports inspection , It has become an indispensable tool for making things.
しかしながら、これらのシステムは、別々のソフトウェアにより実現されており、データ構造にも汎用性がない。例えば、CADシステムにおいて広く用いられているワイヤフレームモデルは、物体の表面形状を表現するものであり、物体の内部構造を表現するものではない。したがって、ワイヤフレームモデルをシミュレーションにそのまま使用することはできない。 However, these systems are realized by separate software, and the data structure is not versatile. For example, a wire frame model widely used in a CAD system represents the surface shape of an object and does not represent the internal structure of the object. Therefore, the wire frame model cannot be used for the simulation as it is.
設計にもシミュレーションにも利用可能な汎用モデル化手法として、ボクセルモデルが知られている。ボクセルモデルは、物体をボクセルと呼ばれる立方体の集合として表現するモデル化手法である。各ボクセルに物理量を担わせることによって、ボクセルモデルを設計にもシミュレーションにも利用することができる。ただし、物体をボクセルの集合として表現した場合、その物体の表面の情報(例えば法線の方向)が欠落してしまう。したがって、ボクセルモデルを用いた数値流体計算では境界値問題を精度良く解くことができない。 A voxel model is known as a general-purpose modeling technique that can be used for both design and simulation. The voxel model is a modeling technique for expressing an object as a set of cubes called voxels. By making each voxel bear a physical quantity, the voxel model can be used for both design and simulation. However, when the object is expressed as a set of voxels, information on the surface of the object (for example, the direction of the normal line) is lost. Therefore, the boundary value problem cannot be solved with high accuracy by the numerical fluid calculation using the voxel model.
ボクセルモデルの改良として、物体の表面と交わるボクセルを切断立方体(「Kitta Cube」と呼ばれる)に置き換えた切断立方体モデルが知られている。切断立方体とは、各辺上に高々1つの切断点が設けられた立方体を、3つの切断点を頂点とするN個の三角切断面で切断して得られる(6+N)面体のことである。切断点は、基礎となる立方体の各辺と、物体の表面との交点に設けられる。切断立方体モデルは、物体の表面を良く近似する、切断三角形からなる表面を有するので境界値問題に適している。 As an improvement of the voxel model, a cut cube model is known in which a voxel that intersects the surface of an object is replaced with a cut cube (referred to as “Kitta Cube”). The cut cube is a (6 + N) plane obtained by cutting a cube having at most one cutting point on each side with N triangular cutting planes having three cutting points as vertices. The cutting point is provided at the intersection of each side of the base cube and the surface of the object. The cut cube model is suitable for the boundary value problem because it has a surface made of cut triangles that closely approximates the surface of the object.
しかしながら、切断立方体における三角切断面のパターンは1064通りに達し、切断点の配置パターンは144通りに及ぶ。したがって、切断立方体モデルを用いた数値流体計算アルゴリズムは多数の場合分けを含み、これをコーディングすることは現実的ではない。また、仮にコーディングできたとしても計算量が厖大になり、要求される処理速度を達成することができない。 However, there are 10 64 patterns of triangular cut surfaces in the cut cube, and 144 disposition patterns of cut points. Therefore, the numerical fluid calculation algorithm using the cut cube model includes many cases and it is not practical to code this. Even if coding can be performed, the amount of calculation becomes enormous, and the required processing speed cannot be achieved.
このような問題を解決するための試みが、非特許文献1に記載されている。具体的には、切断立方体モデルにおける切断立方体をカットセルに置き換える(例えば1辺を共有する2つの三角切断面を1つの切断面に置き換える)ことにより、3次元数値流体計算が可能になるとの予想が示されている。
An attempt to solve such a problem is described in Non-Patent
しかしながら、非特許文献1に記載されているように切断立方体モデルにおける切断立方体をカットセルに置き換えた場合、全てのカットセルの切断面を隣接するカットセルの切断面と矛盾なく整合させることができない。すなわち、各カットセルの切断面により構成されるカットセルモデルの表面に穴があいてしまい、解の精度が大幅に低下するという問題を生じる。
However, when the cut cube in the cut cube model is replaced with a cut cell as described in Non-Patent
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、有限体積法を用いて対流拡散方程式を解く数値流体計算方法において、切断立方体をカットセル等に置き換えることなく、必要な場合分けの数を低減させた数値流体計算方法を実現することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and in the numerical fluid calculation method for solving the convection diffusion equation using the finite volume method, the number of necessary cases can be divided without replacing the cut cube with a cut cell or the like. It is to realize a numerical fluid calculation method in which the above is reduced.
上記課題を解決するために、本発明に係る数値流体方法は、対流拡散方程式を各セル上で積分することによって得られる代数方程式であって、各セル上の物理量と、該セルに隣接する隣接セル上の上記物理量との間に成り立つ代数方程式からなる方程式系を、コンピュータによって解く数値流体計算方法において、計算対象領域を複数のセルに分割するセル分割ステップであって、計算対象領域の境界を含む境界セルとして、各辺上に高々1つの切断点が設けられた6面体を3つの切断点を頂点とするN個の三角切断面で切断して得られる(6+N)面体(NはNmax以下の自然数)を用いるセル分割ステップと、上記境界セルの各々について、上記N個の三角切断面の面積を算出する切断面積算出ステップと、上記境界セルの各々について、上記代数方程式に含まれる、対流流束の各三角切断面上での積分値、及び、拡散流束の各三角切断面上での積分値を、上記切断面積算出ステップにて算出された各三角切断面の面積と、上記計算対象領域の境界に課された境界条件とから算出する境界条件設定ステップとを含んでいる、ことを特徴としている。 In order to solve the above problems, the numerical fluid method according to the present invention is an algebraic equation obtained by integrating a convection diffusion equation on each cell, and includes a physical quantity on each cell and an adjacent one adjacent to the cell. In a numerical fluid calculation method in which an equation system consisting of algebraic equations established between the above physical quantities on a cell is solved by a computer, a cell division step for dividing the calculation target region into a plurality of cells, the boundary of the calculation target region being defined As a boundary cell to be included, a hexahedron having at most one cutting point on each side is cut by N triangular cutting planes having three cutting points as vertices, and (6 + N) planes (N is equal to or less than Nmax) Cell division step using a natural number), a cutting area calculating step for calculating the area of the N triangular cutting planes for each of the boundary cells, and for each of the boundary cells, The integral value on each triangular cut surface of the convection flux and the integral value on each triangular cut surface of the diffusive flux included in the notation algebraic equation are calculated for each triangle calculated in the cutting area calculation step. It includes a boundary condition setting step that is calculated from the area of the cut surface and the boundary condition imposed on the boundary of the calculation target region.
また、上記課題を解決するために、本発明に係る数値流体計算装置は、対流拡散方程式を各セル上で積分することによって得られる代数方程式であって、各セル上の物理量と、該セルに隣接する隣接セル上の上記物理量との間に成り立つ代数方程式からなる方程式系を解く数値流体計算装置において、計算対象領域を複数のセルに分割するセル分割手段であって、計算対象領域の境界を含む境界セルとして、各辺上に高々1つの切断点が設けられた6面体を3つの切断点を頂点とするN個の三角切断面で切断して得られる(6+N)面体(NはNmax以下の自然数)を用いるセル分割手段と、上記境界セルの各々について、上記N個の三角切断面の面積を算出する切断面積算出手段と、上記境界セルの各々について、上記代数方程式に含まれる、対流流束の各三角切断面上での積分値、及び、拡散流束の各三角切断面上での積分値を、上記切断面積算出手段にて算出された各三角切断面の面積と、上記計算対象領域の境界に課された境界条件とから算出する境界条件設定手段と、を備えている、ことを特徴としている。 In order to solve the above problem, the numerical fluid calculation device according to the present invention is an algebraic equation obtained by integrating the convection diffusion equation on each cell, and includes a physical quantity on each cell, In a numerical fluid computing device that solves an equation system consisting of algebraic equations established between adjacent physical cells on adjacent cells, cell dividing means for dividing a calculation target region into a plurality of cells, the boundary of the calculation target region being defined As a boundary cell to be included, a hexahedron having at most one cutting point on each side is cut by N triangular cutting planes having three cutting points as vertices, and (6 + N) planes (N is equal to or less than Nmax) A natural number), a cutting area calculation means for calculating the area of the N triangular cutting planes for each of the boundary cells, and each of the boundary cells included in the algebraic equation. The integral value on each triangular cut surface of the convection flux, and the integral value on each triangular cut surface of the diffusion flux, the area of each triangular cut surface calculated by the cut area calculating means, and the above Boundary condition setting means for calculating from the boundary condition imposed on the boundary of the calculation target region.
上記の構成によれば、計算対象領域の境界を含む境界セルとして、各辺上に高々1つの切断点が設けられた6面体を3つの切断点を頂点とするN個の三角切断面で切断して得られる(6+N)面体が用いられる。したがって、計算対象領域の境界を、これらの三角切断面によって精度良く近似することができる。そして、解くべき代数方程式に含まれる対流項及び拡散項を、これらの三角切断面を用いて算出するので、解くべき代数方程式を精度良く算出することができる。したがって、上記物理量の各セル上での値を、精度良く算出することができる。 According to the above configuration, as a boundary cell including the boundary of the calculation target region, a hexahedron having at most one cutting point on each side is cut by N triangular cutting planes having three cutting points as vertices. A (6 + N) face body obtained as described above is used. Therefore, the boundary of the calculation target region can be approximated with high accuracy by these triangular cut surfaces. Since the convection term and diffusion term included in the algebraic equation to be solved are calculated using these triangular cut surfaces, the algebraic equation to be solved can be calculated with high accuracy. Therefore, the value of each physical quantity on each cell can be calculated with high accuracy.
しかも、各境界セルにおける切断面数(三角切断面の数)Nは、Nmax以下に制限されている。したがって、解くべき代数方程式(の係数)を算出するために必要な場合分けを、各境界セルにおける切断面数に制限を加えない場合よりも少なくすることができる。 Moreover, the number of cut surfaces (number of triangular cut surfaces) N in each boundary cell is limited to Nmax or less. Therefore, it is possible to reduce the case division necessary for calculating the (algebraic coefficient) to be solved as compared with the case where the number of cut surfaces in each boundary cell is not limited.
本発明に係る数値流体計算方法は、上記境界セルの各々について、該境界セルに隣接する隣接セルとの間の境界面の面積を算出する境界面積算出ステップと、上記境界セルの各々について、上記代数方程式に含まれる係数であって、該境界セルに隣接する隣接セル上の上記物理量に係る係数を、上記境界面積算出ステップにて算出された各境界面の面積を用いて算出する係数算出ステップとを更に含んでいる、ことが好ましい。 In the numerical fluid calculation method according to the present invention, for each of the boundary cells, a boundary area calculation step of calculating an area of a boundary surface between adjacent cells adjacent to the boundary cell; A coefficient calculation step that is a coefficient included in the algebraic equation and calculates a coefficient related to the physical quantity on an adjacent cell adjacent to the boundary cell by using the area of each boundary surface calculated in the boundary area calculation step It is preferable that these are further included.
上記の構成によれば、計算対象領域の境界を含む境界セルとして、各辺上に高々1つの切断点が設けられた6面体を3つの切断点を頂点とするN個の三角切断面で切断して得られる(6+N)面体が用いられる。そして、解くべき代数方程式に含まれる係数を、これらの境界セルの境界面の面積を用いて算出するので、解くべき代数方程式を精度良く算出することができる。したがって、上記物理量の各セル上での値を精度良く算出することができる。 According to the above configuration, as a boundary cell including the boundary of the calculation target region, a hexahedron having at most one cutting point on each side is cut by N triangular cutting planes having three cutting points as vertices. A (6 + N) face body obtained as described above is used. Since the coefficients included in the algebraic equation to be solved are calculated using the area of the boundary surface of these boundary cells, the algebraic equation to be solved can be calculated with high accuracy. Therefore, the value of each physical quantity on each cell can be calculated with high accuracy.
本発明に係る数値流体計算方法において、上記該境界セルの各々に含まれる三角切断面数Nの上限値Nmaxが4である、ことが好ましい。 In the numerical fluid calculation method according to the present invention, it is preferable that the upper limit value Nmax of the number of triangular cut surfaces N included in each of the boundary cells is four.
上記の構成によれば、境界セルの境界面の面積を算出するために必要な場合分けを、著しく少なくすることができる(図5〜図8参照)。 According to said structure, the division | segmentation required in order to calculate the area of the boundary surface of a boundary cell can be reduced significantly (refer FIGS. 5-8).
なお、本発明に係る数値流体計算装置は、コンピュータによって実現してもよい。この場合、コンピュータを上記各手段として動作させることにより、本発明に係る数値流体計算装置をコンピュータにおいて実現するプログラム、及び、そのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体も、本発明の範疇に入る。 The numerical fluid calculation apparatus according to the present invention may be realized by a computer. In this case, a program for realizing the numerical fluid computing device according to the present invention in the computer by operating the computer as each of the above means and a computer-readable recording medium recording the program also fall within the scope of the present invention. .
以上のように、本発明によれば、有限体積法を用いて対流拡散方程式を解く数値流体計算方法において、切断立方体をカットセル等に置き換えることなく、必要な場合分けの数を低減させた数値流体計算方法を実現することができる。 As described above, according to the present invention, in the numerical fluid calculation method for solving the convection diffusion equation using the finite volume method, the numerical value obtained by reducing the number of necessary cases without replacing the cut cube with a cut cell or the like. A fluid calculation method can be realized.
〔本発明の基礎となる事項〕
本発明の実施形態について説明する前に、本発明の基礎となる事項について説明する。なお、本明細書においては、下付き文字を前に_を付して表し、上付き文字を前に^を付して表す。例えば、AeをA_eと表し、L2をL^2と表す。
[Matters that form the basis of the present invention]
Prior to describing the embodiments of the present invention, matters serving as the basis of the present invention will be described. In the present specification, subscripts are represented by prefixing _, and superscripts are represented by prefixing ^. For example, a A e represents a A_e, represents the L 2 and L ^ 2.
(切断立方体モデル)
本発明の数値流体計算方法に用いる切断立方体(Kitta Cube)モデルについて図3〜図4を参照して説明する。
(Cutting cube model)
A cut cube model used in the numerical fluid calculation method of the present invention will be described with reference to FIGS.
切断立方体モデルは、発明者らが開発したボリュームCADシステムにおけるモデリング手法であり、図3(a)に示すように、対象物Ωの内部に含まれる6面体の内部セルICと、対象物Ωの境界面∂Ωを含む6+N面体の境界セルBCとを用いて対象物Ωを表現するモデリング手法である。内部セルは、「非境界セル」と呼ばれることもある。 The cut cube model is a modeling technique in the volume CAD system developed by the inventors. As shown in FIG. 3A, the hexahedral internal cell IC included in the object Ω and the object Ω This is a modeling technique for expressing the object Ω using a 6 + N-faced boundary cell BC including the boundary surface ∂Ω. Internal cells are sometimes referred to as “non-boundary cells”.
切断立方体モデルにおいては、内部セルICとして、図3(b)に示すような6面体(例えば立方体)が用いられる。内部セルICにおいては、6つの境界面が、それぞれ、内部セルICに隣接する6つの隣接セル(内部セルの場合もあれば、境界セルの場合もある)との境界を成す。また、内部セルICは、1つの格子点を含む。内部セルICに含まれる格子点の位置は、例えば、内部セルICの重心位置である。 In the cut cube model, a hexahedron (for example, a cube) as shown in FIG. 3B is used as the internal cell IC. In the internal cell IC, each of the six boundary surfaces forms a boundary with six adjacent cells (may be an internal cell or a boundary cell) adjacent to the internal cell IC. Further, the internal cell IC includes one lattice point. The position of the lattice point included in the internal cell IC is, for example, the position of the center of gravity of the internal cell IC.
本明細書においては、注目するセル(以下「注目セル」と呼称する)に含まれる格子点をPと記し、注目セルの6つの境界面をe(x軸正方向),w(x軸負方向),n(y軸正方向),s(y軸負方向),t(z軸正方向),b(z軸負方向)と記す。また、境界面e,w,s,n,t,bを介して注目セルに隣接するセル(以下「隣接セル」と呼称する)に含まれる格子点を、それぞれ、E,W,S,N,T,Bと記す。また、境界面e,w,s,n,t,bの面積を、それぞれ、A_e,A_w,A_n,A_s,A_t,A_bと記す(図3(b)参照)。 In this specification, a lattice point included in a cell of interest (hereinafter referred to as “cell of interest”) is denoted by P, and six boundary surfaces of the cell of interest are represented by e (x-axis positive direction) and w (x-axis negative). Direction), n (y-axis positive direction), s (y-axis negative direction), t (z-axis positive direction), b (z-axis negative direction). In addition, lattice points included in cells adjacent to the target cell (hereinafter referred to as “neighboring cells”) via the boundary surfaces e, w, s, n, t, and b are respectively E, W, S, and N. , T, B. In addition, the areas of the boundary surfaces e, w, s, n, t, and b are denoted as A_e, A_w, A_n, A_s, A_t, and A_b, respectively (see FIG. 3B).
また、切断立方体モデルにおいては、境界セルBCとして、図3(c)に示すような(6+N)面体が用いられる。すなわち、各辺上に高々1つの切断点が設けられた基礎となる6面体(例えば内部セルと合同な立方体)を、3つの切断点を頂点とするN個の三角切断面で切断して得られる(6+N)面体が用いられる。切断点は、基礎となる6面体の各辺と、対象物Ωの境界面∂Ωとの交点に設けられる(各セルのサイズを十分に小さくとれば、各辺上に設けられる切断点の数を1以下にすることができる)。図3(c)に例示した境界セルBCは、切断点K_1,K_2,K_3を頂点とする三角切断面kt_1と、切断点K_1,K_2,K_4を頂点とする三角切断面kt_2で切断して得られたものである。 In the cut cube model, a (6 + N) face body as shown in FIG. 3C is used as the boundary cell BC. That is, a base hexahedron (for example, a cube congruent with the internal cell) having at most one cutting point on each side is cut by N triangular cutting planes having three cutting points as vertices. The (6 + N) face plane is used. The cutting point is provided at the intersection of each side of the base hexahedron and the boundary surface ∂Ω of the object Ω (if the size of each cell is sufficiently small, the number of cutting points provided on each side) Can be made 1 or less). The boundary cell BC illustrated in FIG. 3C is obtained by cutting along a triangular cut surface kt_1 having cut points K_1, K_2, and K_3 as vertices and a triangular cut surface kt_2 having cut points K_1, K_2, and K_4 as vertices. It is what was done.
境界セルBCにおいては、三角切断面KTを除く6つの境界面が、それぞれ、境界セルBCに隣接する6つの隣接セル(内部セルの場合もあれば、境界セルの場合もある)との境界を成す。一方、三角切断面KTは、対象物Ωと外界(固体)との間の境界を構成する。また、境界セルBCは、内部セルICと同様、1つの格子点を含む。格子点の位置は、例えば、境界セルBCの重心位置である。 In the boundary cell BC, each of the six boundary surfaces excluding the triangular cut surface KT defines a boundary with six adjacent cells (which may be internal cells or boundary cells) adjacent to the boundary cell BC. Make it. On the other hand, the triangular cut surface KT constitutes a boundary between the object Ω and the outside world (solid). In addition, the boundary cell BC includes one lattice point, like the internal cell IC. The position of the grid point is, for example, the barycentric position of the boundary cell BC.
なお、三角切断面の数Nは境界セル毎に異なり得ることに留意されたい。ただし、本発明においては、境界セルの切断面数Nに上限を設ける。換言すれば、切断面数Nが予め定められた上限値を上回る境界セルが生じないように、セルサイズを十分に小さく設定する。本実施形態においては、境界セルの切断面数Nの上限を4とする。換言すれば、切断面数Nが4を上回る境界セルが生じないように、セルサイズを十分に小さく設定する。これにより、各境界セルは、図4に示す4つのタイプのうちの何れかに分類される。 It should be noted that the number N of triangular cut planes can be different for each boundary cell. However, in the present invention, an upper limit is set for the number N of cut surfaces of the boundary cell. In other words, the cell size is set to be sufficiently small so that no border cell is generated in which the number of cut surfaces N exceeds a predetermined upper limit value. In the present embodiment, the upper limit of the number N of cut surfaces of the boundary cell is four. In other words, the cell size is set to be sufficiently small so that no border cell having a cutting surface number N exceeding 4 is generated. Thereby, each boundary cell is classified into one of the four types shown in FIG.
(対流拡散方程式)
本発明が対象とする方程式は、対象物Ω上で定義された物理量φ=φ(t,x,y,z)が従う対流拡散方程式(1)である。対流拡散方程式(1)は、「移流拡散方程式」、あるいは、「輸送方程式」と呼ばれることもある。物理量φとしては、単位質量あたりの運動量の各成分、あるいは、単位質量あたりのエネルギーが想定されるが、これに限定されるものではない。
(Convection diffusion equation)
The equation targeted by the present invention is the convection diffusion equation (1) followed by the physical quantity φ = φ (t, x, y, z) defined on the object Ω. The convection diffusion equation (1) may be referred to as “convection diffusion equation” or “transport equation”. As the physical quantity φ, each component of momentum per unit mass or energy per unit mass is assumed, but is not limited thereto.
ここで、U=(u,v,w)は流速(ベクトル場)、ρは密度(スカラ場)、Γは拡散係数(スカラ場)、Sは生成項(スカラ場)である。ρUφは、対流流束と呼ばれ、Γ∇φは、拡散流束と呼ばれる。 Here, U = (u, v, w) is a flow velocity (vector field), ρ is a density (scalar field), Γ is a diffusion coefficient (scalar field), and S is a generation term (scalar field). ρUφ is called convective flux, and Γ∇φ is called diffusion flux.
なお、以下の説明では、簡単のために、密度ρ及び拡散係数Γが時間及び位置に依存せずに一定であるものと仮定するが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、密度ρ及び拡散係数Γは、時間又は位置に依存するものであってもよい。また、以下の説明では、簡単のために、生成項Sが物理量φに比例する項S_P×φと定数項S_Cとの和で表せるものと仮定するが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、生成項Sが物理量φの2次以上の項を含んでいてもよい。 In the following description, for the sake of simplicity, it is assumed that the density ρ and the diffusion coefficient Γ are constant regardless of time and position, but the present invention is not limited to this. That is, the density ρ and the diffusion coefficient Γ may depend on time or position. In the following description, for the sake of simplicity, it is assumed that the generated term S can be expressed by the sum of the term S_P × φ proportional to the physical quantity φ and the constant term S_C. However, the present invention is not limited to this. Absent. That is, the generation term S may include a second or higher order term of the physical quantity φ.
本発明の数値流体計算方法においては、有限体積法を用いて対流拡散方程式(1)を解く。すなわち、対流拡散方程式(1)を各セル上で積分することによって得られる代数方程式からなる方程式系(連立方程式)をコンピュータによって解く。各代数方程式は、注目セルに含まれる格子点Pにおける物理量φ_Pと、隣接セルに含まれる格子点NB∈{E,W,N,S,T,B}における物理量φ_NBとの間に成り立つ代数方程式である。これらの代数方程式は、対流拡散方程式(1)から以下のようにして導出することができる。 In the numerical fluid calculation method of the present invention, the convection diffusion equation (1) is solved using a finite volume method. That is, an equation system (simultaneous equations) consisting of algebraic equations obtained by integrating the convection diffusion equation (1) on each cell is solved by a computer. Each algebraic equation is an algebraic equation that is established between a physical quantity φ_P at a lattice point P included in a target cell and a physical quantity φ_NB at a lattice point NBε {E, W, N, S, T, B} included in an adjacent cell. It is. These algebraic equations can be derived from the convection diffusion equation (1) as follows.
すなわち、まず、対流拡散方程式(1)を各内部セル上で積分することにより式(2)を得る。また、対流拡散方程式(1)を各境界セル上で積分することにより式(3)を得る。 That is, first, the convection diffusion equation (1) is integrated on each internal cell to obtain the equation (2). Further, the convection diffusion equation (1) is integrated on each boundary cell to obtain the equation (3).
ここで、Δtは、時間ステップであり、ΔVは、注目セルの体積である。また、A_nbは、注目セルの各境界面nb∈{e,w,n,s,t,b}の面積であり、A_ktは、注目セルの各三角切断面kt∈{kt_1,kt_2,…,kt_N}の面積である。なお、式(2)及び式(3)においては、面積A_nbを、境界面nbの外向法線方向を向いた面積ベクトルとして扱っている。また、式(3)においては、面積A_KTを、三角切断面ktの外向法線方向を向いた面積ベクトルとして面積A_KTを扱っている。 Here, Δt is a time step, and ΔV is the volume of the cell of interest. A_nb is the area of each boundary surface nbε {e, w, n, s, t, b} of the cell of interest, and A_kt is each triangular cut surface ktε {kt_1, kt_2,. kt_N} area. In the expressions (2) and (3), the area A_nb is treated as an area vector facing the outward normal direction of the boundary surface nb. In the expression (3), the area A_KT is treated as an area vector facing the outward normal direction of the triangular cut surface kt.
また、(ρφ)_Pは、注目セルに含まれる格子点Pにおけるρφの値である。(ρUφ)_nb、及び、(Γ∇φ)_nbは、それぞれ、注目セルの各境界面nb∈{e,w,n,s,t,b}における対流流束ρUφ、及び、拡散流束Γ∇φの値である。和Σ_nbは、注目セルの6つの境界面の全てを渡る。 Further, (ρφ) _P is a value of ρφ at the lattice point P included in the target cell. (ΡUφ) _nb and (Γ∇φ) _nb are respectively the convective flux ρUφ and the diffusion flux Γ at each boundary surface nbε {e, w, n, s, t, b} of the target cell. The value of ∇φ. The sum Σ_nb crosses all six boundary surfaces of the cell of interest.
また、(ρUφ)_kt、及び、(Γ∇φ)_ktは、注目セルの各三角切断面kt∈{kt_1,kt_2,…,kt_N}(の代表点)における対流流束ρUφ、及び、拡散流束Γ∇φの値である。和Σ_ktは、注目セルのN個の三角切断面の全てを渡る。 Further, (ρUφ) _kt and (Γ∇φ) _kt are the convective flux ρUφ and the diffusion flow at the triangular cut surfaces kt∈ {kt_1, kt_2,..., Kt_N} (representative points) of the cell of interest. The value of the bundle Γ∇φ. The sum Σ_kt crosses all N triangular cut surfaces of the cell of interest.
次に、適当な差分法を用いて、物理量φの境界面nb∈{e,w,n,s,t,b}における値φ_nbを、物理量φの格子点NB∈{E,W,N,S,T,B}における値φ_NBに置き換えることにより代数方程式(4)を得る。 Next, using a suitable difference method, the value φ_nb at the boundary surface nbε {e, w, n, s, t, b} of the physical quantity φ is converted into the lattice point NB∈ {E, W, N, The algebraic equation (4) is obtained by substituting the value φ_NB in S, T, B}.
・ハイブリッド法
差分法としてハイブリッド法を用いた場合、内部セルに対する代数方程式(4)における係数a_NBは、式(5a)〜式(5h)により与えられる。また、内部セルに対する代数方程式(4)における定数bは、式(5i)により与えられる。
Hybrid Method When the hybrid method is used as the difference method, the coefficient a_NB in the algebraic equation (4) for the internal cell is given by the equations (5a) to (5h). The constant b in the algebraic equation (4) for the internal cell is given by the equation (5i).
ここで、括弧||・||は、括弧内の要素のうちで最大の要素を指す。また、F_nbは、式(6)により定義される量であり、D_nbは、式(7)により定義される量である。式(7)において、r_(P→NB)は、注目セルの格子点Pを始点とし、隣接セルの格子点NBを終点とするベクトルを表す。e_(P→NB)は、r_(P→NB)と同じ向きをむいた単位ベクトルである。 Here, the parentheses || · || indicate the largest element among the elements in the parentheses. F_nb is an amount defined by the equation (6), and D_nb is an amount defined by the equation (7). In Expression (7), r_ (P → NB) represents a vector having the lattice point P of the target cell as the start point and the lattice point NB of the adjacent cell as the end point. e_ (P → NB) is a unit vector having the same direction as r_ (P → NB).
一方、差分法としてハイブリッド法を用いた場合、境界セルに対する代数方程式(4)における係数a_NBは、内部セルに対する代数方程式(4)と同様、式(5a)〜式(5h)により与えられる。また、境界セルに対する代数方程式(4)における定数bは、対流流束ρUφ及び拡散流速Γ∇φの三角切断面上での積分を含む式(8)により与えられる。 On the other hand, when the hybrid method is used as the difference method, the coefficient a_NB in the algebraic equation (4) for the boundary cell is given by the equations (5a) to (5h) as in the algebraic equation (4) for the inner cell. The constant b in the algebraic equation (4) for the boundary cell is given by the equation (8) including the integral of the convective flux ρUφ and the diffusion flow velocity Γ∇φ on the triangular cut surface.
対流流束ρUφ及び拡散流速Γ∇φの三角切断面上での積分は、境界条件として与えられたφ及び∇φの境界面∂Ω上での値から算出することができる。 The integral of the convection flux ρUφ and the diffusion flow velocity Γ∇φ on the triangular cut surface can be calculated from the values of φ and ∇φ given as boundary conditions on the boundary surface ∂Ω.
・風上差分法
差分法として風上差分法を用いた場合、内部セルに対する代数方程式(4)における係数a_NBは、式(9a)〜式(9b)によって与えられる。また、内部セルに対する代数方程式(4)における定数bは、式(9c)によって与えられる。F_nbは、上述した式(6)により定義される量であり、D_nbは、式(7)により定義される量である。
Upwind Difference Method When the upwind difference method is used as the difference method, the coefficient a_NB in the algebraic equation (4) for the internal cell is given by the equations (9a) to (9b). The constant b in the algebraic equation (4) for the internal cell is given by the equation (9c). F_nb is an amount defined by equation (6) described above, and D_nb is an amount defined by equation (7).
ここで、風上差分法とは、物理量φの境界面nb∈{e,w,n,s,t,b}における値φ_nbを、式(10)によって物理量φの格子点NB∈{E,W,N,S,T,B}における値φ_NBに置き換えることを指す。式(10)において、Δr_(P→NB)は、注目セルの格子点Pを始点とし、隣接セルの格子点NBを終点とするベクトルを表し、Δr_(NB→P)は、隣接セルの格子点NBを始点とし、注目セルの格子点Pを終点とするベクトルを表す。また、M_nb^+及びM_nb^-は式(11)により定義される。 Here, the upwind difference method means that the value φ_nb at the boundary surface nbε {e, w, n, s, t, b} of the physical quantity φ is represented by the lattice point NB∈ {E, It means replacing with the value φ_NB in W, N, S, T, B}. In Expression (10), Δr_ (P → NB) represents a vector starting from the lattice point P of the target cell and ending at the lattice point NB of the adjacent cell, and Δr_ (NB → P) is a lattice of the adjacent cell. This represents a vector starting from the point NB and ending at the lattice point P of the cell of interest. M_nb ^ + and M_nb ^-are defined by the equation (11).
(1)式における時間項の注目セル上での積分を、式(12)のように離散化した場合、式(9b)における係数a_t、及び、式(9c)における定数b_temporalは、式(13)のように与えられる。 When the integration of the time term in the target cell in equation (1) is discretized as in equation (12), the coefficient a_t in equation (9b) and the constant b_temporal in equation (9c) ).
また、式(9c)における定数b_CT及び定数b_DTは、式(14a)〜式(14b)ように与えられる。 Further, the constant b_CT and the constant b_DT in the equation (9c) are given as in the equations (14a) to (14b).
一方、差分法として風上差分法を用いた場合、境界セルに対する代数方程式(4)における係数a_NBは、内部セルに対する代数方程式(4)と同様、式(9a)〜式(9b)によって与えられる。また、境界セルに対する代数方程式(4)における定数bは、対流流束ρUφ及び拡散流速Γ∇φの三角切断面上での積分を含む式(15)によって与えられる。 On the other hand, when the upwind difference method is used as the difference method, the coefficient a_NB in the algebraic equation (4) for the boundary cell is given by the equations (9a) to (9b) similarly to the algebraic equation (4) for the inner cell. . Also, the constant b in the algebraic equation (4) for the boundary cell is given by the equation (15) including the integral of the convective flux ρUφ and the diffusion flow velocity Γ∇φ on the triangular cut surface.
なお、ここではハイブリッド法、及び、風上差分法から導かれる代数方程式(4)を用いた有限体積法について説明したが、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。すなわち、中心差分法、べき乗法、指数法(厳密法)など、他の離散化手法から導かれる代数方程式(4)を用いた有限体積法も本発明の適用範囲に含まれる。 Here, the hybrid method and the finite volume method using the algebraic equation (4) derived from the upwind difference method have been described, but the scope of application of the present invention is not limited to this. That is, the finite volume method using the algebraic equation (4) derived from other discretization methods such as the central difference method, the power method, and the exponent method (exact method) is also included in the scope of application of the present invention.
また、ここでは流速Uを既知として、流速Uにより規定される流れ場における物理量φの輸送について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、代数方程式(4)と圧力修正方程式とを連立させることにより、非定常非圧縮粘性流体の流速U*を算出する数値流体計算方法も本発明の範疇に含まれる。 Further, here, the flow velocity U is known and the transport of the physical quantity φ in the flow field defined by the flow velocity U has been described, but the present invention is not limited to this. That is, the numerical fluid calculation method for calculating the flow velocity U * of the unsteady incompressible viscous fluid by combining the algebraic equation (4) and the pressure correction equation is also included in the scope of the present invention.
〔実施形態〕
以下、本発明の一実施形態について、図面に基づいて説明する。
Embodiment
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
(数値流体計算装置の構成)
本実施形態に係る数値流体計算装置1の構成について、図1を参照して説明する。図1は、数値流体計算装置1の構成を示すブロック図である。数値流体計算装置1は、モデリング部11と、切断面数カウント部12(同図において「カウント部」と略記)と、境界セル情報生成部13と、内部セル情報生成部14と、境界セル係数設定部15と、内部セル係数設定部16と、行列演算部17と、収束判定部18と、UI部19と、パラメータ記憶部21と、メッシュデータ記憶部22とを備えている。
(Configuration of numerical fluid computing device)
The configuration of the numerical
モデリング部11は、対象物Ωを複数のセルに分割するための手段である。具体的には、切断立方体モデルに従って対象物Ωを複数のセルに分割し、各セルの頂点座標を表すメッシュデータを生成する。上述したとおり、モデリング部11は、内部セルとして6面体を用い、境界セルとして(6+N)面体を用いる。モデリング部11によって生成されたメッシュデータは、切断面カウント部12に提供される。
The modeling unit 11 is means for dividing the object Ω into a plurality of cells. Specifically, the object Ω is divided into a plurality of cells according to the cut cube model, and mesh data representing the vertex coordinates of each cell is generated. As described above, the modeling unit 11 uses a hexahedron as an internal cell and uses a (6 + N) face as a boundary cell. The mesh data generated by the modeling unit 11 is provided to the cut
切断面数カウント部12は、モデリング部11から提供されたメッシュデータを参照して各境界セルにおける切断面数Nをカウントし、最大切断面数が4以下であるか否かを判定する。
The cut surface
最大切断面数が4以下である場合、切断面数カウント部12は、モデリング部11に「OK」を返す。切断面数カウント部12から「OK」が返されると、モデリング部11は、各セルの頂点座標を表すメッシュデータをメッシュデータ記憶部22に格納する。
When the maximum number of cut surfaces is 4 or less, the cut surface
一方、最大切断面数が4よりも大きい場合、切断面数カウント部12は、モデリング部11に「NG」を返す。切断面数カウント部12から「NG」が返されると、モデリング部11は、対象物Ωをより小さいサイズの内部セルと境界セルとに再分割する。モデリング部11は、最大切断面数が4以下になるまで(切断面数カウント部12から「OK」が返されるまで)再分割を繰り返し、最終的には最大切断面数が4以下となるメッシュデータをメッシュデータ記憶部22に格納する。
On the other hand, when the maximum number of cut surfaces is larger than 4, the cut surface
境界セル情報生成部13は、メッシュデータ記憶部22に格納されたメッシュデータから、各境界セルについて、(1)体積ΔV、(2)格子点Pの座標、(3)格子点NB∈{E,W,N,S,T,B}と格子点Pとの距離|NB−P|、(4)各境界面nb∈{e,w,n,s,t,b}の代表点の座標、(5)各境界面nb∈{e,w,n,s,t,b}の面積A_nb、(6)各三角切断面kt∈{kt_1,kt_2,…,kt_N}の代表点の座標、(7)各三角切断面kt∈{kt_1,kt_2,…,kt_N}の面積A_kt、(8)各三角切断面kt∈{kt_1,kt_2,…,kt_N}の法線ベクトルn_ktを算出する。境界セル情報生成部13により算出された諸量は、境界セル情報として境界セル係数設定部15に提供される。
The boundary cell
なお、境界セルの格子点Pの座標は、例えば、その境界セルの頂点座標の和を頂点数で除算することによって容易に算出することができる。また、各境界面nbの代表点の座標は、例えば、その境界面nbの頂点座標の和を頂点数で除算することによって容易に算出することができる。また、各境界面nbの面積A_nbは、境界面の構成毎に導出した求積公式(後述)を用いて算出することができる。境界セルの体積ΔVについても同様である。 Note that the coordinates of the lattice point P of the boundary cell can be easily calculated by, for example, dividing the sum of the vertex coordinates of the boundary cell by the number of vertices. The coordinates of the representative point of each boundary surface nb can be easily calculated by dividing the sum of the vertex coordinates of the boundary surface nb by the number of vertices, for example. The area A_nb of each boundary surface nb can be calculated using a quadrature formula (described later) derived for each configuration of the boundary surface. The same applies to the volume ΔV of the boundary cell.
また、各三角切断面ktの代表点の座標は、例えば、その三角切断面ktの頂点座標の和を頂点数3で割ることによって容易に算出することができる。また、各三角切断面ktの面積A_ktは、例えば、その三角切断面ktの3つの頂点(切断点)の位置ベクトルをα,β,γとして、A_kt=|(β−α)×(γ−α)|/2により算出することができる(「×」は外積)。また、三角切断面ktの法線ベクトルn_ktは、例えば、n_kt=(β−α)×(γ−α)/|(β−α)×(γ−α)|により算出することができる(「×」は外積)。
Further, the coordinates of the representative point of each triangular cut surface kt can be easily calculated by dividing the sum of the vertex coordinates of the triangular cut surface kt by the number of
内部セル情報生成部14は、メッシュデータ記憶部22に格納されたメッシュデータから、各内部セルについて、(1)体積ΔV,(2)格子点Pの座標、(3)各格子点NB∈{E,W,N,S,T,B}と格子点Pとの距離|NBーP|、(4)各境界面nb∈{e,w,n,s,t,b}の代表点の座標、(5)各境界面nb∈{e,w,n,s,t,b}の面積A_nbを算出する。内部セル情報生成部14により算出された諸量は、内部セル情報として内部セル係数設定部16に提供される。
From the mesh data stored in the mesh
なお、内部セルの格子点Pの座標は、例えば、その内部セルの頂点座標の和を頂点数8で除算することによって容易に算出することができる。また、各境界面nbの代表点の座標は、例えば、その境界面nbの頂点座標の和を頂点数4で除算することによって容易に算出することができる。また、各境界面nbの面積A_nbは、例えば、互いに隣接する2辺の長さを乗算することによって容易に算出することができる。例えば、内部セルが各辺の長さがLの立方体である場合、Anb=L^2(一定)である。また、内部セルの体積ΔVは、例えば、互いに隣接する3辺の長さを乗算することによって、容易に算出することができる。例えば、内部セルが各辺の長さがLの立方体である場合、ΔV=L^3(一定)である。
Note that the coordinates of the lattice point P of the internal cell can be easily calculated by dividing the sum of the vertex coordinates of the internal cell by the number of
代数方程式(4)からなる方程式系を構成するために必要なパラメータ{Δt,ρ,Γ,S,U=(u,v,w),φ_kt,(∇φ)_kt}の値は、UI部19を介してユーザにより設され、パラメータ記憶部21に格納される。境界セル係数設定部15、及び、内部セル係数設定部16は、パラメータ記憶部21に記憶されたこれらのパラメータを自由に参照することができる。
The values of parameters {Δt, ρ, Γ, S, U = (u, v, w), φ_kt, (∇φ) _kt} necessary to construct the equation system consisting of the algebraic equation (4) It is provided by the user via 19 and stored in the
境界セル係数設定部15は、対流流束ρUφの各三角切断面kt上での積分の和Σ(ρUφ)_kt・A_kt、及び、拡散流速Γ∇φの各三角切断面kt上での積分の和を、パラメータ記憶部21に格納された境界値φ_kt及び(Δφ)_ktなどを参照して算出する。
The boundary cell
具体的には、(1)密度ρと流速U_ktと境界条件φ_ktとをパラメータ記憶部21から読み出し、(2)法線ベクトルn_ktと面積A_ktとを境界セル情報生成部13から取得し、(3)流速U_ktと法線ベクトルn_ktとの内積U_kt・n_ktを算出し、(4)内積U_kt・n_ktに密度ρ、境界条件φ_kt、及び、面積A_ktを乗じることによって、(ρUφ)_kt・A_ktを算出する。そして、得られた(ρUφ)_kt・A_ktを合算することによりΣ(ρUφ)_kt・A_ktを得る。
Specifically, (1) the density ρ, the flow velocity U_kt, and the boundary condition φ_kt are read from the
同様に、(1)拡散係数Γと境界条件(∇φ)_ktとをパラメータ記憶部21から読み出し、(2)法線ベクトルn_ktと面積A_ktとを境界セル情報生成部13から取得し、(3)境界条件(∇φ)_ktと法線ベクトルn_ktとの内積(∇φ)_kt・n_ktを算出し、(4)内積(∇φ)_kt・n_ktに拡散係数Γ及び面積A_ktを乗じることによって、(Γ∇φ)_kt・A_ktを算出する。そして、得られた(Γ∇φ)_kt・A_ktを合算することによって、Σ(Γ∇φ)_kt・A_ktを得る。
Similarly, (1) the diffusion coefficient Γ and the boundary condition (∇φ) _kt are read from the
境界セル係数設定部15は、更に、パラメータ記憶部21から読み出した{ρ,U,Γ,S_P}と、境界セル情報生成部13から取得した{A_nb,|NBーP|,ΔV}とを参照し、式(5a)〜(5h)に従って係数a_P,a_E,a_W,a_N,a_S,a_T,a_Bを算出する。また、先に算出した{Σ(Γ∇φ)_kt・A_kt,Σ(ρUφ)_kt・A_kt}と、パラメータ記憶部21から読み出した{Δt,S_C,ρ,φ_P^T}と、境界セル情報生成部13から取得したΔVとを参照し、式(8)に従って定数bを算出する。
The boundary cell
内部セル係数設定部16は、パラメータ記憶部21から読み出した{ρ,U,Γ,S_P}と、境界セル情報生成部13から取得した{A_nb,|NBーP|,ΔV}とを参照し、式(5a)〜(5h)に従って係数a_P,a_E,a_W,a_N,a_S,a_T,a_Bを算出する。また、パラメータ記憶部21から読み出した{Δt,S_C,ρ,φ_P^T}と、境界セル情報生成部13から取得したΔVとを参照し、式(5i)に従って定数bを算出する。
The internal cell
なお、定数bを算出するために境界セル係数設定部15及び内部セル係数設定部16が参照するφ_P^tは、UI部19を介してユーザによって設定されたものではなく、行列演算部17によって前回算出されたφ_Pである。ただし、初回の演算において参照するφ_P^tは、UI部19を介してユーザによって設定された初期値φ_P^0である。
Note that φ_P ^ t referred to by the boundary cell
行列演算部17は、境界セル係数設定部15及び内部セル係数設定部16によって設定された係数a_NB及び定数bにより規定される、代数方程式(4)を解くための手段である。代数方程式(4)を解くためのアルゴリズムとしては、ヤコビの反復法、ガウス・ザイデルの反復法、逐次過緩和法(SOR:Successive Over Relaxation)などが知られているが、ここでは、収束の速い逐次過緩和法を用いる。
The
行列演算部17は、代数方程式(4)の解(各格子点における物理量φの値)を更新する度に、更新後の解を収束判定部18に提供する。収束判定部18は、更新前の解と更新後の解との差(のノルム)が予め定められた閾値以下になるか否かを判定する。
The
更新前の解と更新後の解との差が予め定められた閾値以下である場合、収束判定部18は、行列演算部17に「OK」を返す。収束判定部18から「OK」が返されると、行列演算部17は、更新後の解を外部に出力すると共に、更新後の解をパラメータ記憶部21に格納する。パラメータ記憶部21に格納された解は、時刻tにおける解φ_P^tとして、時刻t+Δtにおける物理量φ_P^t+Δtを算出するために参照される。
When the difference between the solution before the update and the solution after the update is equal to or less than a predetermined threshold, the
更新前の解と更新後の解との差が予め定められた閾値よりも大きい場合、収束判定部18は、行列演算部17に「NG」を返す。収束判定部18から「NG」が返されると、行列演算部17は、再度、解を更新する。行列演算部17は、更新前の解と更新後の解との差が予め定められた閾値以下になるまで(収束判定部18から「OK」が返されるまで)解の更新を繰り返し、最終的には更新前の解との差が予め定められた閾値以下となる収束解を得る。
If the difference between the pre-update solution and the post-update solution is greater than a predetermined threshold, the
(コンピュータを用いた構成例)
数値流体計算装置1は、例えば、コンピュータ(電子計算機)を用いて実現することができる。図2は、コンピュータを用いて実現された数値流体計算装置1のハードウェア構成を例示したブロック図である。
(Configuration example using a computer)
The numerical
数値流体計算装置1は、図2に示したように、バス110を介して互いに接続された演算装置120と、主記憶装置130と、補助記憶装置140と、入出力インタフェース150とを備えている。演算装置120として利用可能なデバイスとしては、CPU(Central Processing Unit)を挙げることができる。また、主記憶装置130として利用可能なデバイスとしては、例えば、半導体RAM(random access memory)を挙げることができる。また、補助記憶装置140として利用可能なデバイスとしては、例えば、ハードディスクドライブを挙げることができる。
As shown in FIG. 2, the numerical
入出力インタフェース150には、図2に示したように、入力装置200及び出力装置300が接続される。入力装置200は、パラメータ{Δt,ρ,Γ,S,U=(u,v,w),φ_kt,(∇φ)_kt}の値をユーザが数値流体計算装置1に入力するための手段であり、例えば、キーボードである。入力装置200を介して入力されたパラメータ{Δt,ρ,Γ,S,U=(u,v,w),φ_kt,(∇φ)_kt}は、演算装置120がこれを参照することができるよう主記憶装置130に格納される。すなわち、主記憶装置130は、パラメータ記憶手段21として利用される。
As shown in FIG. 2, the input device 200 and the output device 300 are connected to the input /
一方、出力装置300は、代数方程式(4)の解(各格子点における物理量φの値)を出力するための手段であり、例えば、モニタである。なお、代数方程式(4)の解を出力装置300を介して出力する代わりに、代数方程式(4)の解を補助記憶装置140に格納するようにしてもよい。
On the other hand, the output device 300 is a means for outputting the solution of the algebraic equation (4) (the value of the physical quantity φ at each lattice point), for example, a monitor. Instead of outputting the solution of the algebraic equation (4) via the output device 300, the solution of the algebraic equation (4) may be stored in the
補助記憶装置140には、コンピュータを数値流体計算装置1として動作させるための数値流体計算プログラムが格納されている。数値流体計算プログラムは、モデリングプログラムと、切断面数カウントプログラムと、境界セル情報設定プログラムと、境界セル係数設定プログラムと、内部セル係数設定プログラムと、行列演算プログラムと、収束判定プログラムと、UIプログラムとを含んでいる。また、補助記憶装置140は、メッシュデータを格納するメッシュデータ記憶部22としても利用される。
The
演算装置120は、主記憶装置130上に展開されたモデリングプログラムに含まれる命令を実行することによって、コンピュータをモデリング部11として機能させる。同様に、主記憶装置130上に展開された切断面数カウントプログラム、境界セル情報設定プログラム、境界セル係数設定プログラム、内部セル係数設定プログラム、行列演算プログラム、収束判定プログラム、及び、UIプログラムに含まれる命令を実行することによって、コンピュータ1を切断面数カウント部12、境界セル情報生成部13、内部セル情報生成部14、境界セル係数設定部15、内部セル係数設定部16、行列演算部17、及び、収束判定部18として機能させる。
The
本発明の目的は、上記各プログラムのプログラムコード(実行形式プログラム、中間コードプログラム、ソースプログラム)をコンピュータで読み取り可能に記録した記録媒体を数値流体計算装置1に供給し、数値流体計算装置1がその記録媒体に記録されているプログラムコードを読み出し実行することによっても達成可能である。
An object of the present invention is to supply a numerical
上記記録媒体としては、例えば、磁気テープやカセットテープ等のテープ系、フロッピー(登録商標)ディスク/ハードディスク等の磁気ディスクやCD−ROM/MO/MD/DVD/CD−R等の光ディスクを含むディスク系、ICカード(メモリカードを含む)/光カード等のカード系、あるいはマスクROM/EPROM/EEPROM/フラッシュROM等の半導体メモリ系などを用いることができる。 Examples of the recording medium include a tape system such as a magnetic tape and a cassette tape, a magnetic disk such as a floppy (registered trademark) disk / hard disk, and an optical disk such as a CD-ROM / MO / MD / DVD / CD-R. Card system such as IC card, IC card (including memory card) / optical card, or semiconductor memory system such as mask ROM / EPROM / EEPROM / flash ROM.
また、数値流体計算装置1を通信ネットワークと接続可能に構成し、上記プログラムコードを通信ネットワークを介して数値流体計算装置1に供給するようにしてもよい。この通信ネットワークとしては、とくに限定されず、例えば、インターネット、イントラネット、エキストラネット、LAN、ISDN、VAN、CATV通信網、仮想専用網(virtual private network)、電話回線網、移動体通信網、衛星通信網等が利用可能である。また、通信ネットワークを構成する伝送媒体としては、とくに限定されず、例えば、IEEE1394、USB、電力線搬送、ケーブルTV回線、電話線、ADSL回線等の有線でも、IrDAやリモコンのような赤外線、Bluetooth(登録商標)、802.11無線、HDR、携帯電話網、衛星回線、地上波デジタル網等の無線でも利用可能である。なお、本発明は、上記プログラムコードが電子的な伝送で具現化された、搬送波に埋め込まれたコンピュータデータ信号の形態でも実現され得る。
Further, the numerical
(求積公式)
境界セルにおける境界面nbの面積A_nbは、上述したように、境界面の構成毎に導出された求積公式を用いて算出することができる。以下、この求積公式について、図5〜図8を参照して説明する。なお、以下の説明においては、基礎となる立方体の面に占める境界面nbの割合を開口率A_fluidと記す。
(Quadrature formula)
As described above, the area A_nb of the boundary surface nb in the boundary cell can be calculated using the quadrature formula derived for each configuration of the boundary surface. Hereinafter, this quadrature formula will be described with reference to FIGS. In the following description, the ratio of the boundary surface nb occupying the surface of the basic cube is referred to as an aperture ratio A_fluid.
「基礎となる立方体の各辺に高々1つの切断点を設ける」という条件から、考慮すべき組み合わせは、(1)切断点がない場合、(2)切断点が2つある場合、(3)切断点が3つある場合、(4)切断点が4つある場合の何れかに分類される。以下(1)〜(4)の場合について順に説明する。 From the condition that “at most one cutting point is provided on each side of the base cube”, the combinations to be considered are (1) when there is no cutting point, (2) when there are two cutting points, (3) When there are three cut points, it is classified as either (4) there are four cut points. Hereinafter, the cases (1) to (4) will be described in order.
(1)切断点がない場合
境界面nb上に切断点がない場合、境界面nb全体が対象物Ωの内部(流体)に含まれるか(図5(a)参照)、又は、境界面nb全体が対象物Ωの外部(固体)に含まれるか(図5(b)参照)の何れかである。前者の場合、開口率A_fluid=1であり、後者の場合、開口率A_fluid=0である。
(1) When there is no cutting point When there is no cutting point on the boundary surface nb, the entire boundary surface nb is included in the inside (fluid) of the object Ω (see FIG. 5A) or the boundary surface nb Either the whole is included in the outside (solid) of the object Ω (see FIG. 5B). In the former case, the aperture ratio A_fluid = 1, and in the latter case, the aperture ratio A_fluid = 0.
(2)切断点が2つある場合
境界面nbが2つの切断面を含む場合、境界面nbの構成は、図6(a)〜図6(c)に示す3通りのうちの何れかになる。この場合、開口率A_fluidは、式(16)により算出される。
(2) When there are two cutting points When the boundary surface nb includes two cutting surfaces, the configuration of the boundary surface nb is one of the three types shown in FIGS. 6 (a) to 6 (c). Become. In this case, the aperture ratio A_fluid is calculated by Expression (16).
(3)切断点が3つある場合
境界面nb上に切断点が3つある場合、境界面nbの構成は、図7(a)〜図7(e)に示す5通りのうちの何れかになる。図7(a)〜図7(d)に示す構成の場合、開口率A_fluidは、式(17)により算出される。
(3) When there are three cutting points When there are three cutting points on the boundary surface nb, the configuration of the boundary surface nb is one of the five types shown in FIGS. 7 (a) to 7 (e). become. In the case of the configuration shown in FIGS. 7A to 7D, the aperture ratio A_fluid is calculated by Expression (17).
一方、図7(e)の構成は、問題が2次元に退化してしまうため望ましくない。このため、図7(e)に示す切断点の配置が生じた場合には、メッシュを切り直す(対象物Ωを再分割する)ことが望ましい。 On the other hand, the configuration of FIG. 7E is not desirable because the problem is degraded in two dimensions. For this reason, when the arrangement of the cutting points shown in FIG. 7E occurs, it is desirable to recut the mesh (subdivide the object Ω).
(4)切断点が4つある場合
境界面nb上に切断点が4つある場合、境界面nbの構成は、図8(a)〜図8(d)に示す4通りのうちの何れかになる。図8(a)〜図8(b)に示す構成の場合、開口率A_fluidは、式(18)により算出される。
(4) When there are four cutting points When there are four cutting points on the boundary surface nb, the configuration of the boundary surface nb is one of the four types shown in FIGS. 8 (a) to 8 (d). become. In the case of the configuration shown in FIGS. 8A to 8B, the aperture ratio A_fluid is calculated by Expression (18).
なお、図8(c)〜図8(d)に示す構成は、問題が2次元に退化してしまうため望ましくない。このため、図8(c)〜図8(d)に示す切断点の配置が生じた場合には、メッシュを切り直す(対象物Ωを再分割する)ことが望ましい。 Note that the configuration shown in FIGS. 8C to 8D is not desirable because the problem is degraded two-dimensionally. For this reason, when arrangement | positioning of the cutting | disconnection point shown in FIG.8 (c)-FIG.8 (d) arises, it is desirable to recut a mesh (subdividing object Ω).
〔実施例〕
最後に、温度Tが従う対流拡散方程式に本発明を適用した実施例について説明する。
〔Example〕
Finally, an embodiment in which the present invention is applied to the convection diffusion equation according to the temperature T will be described.
本実施例において計算対象とする系を図9に示す。本実施例において計算対象とする系は、図9に示すように、共通の中心を持つ小球面(半径d_i)と大球面(半径d_o)との間の空間である(d_i<d_o)。境界条件としては、小球面(内側境界)の温度=T_i、大球面(外側境界)の温度=T_oを課す(T_i>T_o)。 A system to be calculated in the present embodiment is shown in FIG. The system to be calculated in this embodiment is a space between a small spherical surface (radius d_i) and a large spherical surface (radius d_o) having a common center (d_i <d_o), as shown in FIG. As boundary conditions, the temperature of the small spherical surface (inner boundary) = T_i and the temperature of the large spherical surface (outer boundary) = T_o are imposed (T_i> T_o).
レーリー数Raを下表の各値に設定したうえで、本発明の数値流体計算方法に従って各セルにおける温度Tの値を算出した。なお、レーリー数Raとは、式(19)により定義される量である。 After setting the Rayleigh number Ra to each value in the table below, the value of the temperature T in each cell was calculated according to the numerical fluid calculation method of the present invention. The Rayleigh number Ra is an amount defined by the equation (19).
計算精度をチェックするために、各球面上での平均Nusselt数(以下「Nu数」」と略記する)を評価した。なお、小球面上での平均Nusselt数は、式(20a)のように定義される量であり、大球面上での平均Nusselt数は、式(20b)のように定義される量である。 In order to check the calculation accuracy, the average Nusselt number (hereinafter abbreviated as “Nu number”) on each spherical surface was evaluated. Note that the average Nusselt number on the small sphere is an amount defined as in Expression (20a), and the average Nusselt number on the large sphere is an amount defined as in Expression (20b).
評価結果を図10に示す。図10(a)は、小球面上での平均Nusselt数を示し、図10(b)は、大球面上での平均Nusselt数を示している。同図においては、下記参考文献に記載された平均Nusselt数を比較例として示している。本発明の数値流体計算方法によれば、表1に示した何れのレーリー数に対しても、精度の高い数値流体計算が実現されていることが分かる。 The evaluation results are shown in FIG. FIG. 10A shows the average Nusselt number on the small spherical surface, and FIG. 10B shows the average Nusselt number on the large spherical surface. In the figure, the average Nusselt number described in the following reference is shown as a comparative example. According to the numerical fluid calculation method of the present invention, it can be seen that highly accurate numerical fluid calculation is realized for any Rayleigh number shown in Table 1.
〔参考文献〕Greg V K, "Natural convection between concentric spheres", International Journal of Heat and Mass Transfer, 35(8), 1991, pp1935-1945 [References] Greg V K, "Natural convection between concentric spheres", International Journal of Heat and Mass Transfer, 35 (8), 1991, pp1935-1945
本発明は数値流体計算に広く利用することができる。特に、(V)CADシステムと連携する数値流体計算に好適に利用することができる。 The present invention can be widely used for numerical fluid calculations. In particular, (V) it can be suitably used for numerical fluid calculation in cooperation with a CAD system.
1 数値流体計算装置
11 モデリング部
12 切断面数カウント部
13 境界セル情報生成部
14 内部セル情報生成部
15 境界セル係数設定部
16 内部セル係数設定部
17 行列演算部
18 収束判定部
19 UI部
21 パラメータ記憶部
22 メッシュデータ記憶部
IC 内部セル
BC 境界セル
e,w,n,s,t,b 境界面
kt 三角切断面
P 注目セルに含まれる格子点
E,W,N,S,T,B 隣接セルに含まれる格子点
DESCRIPTION OF
Claims (7)
計算対象領域を複数のセルに分割するセル分割ステップであって、計算対象領域の境界を含む境界セルとして、各辺上に高々1つの切断点が設けられた6面体を3つの切断点を頂点とするN個の三角切断面で切断して得られる(6+N)面体(NはNmax以下の自然数)を用いるセル分割ステップと、
上記境界セルの各々について、上記N個の三角切断面の面積を算出する切断面積算出ステップと、
上記境界セルの各々について、上記代数方程式に含まれる、対流流束の各三角切断面上での積分値、及び、拡散流束の各三角切断面上での積分値を、上記切断面積算出ステップにて算出された各三角切断面の面積と、上記計算対象領域の境界に課された境界条件とから算出する境界条件設定ステップと、を含んでいる、
ことを特徴とする数値流体計算方法。 An algebraic equation obtained by integrating the convection diffusion equation on each cell, and an equation system comprising an algebraic equation that holds between a physical quantity on each cell and the physical quantity on an adjacent cell adjacent to the cell. in computational fluid calculation method by a computer solved,
A cell dividing step for dividing a calculation target area into a plurality of cells, and a hexahedron having at most one cutting point on each side as a boundary cell including the boundary of the calculation target area is apex with three cutting points A cell division step using a (6 + N) face (N is a natural number equal to or less than Nmax) obtained by cutting with N triangular cut planes;
For each of the boundary cells, a cutting area calculating step for calculating an area of the N triangular cutting planes;
For each of the boundary cells, the integrated value on each triangular cut surface of the convection flux and the integrated value on each triangular cut surface of the diffusion flux included in the algebraic equation are calculated in the cut area calculation step. And a boundary condition setting step for calculating from the area of each triangular cut surface calculated in (1) and the boundary condition imposed on the boundary of the calculation target region,
A numerical fluid calculation method characterized by the above.
上記境界セルの各々について、上記代数方程式に含まれる係数であって、該境界セルに隣接する隣接セル上の上記物理量に係る係数を、上記境界面積算出ステップにて算出された各境界面の面積を用いて算出する係数算出ステップと、を更に含んでいる、
ことを特徴とする請求項1に記載の数値流体計算方法。 For each of the boundary cells, a boundary area calculation step for calculating an area of a boundary surface between adjacent cells adjacent to the boundary cell;
For each of the boundary cells, a coefficient included in the algebraic equation, the coefficient relating to the physical quantity on an adjacent cell adjacent to the boundary cell, the area of each boundary surface calculated in the boundary area calculation step A coefficient calculation step of calculating using
The numerical fluid calculation method according to claim 1, wherein:
ことを特徴とする請求項1または2に記載の数値流体計算方法。 The upper limit Nmax of the triangular cut surface number N included in each of the upper Kisakai field cell is 4,
The numerical fluid calculation method according to claim 1 or 2, characterized in that:
上記代数方程式は、上記セルに含まれる格子点Pにおける上記物理量をφ P 、境界面nb(nb=e,w,n,s,t,b)を介して上記セルに隣接する上記隣接セルに含まれる格子点NB(NB=E,W,N,S,T,B)における上記物理量をφ NB として、下記(2)式により表され、
上記境界面nbの面積をA nb 、上記境界面nbにおける上記流速を(u nb ,v nb ,w nb )として下記(3)式により定義されるF nb と、上記境界面nbにおける上記拡散係数をΓ nb 、外向き法線方向を向いた上記境界面nbの面積ベクトルをA nb 、上記格子点Pを始点とし上記格子点NBを終点とするベクトルをr P→NB 、ベクトルr P→NB と同じ向きの単位ベクトルをe P→NB として下記(4)式により定義されるD nb と、を用いて、
上記代数方程式に含まれる係数a NB 及びa P は、上記セルの体積をΔVとして、下記(5)式により表され、
上記セルが内部セルである場合に上記代数方程式に含まれる係数bは、上記セルの体積をΔV、時間ステップをΔt、初期値として設定された、又は、前回算出された上記格子点Pにおける上記物理量をφ P t として、下記(6)式により表され、
上記セルが境界セルである場合に上記代数方程式に含まれる係数bは、上記セルの体積をΔV、時間ステップをΔt、初期値として設定された、又は、前回算出された上記格子点Pにおける上記物理量をφ P t 、外向法線方向を向いた上記三角切断面kt(kt=kt 1 ,kt 2 ,…,kt N )の面積ベクトルをA kt 、上記三角切断面ktにおける対流流速を(ρUφ) kt 、上記三角切断面ktにおける拡散流速を(Γ∇φ) kt として、下記(7)式により表され、
上記係数算出ステップにて算出される係数は、上記セルが境界セルである場合に上記代数方程式に含まれる係数a NB (NB=E,W,N,S,T,B)である、
ことを特徴とする請求項2に記載の数値流体計算方法。
The algebraic equation expresses the physical quantity at the lattice point P included in the cell as φ P and the adjacent cell adjacent to the cell via the boundary surface nb (nb = e, w, n, s, t, b). The physical quantity at the included grid point NB (NB = E, W, N, S, T, B) is represented by the following equation (2), where φ NB is
The area of the boundary surface nb A nb, the flow velocity at the boundary surface nb (u nb, v nb, w nb) and F nb defined by the following equation (3) as, the diffusion coefficient in the boundary surface nb Γ nb , the area vector of the boundary surface nb facing the outward normal direction is A nb , the vector starting from the lattice point P and ending at the lattice point NB is r P → NB , and the vector r P → NB And D nb defined by the following equation (4) where e P → NB is the unit vector in the same direction as :
The coefficients a NB and a P included in the algebraic equation are expressed by the following equation (5), where the volume of the cell is ΔV,
When the cell is an internal cell, the coefficient b included in the algebraic equation is set as ΔV for the volume of the cell, Δt for the time step, or an initial value, or the previously calculated lattice point P The physical quantity is represented by the following equation (6), where φ P t :
When the cell is a boundary cell, the coefficient b included in the algebraic equation is set as ΔV for the volume of the cell, Δt for a time step, or an initial value, or the lattice point P calculated at the previous time. The physical quantity is φ P t , the area vector of the triangular cut surface kt (kt = kt 1 , kt 2 ,..., Kt N ) facing the outward normal direction is A kt , and the convection flow velocity at the triangular cut surface kt is (ρUφ ) Kt , where the diffusion flow velocity at the triangular cut surface kt is (Γ∇φ) kt and is expressed by the following equation (7)
The coefficient calculated in the coefficient calculation step is a coefficient a NB (NB = E, W, N, S, T, B) included in the algebraic equation when the cell is a boundary cell .
The numerical fluid calculation method according to claim 2 , wherein:
計算対象領域を複数のセルに分割するセル分割手段であって、計算対象領域の境界を含む境界セルとして、各辺上に高々1つの切断点が設けられた6面体を3つの切断点を頂点とするN個の三角切断面で切断して得られる(6+N)面体(NはNmax以下の自然数)を用いるセル分割手段と、
上記境界セルの各々について、上記N個の三角切断面の面積を算出する切断面積算出手段と、
上記境界セルの各々について、上記代数方程式に含まれる、対流流束の各三角切断面上での積分値、及び、拡散流束の各三角切断面上での積分値を、上記切断面積算出手段にて算出された各三角切断面の面積と、上記計算対象領域の境界に課された境界条件とから算出する境界条件設定手段と、を備えている、
ことを特徴とする数値流体計算装置。 An algebraic equation obtained by integrating the convection diffusion equation on each cell, and an equation system comprising an algebraic equation that holds between a physical quantity on each cell and the physical quantity on an adjacent cell adjacent to the cell. In the numerical fluid computing device to solve,
A cell dividing means for dividing a calculation target area into a plurality of cells, and as a boundary cell including a boundary of the calculation target area, a hexahedron having at most one cutting point on each side is apexed at three cutting points. Cell dividing means using a (6 + N) plane (N is a natural number equal to or less than Nmax) obtained by cutting with N triangular cut planes,
Cutting area calculating means for calculating the area of the N triangular cutting planes for each of the boundary cells;
For each of the boundary cells, the integrated value of each of the convective fluxes on each triangular cut surface and the integrated value of each of the diffusion fluxes on each triangular cut surface included in the algebraic equation are calculated as the cut area calculation means. Boundary condition setting means for calculating from the area of each triangular cut surface calculated in the above and the boundary condition imposed on the boundary of the calculation target region,
A numerical fluid computing device characterized by the above.
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