JP6372119B2 - マルチコンポーネントコンピュータ流体力学シミュレーション - Google Patents
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Description
・ソルバーレベルで、一体的方法でモデルを扱うことは、通常、高度に並列化された現在の及び次世代のコンピューティングプラットフォームにより必要とされる並列化レベルの必須レベルを提供しない。さらに、異機種環境システムは、膨大な通信量が必要とされるので、効率的に利用できない。
・異なるシミュレーション毎に計算用メッシュを再生成する必要。
・大規模な機械での、特に異機種環境アーキテクチャを有する機械での、ソルバーの非効率性。
1)ライブラリ生成コンポーネントC1
2)GUIに基づくモデル生成コンポーネントC2
3)スマートスケジューラに基づくソルバーコンポーネントC3。
・このステップは、コンポーネントについて一回のみ実行されなければならない。
・各コンポーネントの全ての特性は、形状と共にライブラリに保存される。
・メッシュ分解能、周囲の空気の量、特性等の形式の専門知識は、コンポーネントライブラリに蓄積される。
・メッシュ化が必要ない。
・特性(例えば、材料、内部境界条件、等)を設定する必要がない。しかしながら、これらは、必要に応じてユーザにより更新できる。
・生成されたモデルは、それ自体、コンポーネントライブラリにコンポーネントとして追加できる。
本発明の1つの特定の実施形態は、コンポーネントライブラリ(データベース)生成に関連する。これは、マルチコンポーネントCFDシステムの最初の段階である。コンポーネントライブラリは、処理されメッシュ化されたCADコンポーネントから生成される。図2及び図3に示した例を生成するために、コンポーネントライブラリ内で4種類のコンポーネントが提示される必要がある。つまり、PSUコンポーネント、メモリモジュールコンポーネント、放熱板コンポーネント、及びマザーボードコンポーネントである。
1)処理は、サポートされるCADフォーマット(例えば、STEP、IGES)内のコンポーネントのCADモデルで開始する。
2)ステップS50で、所望の厚み(ユーザにより選択されるか、又はシステム規定である)の空気領域がコンポーネントに追加される。留意すべきことに、通常、特定のコンポーネントの各方向にどれ位の空気が必要かを決定する専門知識が必要とされ、この段階でそれを追加することにより、この知識は、コンポーネント毎にライブラリ内にキャプチャされる。
3)ステップS60で、前のステップで追加されたコンポーネント及び周囲空気を構成するメッシュが生成される。このステップは専門知識を必要とする。図9から分かるように、コンポーネント自体は、周囲空気領域よりも精細なメッシュを有する。
4)設定される特性は、コンポーネントについて設定される。
b.内部境界条件(後の段階で作動され得る)
c.熱源の導入のような特定の熱特性
d.ファン及び同様の部品の流速
e.気孔率
f.その他。
・ライブラリの概念は、コンポーネント毎に、形状及びシミュレーションに必要な全ての特性の両方を有する。
・要素を追加する手順。
以下の例は、X、Y、Z座標でシミュレーション領域を表す。X及びY座標は、マザーボードの水平範囲(又は全体の空気領域、又はシミュレーション領域のX及びY範囲を定める他の基本コンポーネント)を表し得る。
本発明の別の特定の実施形態は、GUIを用いたモデル生成に関する。
・コンポーネントライブラリビューは、ライブラリ内で利用可能なコンポーネントを示す。コンポーネントは、2つのカテゴリ、つまり基本とコンポーネントとに分けられる。基本は、変化しない(又はあまり頻繁に変化しない)モデルの部分である。コンポーネントは、位置及び構成がシミュレーション毎に大きく変化する小さいコンポーネントである。留意すべきことに、シミュレーション領域のサイズに等しいサイズの空気部分も基本として動作し得る。
・選択されたコンポーネントビューは、モデル、周囲空気、及び現在選択されているライブラリ内のコンポーネントに関連する他の特性を示す。
・完成モデルビューは、全てのコンポーネントがそれらの指定位置にあり周囲空気領域と一緒にあるモデル全体を示す。
ステップS80で、ユーザは、GUIを用いて、コンポーネントライブラリビュー内のコンポーネントらいからコンポーネントを選択する。コンポーネントを選択すると、モデル(周囲空気ゾーンを含む)が、選択されたコンポーネントビューに表示される。この処理を図12に示す。
ステップS80でコンポーネントを選択した後に、ステップS90で、ユーザは、コンポーネントが配置される場所、及び必要に応じて関連する回転を指定する。これがどのように見えるかの一例を図13に示す。
コンポーネントを配置し又は変更すると、ステップS100で、システムは、新しい又は変更されたコンポーネントと、既に存在するコンポーネントとの間の共通部分を計算する。他の共通部分のルールも追加で又は代替で実施されても良いが、幾つかの可能なルールは次の通りである。
・固体の共通部分がない。2以上のコンポーネントの固体部分が交差することを許容しない(交差する場合には、ユーザにエラーメッセージが示される)。
・トリミング。X及びY方向のシミュレーション領域の境界の外側の空気領域が除去される(図14に一例を示す)。
・合併。シミュレーション領域は、全てのコンポーネントの空気領域を含むためにZ方向に自動的に拡張される(図15に一例を示す)。
・警告。システムは、部品の境界がシミュレーション領域の境界を越えた場合に、ユーザに警告できる。
新しい/更新されたコンポーネントと前のコンポーネントとの間の共通部分が計算された後に、ステップS110で、GUIは更新され、現在からの完成モデルビューが更新された完成モデルを示すようにする。
上述のステップは、ユーザが追加又は変更すべきコンポーネントが存在しないと決定するまで、繰り返す。
ユーザが、追加すべきコンポーネントがもう存在しないと決定した後に、シミュレートされるべきモデルに必要なデータが生成され、ソルバー段階により読み取り可能なフォーマットで保存される。後述のように、初期微調整処理があっても良い。
・コンポーネント分割。非常に大きなコンポーネントは、2以上のセクションに分けられ、利用可能な並列化の量を増大させる。コンポーネント及びその周りの空気領域は、従来知られているメッシュパーティショニングアルゴリズムを用いて分割される。図16は、この動作の一例を示す。ユーザは、この段階で又は処理のもっと早い段階で、例えば特定の手動入力を用いることにより又は全体のサイズ閾を定めることにより、どんなサイズの又はどんな種類のコンポーネントがメッシュパーティショニングをトリガするかを定めても良い。
・コンポーネントマージ。互いに近くに配置された小さなコンポーネントは、1つの大きなコンポーネントに結合できる。この動作の利点は、間接的なソルバーが用いられるとき、収束の必要な接合部分が少ないので、より速い収束である。さらに、計算上の観点から、より大きなコンポーネントは、通常、GPUのような幾つかのアクセラレータでより良い性能をもたらす。コンポーネントマージは、従来知られているメッシュマージアルゴリズムを用いて元のコンポーネントの周りの空気領域を拡張し及び結合することにより実現される。図17は、この動作の一例を示す。コンポーネントマージは、コンポーネント近接性により、単純な例では隣接するコンポーネントの空気領域の重なり合いにより、トリガされ得る。
・GUI。
・コンポーネントに対して実行される動作。
ライブラリの概念は、GUIを有しないで用いられる。しかしながら、ユーザがライブラリからのコンポーネントを用いてモデルを作成できる特定の方法が常に存在しなければならない。これを行う最良且つ最も簡単な方法はGUIを介するかも知れないが、バッチ型システムを用いることも可能である。例えば、ユーザは、実行されるべき動作(例えば、コンポーネント#25を選択し、位置(1,1,4)に配置し、X軸に対して45度だけ回転する)を有するスクリプトを提供し得る。これは、非常に時間のかかる作業だが、幾つかの環境(例えば、非常に小さな変化を有する広範な製品を作成する)では適切であり得る。
本発明の更なる特定の実施形態は、ソルバーステップに関する。ソルバーステップは、マルチコンポーネントアプローチに従い得る。ソルバーステップでは、CFDソルバーの1インスタンスが、1コンポーネント又は1コンポーネントグループのみをシミュレートする。これは、1つのソルバーインスタンスがモデル全体をシミュレートするために用いられる従来のアプローチとは異なる。
スケジューラは、複数のソルバーインスタンスを管理する。各ソルバーは、直列又は並列に実行できる独立コードとして扱われる。スケジューラは、同一又は異なるCDFソルバーコードの複数のインスタンスを開始及び終了し、個々のソルバー間のデータ交換を仲介する。
・平坦型スケジューラ。全てのソルバーが同じレベルに存在する。
・階層型スケジューラ。ソルバーはツリーのように体系化される。
カプラコンポーネントは、コンポーネント間のデータ転送を扱う。異なるメッシュ間でデータを転送するために、標準的な補間手順が用いられる。さらに、収束の速度を上げるために、FETIのような高機能結合アルゴリズムが用いられ得る。
・基本メッシュ→コンポーネントメッシュ
フローステップが実行される前に、基本ソルバー(通常、粗メッシュで動作する)に関連するグリッドからのデータがコンポーネントソルバー(通常、精細メッシュで動作する)に関連するグリッドへ転送される。
・コンポーネント境界は、基本メッシュのフローフィールドから境界データを要求する。
・コンポーネントメッシュ→基本メッシュ
フローステップが終了した後に、コンポーネントに関連するメッシュからのデータは、基本ソルバーに関連するメッシュへ転送される。
・コンポーネント内部フローフィールドデータ(体積全体)は、基本メッシュへ転送され戻される。
・スケジューラ。
特定のソルバー方法が常に必要とされる。基本的に、以下の3つのアプローチが取られる。
1)マルチコンポーネントアプローチ(上述した)。
2)Overtureソルバーのような既存の(しかし特定の高機能な)一体的ソルバーを用いる重なり合い又は埋め込み(つまり、組み立て)メッシュアプローチ。
3)コンポーネントメッシュが単一の一体的メッシュに編成される(マージされる)場合、一体的アプローチ(つまり、標準的なソルバー)を用いるこれは、少なくとも多面体(固体形状)型メッシュについて可能である。
有限数のコンポーネントを有するモデルに繰り返しCFDシミュレーションを実行するとき、上述の本発明の実施形態は、従来のCFDシステムに対して以下の主な利点のうちの一部又は全部を有し得る。
・どれだけ多くのモデルがシミュレートされるかに関わらず、各コンポーネントは1回のみメッシュ化される必要があるだけである。これは、有意な時間の節約をもたらす。
・専門知識はコンポーネント特性の形式でコンポーネントライブラリにキャプチャされるので、システムは、経験の少ないユーザ(例えば、設計者)により使用できる。
・各コンポーネントは独立してメッシュ化されるので、メッシュ化の複雑性が低減される。
・メッシュ化段階でしばしば要求される手動操作はもはや必要ないので(全てのコンポーネントは正しい分解能で1回のみメッシュ化される)、モデル生成段階の自動化が高まる。
・複数のソルバーインスタンスが並列に実行されるので、ソルバー段階の並列化の程度が増大される。このように、直列CFDソルバーが用いられるときでさえ、並列計算が可能である。
・モデルを全体ではなく1回に1部分をシミュレートすることにより、(計算時間のコストは増大するが)限られたコンピュータ資源で複雑なモデルがシミュレートできる。
・アクセラレータへ/からの通信を減少させることにより、異機種環境アーキテクチャが効率的に生かされる。
30 GUI
50 カプラ
60 CFDソルバー
100 CADモデル
200 コンポーネントライブラリ
Claims (6)
- 複数の個別のコンポーネントを有する製品のためのコンピュータ流体力学(Computational Fluid Dynamics:CFD)シミュレーションの方法であって、前記方法は、
既知のコンポーネントのライブラリを生成するステップであって、前記ライブラリは、前記コンポーネントのコンポーネント形状とシミュレーションに必要なモデル化特性を含み、前記コンポーネントは前記ライブラリ内で個々にメッシュ化される、ステップと、
グラフィカルユーザインタフェース(GUI)を用いて、前記ライブラリからの複数のコンポーネントを選択し所望の構成に配置して、製品のCFDモデルを生成するステップと、
前記モデルをCFDシミュレーションするステップであって、前記製品内の前記コンポーネントに従う前記製品の分割に基づき提供される複数のソルバーを用い、各ソルバーは、少なくとも1つのコンポーネントの一部又は全部を有するコンポーネントグループをモデル化し、スケジューラが各ソルバーの動作の時間及び前記ソルバー間のデータ交換を管理し、前記スケジューラは、前記コンポーネントをグループ化しデータ交換が行われる前に少なくとも1グループを収束させる階層型スケジューラである、ステップと、
を有する方法。 - 前記スケジューラは、前記ソルバー間のデータ交換をトリガする前に、複数のソルバーの各々について1回の反復を行う、請求項1に記載の方法。
- 各ソルバーは、前記製品内の最大のコンポーネントを解決する基本ソルバー、又は前記製品内の残りのコンポーネントを解決するコンポーネントソルバーであり、望ましくは、前記データ交換は、各コンポーネントソルバーと前記基本ソルバーとの間で行われる、請求項1に記載の方法。
- 前記基本ソルバーは、境界条件を各コンポーネントソルバーへ転送し、各コンポーネントソルバーは、自身の全体の体積のデータを前記基本ソルバーへ転送する、請求項3に記載の方法。
- 前記基本ソルバーは、コンポーネントグループの部分ではなく、データ交換の前に1回の反復を実行する別個のソルバーを有する、請求項3又は4に記載の方法。
- 複数の個々のコンポーネントを有する製品のコンピュータ流体力学(Computational Fluid Dynamics:CFD)シミュレーションの方法を実施するよう構成されるコンピューティングシステムであって、前記システムは、
既知のコンポーネントのライブラリを生成し前記ライブラリをデータベースに格納するよう構成されるライブラリプロセッサであって、前記ライブラリは、前記既知のコンポーネントのコンポーネント形状と、シミュレーションに必要なモデル化特性とを有し、前記コンポーネントは、前記ライブラリ内で個々にメッシュ化される、ライブラリプロセッサと、
製品のCFDモデルを生成するために、ユーザに前記ライブラリから複数のコンポーネントを選択し所望の構成に配置させるよう構成されるGUIと、
スケジューラとカプラとを有するCFDシミュレータと、
を有し、
前記スケジューラは、前記製品内の前記コンポーネントに従う前記製品の分割に基づき提供される複数のソルバーの動作の時間を管理するよう構成され、各ソルバーは、少なくとも1つのコンポーネントの一部又は全部を有するコンポーネントグループをモデル化し、
前記スケジューラは、前記カプラを用いて前記ソルバー間のデータ交換も管理し、前記コンポーネントをグループ化しデータ交換が行われる前に少なくとも1グループを収束させる階層型スケジューラである、
を有するコンピューティングシステム。
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