JP5645120B2 - 粒子状態計算装置及び粒子状態計算方法 - Google Patents
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Description
ここで、uiは流体の速度ベクトル、pは流体の圧力を示す変数である。tは時間ステップを示す変数である。添え字i,jは、x,y,z何れかの方向を表しており、式(1)及び(2)は総和規約に従って表記されている。全ての変数は、代表長さL0と代表速度U0とによって無次元化されている。また、Reは動粘性係数νを用いてRe=U0L0/νと定義されるパラメータとして与えられる値である。例えば、νを1気圧298Kでの値1.5×10−5m2/sに設定される。式(2)の右辺最終項fiは外力項である。
ここで、vpは粒子速度、ui(アンダーバーの記載は省略する)は粒子位置における流体速度を示す変数である。ここで、添え字iはx,y,z方向を表す。τpは粒子緩和時間である。式(1)と同様に全ての変数は、代表長さL0と代表速度U0とによって無次元化されている。また、粒子に働く重力は無視する。粒子緩和時間τpは、次式で計算される。
ここで、rは粒子半径、ρp及びρfはそれぞれ粒子及び流体の密度であり、予め設定あるいは入力されるパラメータである。例えば、雲粒を想定して1気圧298Kでの水及び空気の密度の値から、ρp/ρf=840とする。線形ストークス抗力モデルは粒子レイノルズ数Rep(=2r|vp−u|/ν)が1に比べて十分小さい場合に適用可能である。雲粒を想定した場合、およそr=40μmのときRep=1である。それ以上大きな粒子の場合には非線形抗力モデルを用いるべきであるが、簡単のために全ての場合で線形ストークス抗力モデルを用いてもよい。また、現実の雲では水滴の空気に対する質量割合最大でも10−3程度であるので、粒子は希薄であり流体運動に影響を与えないとしてもよい。粒子位置における流体速度uは、粒子近傍の8点の速度データから線形補間により算出される。時間進行の計算には、流体計算と同じく、2次のルンゲ−クッタ法を用いる。
この衝突頻度とn−1/2ステップにおける粒子数密度np n−1/2(=0.5(Np n−1+Np n)/Vd)から、n−1/2ステップにおける衝突頻度因子を次の式により算出する。
この衝突頻度因子を時間平均することによって平均衝突因子を算出する。
(A)差分計算に必要な袖領域の気相データの取得
(B)MPI分割領域(個々のノード10に割り当てられた計算領域)からはみ出した粒子を隣のプロセスに移動させる処理
(C)MPI分割領域の境界近傍にある粒子情報の共有
ある粒子ペアがMPI分割領域の境界をまたいで近接する場合、その情報を両側のプロセスが共有していなければ衝突を検出できない可能性がある。この問題に対処するため上記の(C)の操作が必要になる。本発明は、セルインデックスを活用して、(B)(C)を効率的に処理するためものである。
(i)定常等方性乱流場を得るための強制法として、有限差分法の高い並列化率を損なわないRCF法を用いた。
(ii)粒子間衝突を効率的に検出するためにセルインデックス法を用いた。
(iii)共有メモリ型並列(自動並列化ライブラリ)と分散メモリ型並列(MPIライブラリ)の両方に対応し、両方を同時に用いるハイブリッド計算に対応した。
(iv)MPI並列計算領域からはみ出した粒子情報の通信やセルインデックス情報の更新を所定の周期の時間ステップ毎にだけ行うようにコードを設計し、分散メモリ型並列計算でのプロセス間通信コストを削減した。
Claims (4)
- 複数の分割された計算領域の一つである自領域に配置される粒子の状態を時間ステップ毎に繰り返し計算する粒子状態計算装置であって、
各時間ステップにおける前記自領域の粒子の状態を計算する粒子状態計算手段と、
前記粒子状態計算手段における対象の時間ステップが、予め設定された周期の時間ステップか否かを判断する周期判断手段と、
前記周期判断手段によって予め設定された周期の時間ステップであると判断された時間ステップに、前記粒子状態計算手段によって計算された粒子の位置に基づいて、当該粒子から、前記自領域に隣接する前記分割された計算領域である隣接領域において計算に用いられる自領域仮想粒子を特定して、特定した自領域仮想粒子を示す情報を当該隣接領域の粒子の状態を計算する別の粒子状態計算装置に出力する自仮想粒子情報出力手段と、
前記別の粒子状態計算装置から、前記自領域において計算に用いられる他領域仮想粒子を特定する情報を入力する他仮想粒子情報入力手段と、
各時間ステップにおいて粒子状態計算手段によって算出された前記自領域仮想粒子の状態を示す情報を前記別の粒子状態計算装置に出力する自仮想粒子状態出力手段と、
各時間ステップにおいて前記別の粒子状態計算装置から前記他領域仮想粒子の状態を示す情報を入力する他仮想粒子状態入力手段と、
前記粒子状態計算手段による計算に応じた情報を出力する出力手段と、を備え、
前記粒子状態計算手段は、前記他仮想粒子情報入力手段によって入力される前記他領域仮想粒子を特定する情報、及び前記他仮想粒子状態入力手段によって入力された前記他領域仮想粒子の状態を示す情報を用いて粒子の状態を計算する粒子状態計算装置。 - 前記粒子は、流体中の粒子であり、
前記粒子状態計算手段は、有限差分法によって流体の状態を算出して、当該流体の影響を考慮して粒子の状態を計算する、
ことを特徴とする請求項1に記載の粒子状態計算装置。 - 前記粒子状態計算手段は、前記他仮想粒子情報入力手段によって入力される前記他領域仮想粒子を特定する情報に基づいて、粒子間の近傍関係を特定して、当該近傍関係に基づいて粒子の状態を計算することを特徴とする請求項1又は2に記載の粒子状態計算装置。
- 複数の分割された計算領域の一つである自領域に配置される粒子の状態を時間ステップ毎に繰り返し計算する粒子状態計算装置による粒子状態計算方法であって、
各時間ステップにおける前記自領域の粒子の状態を計算する粒子状態計算ステップと、
前記粒子状態計算ステップにおける対象の時間ステップが、予め設定された周期の時間ステップか否かを判断する周期判断ステップと、
前記周期判断ステップにおいて予め設定された周期の時間ステップであると判断された時間ステップに、前記粒子状態計算ステップにおいて計算された粒子の位置に基づいて、当該粒子から、前記自領域に隣接する前記分割された計算領域である隣接領域において計算に用いられる自領域仮想粒子を特定して、特定した自領域仮想粒子を示す情報を当該隣接領域の粒子の状態を計算する別の粒子状態計算装置に出力する自仮想粒子情報出力ステップと、
前記別の粒子状態計算装置から、前記自領域において計算に用いられる他領域仮想粒子を特定する情報を入力する他仮想粒子情報入力ステップと、
各時間ステップにおいて粒子状態計算ステップにおいて算出された前記自領域仮想粒子の状態を示す情報を前記別の粒子状態計算装置に出力する自仮想粒子状態出力ステップと、
各時間ステップにおいて前記別の粒子状態計算装置から前記他領域仮想粒子の状態を示す情報を入力する他仮想粒子状態入力ステップと、
前記粒子状態計算ステップにおける計算に応じた情報を出力する出力ステップと、を含み、
前記粒子状態計算ステップにおいて、前記他仮想粒子情報入力ステップにおいて入力される前記他領域仮想粒子を特定する情報、及び前記他仮想粒子状態入力ステップにおいて入力された前記他領域仮想粒子の状態を示す情報を用いて粒子の状態を計算する粒子状態計算方法。
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