JP6049746B2 - 流体動的システムにおける流体とシステム境界との相互作用をモデル化するための方法及び装置 - Google Patents
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Description
本出願は、米国特許法第119条(e)項の下で、引用により全開示内容が本明細書中に組み込まれている2011年10月26日出願の「流体動的システムにおける流体とシステム境界との間の相互作用をモデル化するための方法及び装置(METHOD AND APPARATUS FOR MODELING INTERACTIONS OF THE FLUID WITH THE SYSTEM BOUNDARIES IN FLUID DYNAMIC SYSTEMS)」という名称の米国仮特許出願第61/551,590号の優先権を主張するものである。
(技術分野)
流体動的システムの分析は、流体とシステムと流体が流れる容積との間の複雑な相互関係の試験を含む。長い期間を経て、流体動的システムの分析方法は、実際の物理的モデルにおける流体の流れを観察する方法、例えば、カメラ、ストリーマ、及び特殊な照明などを利用する方法から、強力な計算流体力学(CFD)モデル化技術へと発展した。CFDは、静的システム及び過渡流体動的システムの特性を決定するために、それぞれの物理的関係の複雑な数値方程式及び多数の数学的表現の迅速かつ正確な解を提供する。CFDは、流体動的システムを表す方程式及び数学的表現(例えば、保存方程式など)の解に基づいているため、CFDは、流体動的システムの物理的プロトタイプを作成して試験する必要性を低減又は排除することができる。既存の現代CFDモデル及び技術により、実際の物理的モデルを構築又は使用してシミュレーションすることなく、変動システムパラメータ、例えば、特に、境界条件、流体特性、初期条件、及び燃料注入戦略に対して流体システムを迅速にシミュレーション及び分析することが可能となる。この迅速なシミュレーション及び分析により、正確で費用効率の高い流体動的システムのモデル化、デザイン、開発、及び分析が容易になる。
本発明の実施態様の例及びその潜在的な利点は、図1〜7の図面を参照することにより理解される。
埋め込み境界法(IBM)は、流体動的システムのモデル化及びシミュレーションに有用である。IBMの特徴及び特性は、システム境界におけるセルの変形又はセルの高密度化を用いることなく、これらの方法を簡単なデカルト計算メッシュに適合させることができる。上記のように、デカルト格子の軸が、定義により、互いに90度の角度をなしているため(図2に例示されている2次元でも、図1に例示されている3次元でも)、デカルトメッシュとして定義される流体動的システムの分析にIBMを適用することで、代表的な支配方程式を解く複雑さを軽減することができる。対照的に、幾何学的システム、例えば、共に、規則的なセルの形状を変形させて不規則なシステム境界に適合させることができる「物体適合」法又は「境界変形」法における幾何学的システムは、本質的により複雑なジオメトリに対してそれぞれの支配方程式の解を必要とする。これは、解くのにより長い時間を必要とし、より不正確になる可能性がある。不正確さの影響は、一般に、より小さいセルのサイズを指定することによって軽減することができるが、許容レベルの精度を得るためのセルのサイズの縮小によるメッシュの高密度化は、特に過渡システムの分析の文脈では、解く時間及び分析時間が許容できないほど長くなる。とは言え、本発明の実施態様における効率により、本発明の実施態様が、デカルトメッシュや格子システム、又は任意の特定のセル形状の利用に限定されるものではないことを理解されたい。実際、本発明の実施態様は、他の種類のジオメトリ、メッシュ、及びセルの形状を利用して、流体動的システムをモデル化し、評価することができる。
上記のように、流体システムの分析にデカルト計算メッシュを利用することにより、複雑さを軽減することができる。本発明の一実施態様では、計算分析は、以下に詳述されるように、「壁法則」の物理的原理と組み合わせてゴーストセル分析法を適用することによって対応して解決することができる。本発明の一実施態様では、「ゴーストセル」アプローチは、メッシュの定義のための埋め込み境界法と組みあせて利用して、これらの問題に対応して精度を向上させることができる。説明目的として、このアプローチを、まず2次元メッシュ表現に関連付けて説明する。ここで図2を参照すると、内燃機関の弁とシリンダの界面40の2次元の部分的表示が例示されている。メッシュ40は、x軸42及びy軸44を有する格子41を備え、シリンダ壁46、48及びマニホールド壁50によって部分的に画定された流体システムの内部45を示している。x軸とy軸は交差して、一般に各セル62によって示されている規則的な反復セルを画定している。本明細書の他の部分で述べられているように、保存方程式は、隣接するセル62の界面で解いて、隣接するセルの既知の特性に基づいて未知のセルにおける流体特性を決定することができる。説明目的として、吸気弁52は、開位置で示され、吸気マニホールド54から弁座56を経てシリンダ内部45に至る流路が形成されている。特に詳細領域60に示されているように、マニホールド壁50の曲率により、x軸42とy軸44によって形成されたセル62は、この曲率が格子41のセルの正方形の形状に整合しないため、詳細領域60で一部が切断されている。
「壁法則」の方法及び関数を利用して、システム境界の近傍の流体システムの特質を分析する。壁法則処理は、流体と境界の界面(即ち、「境界層の効果」)の領域における流速プロフィール及び熱力学特性の数学的決定及びモデル化を提供する。本発明の実施態様に関連付けて以下に詳述されるように、ゴーストセル処理と共に埋め込み境界メッシュ定義法を利用して、「壁法則」の関数を適用して流体システムの特性及び特質を決定するために、重要な入力パラメータ、例えば、検査体積を決定することができる。
本発明の様々な実施態様は、様々なハードウェア及び/又はソフトウェアモジュール並びにコンポーネントからなる装置において、個別に又はまとめて実施できることを理解されたい。例えば、このような装置は、互いに通信可能に接続されたプロセッサ、記憶装置、及びインターフェイスを備えることができ、デスクトップコンピュータ、サーバコンピュータ、及び/又はラップトップコンピュータから消費者の電子装置、例えば、携帯機器などまで幅がある。このような装置は、様々な媒体、入力装置、ネットワーク、又は本発明の様々な実施態様による他の入力手段からのデータ及び命令の該装置による読み取り及び受信を可能にする入力装置、周辺機器、及び他のコンポーネントを含み得る。しかしながら、本発明の範囲は、1つの特定の種類の装置に限定されるものではないことを理解されたい。
Claims (9)
- コンピュータで実施される方法であって;
流体システムのデータ表現を有するデータベースにアクセスするステップであって、該流体システムが、システム境界、複数の内部セル面を有する少なくとも1つの内部セル、及び複数のゴーストセル面を有する少なくとも1つのゴーストセルを備える、該ステップと;
少なくとも1つの内部セル及び少なくとも1つのゴーストセルの物理的体積の値及び物理的表面積の値を決定するステップと;
1つ以上の物理的体積の値に基づいて少なくとも1つの検査体積を得るステップと;
1つ以上の物理的表面積の値に基づいて少なくとも1つの検査表面積を得るステップと;
該流体システムを表す数学的保存方程式の対応する要素に、該少なくとも1つの検査体積及び該少なくとも1つの検査表面積の1つ以上を代入するステップと;
該数学的保存方程式の解に基づいて該流体システムのモデルを作成するステップとを含み、
さらに、少なくとも1つの内部セル及び少なくとも1つのゴーストセルが、共通のセル面を共有するように向き;
検査体積及び検査表面積が、ゴーストセルと共通のセル面を共有する各内部セルに対して得られ;
少なくとも1つの検査体積を得る前記ステップが、内部セルの物理的体積の値に、該内部セルが共通のセル面を共有する各ゴーストセルの物理的体積の値の一部を加えるステップを含み;かつ
このような各内部セルの検査表面積を得る該ステップが、このような各内部セルの物理的表面積の値に、このような内部セルが共通のセル面を共有する各ゴーストセルの物理的表面積の値の一部を加えるステップを含む、前記方法。 - 物理的体積の値を決定する前記ステップが、少なくとも1つの内部セル、又は前記システム境界によって切断される少なくとも1つのゴーストセルの形状を精緻化して、該物理的体積の値を再計算するステップを含み、かつ
物理的表面積の値を決定する前記ステップが、少なくとも1つの内部セル、又は該システム境界によって切断される少なくとも1つのゴーストセルの形状を精緻化して、該物理的表面積の値を再計算するステップを含む、請求項1記載の方法。 - 前記数学的保存方程式を解く演算が、「壁法則」の流体原理及び関数を適用するステップを含む、請求項1記載の方法。
- 装置であって、
流体システムのデータ表現を有するデータベースにアクセスするための手段であって、該流体システムが、システム境界、複数の内部セル面を有する少なくとも1つの内部セル、及び複数のゴーストセル面を有する少なくとも1つのゴーストセルを備える、該手段と;
少なくとも1つの内部セル及び少なくとも1つのゴーストセルの物理的体積の値及び物理的表面積の値を決定するための手段と;
1つ以上の物理的体積の値に基づいて少なくとも1つの検査体積を得るための手段と;
1つ以上の物理的表面積の値に基づいて少なくとも1つの検査表面積を得るための手段と;
該流体システムを表す数学的保存方程式の対応する要素に、該少なくとも1つの検査体積及び該少なくとも1つの検査表面積の1つ以上を代入するための手段と;
該数学的保存方程式の解に基づいて該流体システムのモデルを作成するための手段と、を備え、
少なくとも1つの内部セル及び少なくとも1つのゴーストセルが、共通のセル面を共有するように向き、
さらに、ゴーストセルと共通のセル面を共有する内部セルに対する検査体積及び検査表面積を得るための手段と;
内部セルの物理的体積の値に、このような内部セルが共通のセル面を共有する各ゴーストセルの物理的体積の値の一部を加えることによって、該内部セルの検査体積を得るための手段と;
内部セルの物理的表面積の値に、このような内部セルが共通のセル面を共有する各ゴーストセルの物理的表面積の値の一部を加えることによって、該内部セルの検査表面積を得るための手段と、を備える、前記装置。 - 前記数学的保存方程式を解くための前記手段が、「壁法則」の流体原理及び関数を適用するための手段を備える、請求項4記載の装置。
- 物理的体積の値を計算するための前記手段が、少なくとも1つの内部セル、又は前記システム境界によって切断される少なくとも1つのゴーストセルの形状を精緻化して、該物理的体積の値を再計算するための手段を含み、かつ
物理的表面積の値を計算するための前記手段が、少なくとも1つの内部セル、又は該システム境界によって切断される該少なくとも1つのゴーストセルの形状を精緻化して、該物理的表面積の値を再計算するための手段を含む、請求項4記載の装置。 - 装置であって、
少なくとも1つのプロセッサと;
コンピュータプログラムコードを含む少なくとも1つのメモリと、を備え、該少なくとも1つのメモリ及び該コンピュータプログラムコードが、該少なくとも1つのプロセッサを用いて、該装置に、少なくとも1つの以下のステップを実行するように構成され、該ステップが;
流体システムのデータ表現を有するデータベースにアクセスするステップであって、該流体システムが、システム境界、複数の内部セル面を有する少なくとも1つの内部セル、及び複数のゴーストセル面を有する少なくとも1つのゴーストセルを備える、該ステップ;
少なくとも1つの内部セル及び少なくとも1つのゴーストセルの物理的体積の値及び物理的表面積の値を決定するステップ;
1つ以上の物理的体積の値に基づいて少なくとも1つの検査体積を得るステップ;
1つ以上の物理的表面積の値に基づいて少なくとも1つの検査表面積を得るステップ;
該流体システムを表す数学的保存方程式の対応する要素に、該少なくとも1つの検査体積及び該少なくとも1つの検査表面積の1つ以上を代入するステップ;及び
該数学的保存方程式の解に基づいて該流体システムのモデルを作成するステップを含み、
少なくとも1つの内部セル及び少なくとも1つのゴーストセルが、共通のセル面を共有するように向き;
検査体積及び検査表面積が、ゴーストセルと共通のセル面を共有する各内部セルに対して得られ;
少なくとも1つの検査体積を得る前記ステップが、内部セルの物理的体積の値に、該内部セルが共通のセル面を共有する各ゴーストセルの物理的体積の値の一部を加えるステップを含み;かつ
このような各内部セルの検査表面積を得る該ステップが、このような各内部セルの物理的表面積の値に、このような内部セルが共通のセル面を共有する各ゴーストセルの物理的表面積の値の一部を加えるステップを含む、前記装置。 - 物理的体積の値を決定する前記ステップが、少なくとも1つの内部セル、又は前記システム境界によって切断される少なくとも1つのゴーストセルの形状を精緻化して、該物理的体積の値を再計算するステップを含み、かつ
物理的表面積の値を決定する前記ステップが、少なくとも1つの内部セル、又は該システム境界によって切断された少なくとも1つのゴーストセルの形状を精緻化して、該物理的表面積の値を再計算するステップを含む、請求項7記載の装置。 - 前記数学的保存方程式を解く演算が、「壁法則」の流体原理及び関数を適用するステップを含む、請求項7記載の装置。
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