JP6728366B2 - 多孔質媒体における流体の音響挙動に屈曲度の影響を含めるためのデータ処理方法 - Google Patents
多孔質媒体における流体の音響挙動に屈曲度の影響を含めるためのデータ処理方法 Download PDFInfo
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Description
本出願は、2016年1月13日に出願された「多孔質媒体における流体の音響挙動に屈曲度の影響を含めるためのデータ処理方法(A DATA PROCESSING METHOD FOR INCLUDING THE EFFECT OF THE TORTUOSITY ON THE ACOUSTIC BEHAVIOR OF A FLUID IN A POROUS MEDIUM)」という名称の米国本特許出願第14/994,943号に対する優先権を主張するものであり、この文献の内容は全体が引用により本明細書に組み入れられる。
統計物理学では、動力学方程式によっていわゆる「メゾスコピック」レベルで流体系を表現できることが周知である。このレベルでは、個々の粒子の詳細な動きを求める必要はない。むしろ、単一の粒子位相空間を用いて定められる粒子分布関数であるf=f(x、v、t)によって流体の特性が表され、ここでのxは空間座標であり、vは粒子速度座標である。質量、密度、流体速度及び温度などの典型的な流体力学量は、粒子分布関数の単純なモーメントである。粒子分布関数の動力学は、以下のボルツマン式に従い、
連続ボルツマン式を解くことは、位置及び速度位相空間における積分−微分方程式の数値評価を伴うという点で相当な挑戦となる。位置だけでなく速度位相空間も離散化できることが観察された時には大幅な単純化が行われ、ボルツマン式を解くための効率的な数値アルゴリズムがもたらされた。流体力学量は、せいぜい最近傍情報にしか依存しない単純和を用いて書くことができる。この式は、たとえこれまで格子ボルツマン式の公式化が速度の離散集合v(∈{ci,i=1,...,b})に応じた粒子の発達を規定する格子ガスモデルに基づいていたとしても、連続ボルツマン式の離散化である第1の原理から体系的に導き出すことができる。この結果、LBEは、格子ガス法に関連する周知の問題の影響を受けることがない。従って、位相空間における連続分布関数f(x,v,t)を取り上げる代わりに、離散速度指数を下付き文字で表す離散型分布の有限集合fi(x,t)を追跡しさえすればよい。巨視的記述の代わりにこの動力学方程式を取り上げる主な利点は、システムの増大した位相空間が問題の局所性によって相殺される点である。
音響工学では、多孔質材料による音響吸収、すなわち音響抵抗、音響インピーダンスなどが重要なテーマである。顕微鏡スケールでは、材料の位相幾何学的な複雑さに起因して、多孔質媒体における音の伝播を特性化することは困難である。巨視的スケールでは、空隙率の高い多孔質材料を、空気に対する修正特性を有する流体の領域として扱うことができる。このような媒体の音響伝播は、材料の2つの固有の周波数依存した容量特性の形である特性インピーダンス及び複素音波数(complex acoustic wave number)で表すことができる。これらの特性は、異なる形でモデル化することもできる。例えば、ある仮定の下では、吸収材料における音響伝播のための所与の容積モデルを、2つの異なる媒体間の境界面における局所的に反応する周波数依存した複素インピーダンスの形にすることができる。このようなインピーダンスモデルは、境界要素法(BEM)、有限要素法(FEM)及び統計的エネルギー解析(SEA)法などの方法において使用することができ、周波数領域の境界条件として実装することができる。
LBMベースの物理プロセスシミュレーションシステムでは、離散速度の集合ciにおいて評価される分布関数値fiによって流体流を表すことができる。分布関数の動力学は、以下の式4によって制御され、
は、以下のように定義される平衡分布関数として知られている。
Re=uL/v 式(5)
ci=(ci,x,ci,y,ci,z) 式(6)
S={Fα} 式(7)
ここでのαは、特定のファセットを列挙する指数である。ファセットはボクセル境界に制限されず、比較的少数のボクセルにファセットが影響を与えるように、典型的にはファセットに隣接するボクセルのサイズと同程度又はそれよりもわずかに小さなサイズを有する。ファセットには、表面動力学を実装する目的で特性が割り当てられる。具体的に言えば、各ファセットFαは、単位法線(nα)と、表面積(Aα)と、中心位置(xα)と、ファセットの表面動特性を表すファセット分布関数(fi(α))とを有する。
再び図3を参照すると、シミュレーション空間をモデル化したら(ステップ302)、1又は2以上のファセットの影響を受けるボクセルを識別する(ステップ304)。ボクセルは、複数の形でファセットの影響を受けることができる。まず、1又は2以上のファセットが交わるボクセルは、交わっていないボクセルに比べて容量が減少するという点で影響を受ける。この理由は、ファセットと、ファセットが表す表面の下にある材料とがボクセルの一部を占有するからである。分数係数(fractional factor)Pf(x)は、ファセットの影響を受けないボクセルの部分(すなわち、流れをシミュレートする対象である流体又は他の材料が占有できる部分)を示す。交わっていないボクセルでは、Pf(x)が1に等しい。
Viα=|cinα|Aα 式(8)
Γiα(x)=Ni(x)Viα(x) 式(9)
Viα=ΣVα(x)+ΣViα(β) 式(10)
ここでの第1の加算は、Giαが重なり合った全てのボクセルに相当し、第2の項は、Giαに交わる全てのファセットに相当する。平行六面体Giαに別のファセットが交わらない時には、この式が以下のように変形する。
Viα=ΣViα(x) 式(11)
1又は2以上のファセットの影響を受けるボクセルが識別されたら(ステップ304)、タイマを初期化してシミュレーションを開始する(ステップ306)。(本明細書では時間ステップとも呼ぶ)シミュレーションの各時間増分中には、粒子と表面ファセットとの相互作用を考慮した移流段階(ステップ308〜316)によってボクセルからボクセルへの粒子の移動をシミュレートする。次に、衝突段階(ステップ318)によって各ボクセル内の粒子の相互作用をシミュレートする。その後、タイマが増分される(ステップ320)。増分したタイマによってシミュレーションが完了した旨が示されない(ステップ322)場合には、移流段階と衝突段階と(ステップ308〜320)を繰り返す。増分したタイマによってシミュレーションが完了した旨が示された(ステップ322)場合には、シミュレーションの結果を記憶及び/又は表示する(ステップ324)。
表面との相互作用を正しくシミュレートするために、各ファセットは4つの境界条件を満たさなければならない。まず、ファセットが受け取った粒子の合計質量が、ファセットが移動させた粒子の合計質量に等しくなければならない(すなわち、ファセットへの正味質量流束がゼロに等しくなければならない)。次に、ファセットが受け取った粒子の合計エネルギーが、ファセットが移動させた粒子の合計エネルギーに等しくなければならない(すなわち、ファセットへの正味エネルギー流束がゼロに等しくなければならない)。これらの2つの条件は、各エネルギーレベル(すなわち、エネルギーレベル1及び2)での正味質量流束がゼロに等しくなるよう求めることによって満たすことができる。
粒子と表面との間の相互作用をシミュレートする最初のステップとして、ボクセルから粒子を集めてファセットに提供する(ステップ308)。上述したように、ボクセルN(x)とファセットFαとの間の状態iの粒子の流束は以下の通りである。
Γiα(x)=Ni(x)Viα(x) 式(12)
次に、粒子がファセット間を移動する(ステップ310)。ファセットFαが流入状態(cinα<0)にある平行六面体Giαに別のファセットFβが交わる場合、ファセットFαが受け取る状態iの粒子の一部はファセットFβから流入するようになる。具体的に言えば、ファセットFαは、前回の時間増分中にファセットFβによって生成された状態iの粒子の一部を受け取るようになる。この関係を図10に示しており、ここでは、ファセットFβが交わる平行六面体Giαの一部1000が、ファセットFαが交わる平行六面体Giβの一部1005に等しい。上述したように、交わった部分をViα(β)として示す。この項を用いて、ファセットFβとファセットFαとの間の状態iの粒子の流束を以下のように表すことができ、
Γiα(β,t−1)=Γi(β)Viα(β)/Viα 式(14)
ここでのΓi(β,t−1)は、前回の時間増分中にファセットFβによって生成された状態iの粒子の測定量である。この式から、各状態iがファセットFαの方を向いている(cinα<0の)場合、他のファセットによってファセットFαに提供される粒子の数は以下のようになり、
cinα<0の場合、以下のようになる。
Ni(α)=ΓiIN(α)/Viα 式(17)
cinα≧0の場合、
Ni(α)=ΓiOTHER(α)/V 式(18)
となり、ここでのΓiOTHER(α)は、上述したΓiIN(α)を生成するための手法を用いて、ただしこの手法を流入状態(cinα<0))以外の状態(cinα≧0)に適用して決定される。別の方法では、以前の時間ステップからのΓiOUT(α)の値を用いて以下のようにΓiOTHER(α)を生成することもできる。
ΓiOTHER(α,t)=ΓiOUT(α,t−1) 式(19)
次に、各ファセットが上述した4つの境界条件を満たすように表面動力学を実行する(ステップ312)。図11に、ファセットの表面動力学の実行手順を示す。最初に、ファセットにおける粒子の合計運動量P(α)を以下のように求めることによって、ファセットFαに垂直な合計運動量を求める(ステップ1105)。
全てのiについて、
Pn(α)=nα・P(α) 式(21)
ΔΓi(α)=ΓiIN(α)−Nn-βi(α)Viα 式(22)
nαci>0の場合、
ΓiOUT(α)=Nn-βi(α)Viα−.Δ.Γi*(α) 式(23)
となり、ここでのi*は、状態iとは逆方向を有する状態である。例えば、状態iが(1,1,0,0)である場合、状態i*は(−1,−1,0,0)である。流出流束分布は、表面摩擦及びその他の因子を考慮してさらに精緻化することができ、
nαci>0の場合、以下のようになり、
ΓiOUT(α)=Nn-βi(α)Viα−ΔΓi*(α)+
Cf(nα・ci)[Nn-Bi*(α)]Viα+
(nα・ci)(t1α・ci)ΔNj,1Viα+
(nα・ci)(t2α・ci)ΔNj,2Viα 式(24)
ここでのCfは、表面摩擦の関数であり、tiαは、nαに垂直な第1の接線ベクトルであり、t2αは、nαとtiαの両方に垂直な第2の接線ベクトルであり、ΔNj,1及びΔNj,2は、状態iのエネルギー(j)及び指示される接線ベクトルに対応する分布関数である。分布関数は、次式に従って決定され、
ΔΓi(α)=ΓiIN(α)−Nn-βi(α)Viα 式(28)
ΓiOUT(α)=Nn-βi(α)Viα−ΔΓi*(α)+Cf(nαci)[Nn-βi*(α)−Nn-βi(α)]Viα 式(29)
この式は、先の手法によって求めた流出流束分布の最初の2行に対応するが、異常な接線流束のための補正を必要としない。
cjinα>0の場合、以下のようになる。
cjinα>0の場合、以下のようになる。
ΓαjiOUTf=ΓαjiOUT+δΓαji 式(33)
この演算は、接線運動量流束をそのままにした状態で質量及びエネルギー流束を訂正する。ファセットの近傍において流れがおおよそ均一であって平衡に近い場合には、この調整はわずかなものである。結果として得られる調整後の法線運動量流束は、近傍の平均特性に近傍の非均一性又は非平衡特性に起因する補正をプラスしたものに基づく平衡圧である値へとわずかに変化する。
図3を参照すると、3次元直線格子に沿ってボクセル間で粒子を移動させる(ステップ314)。このボクセルからボクセルへの移動は、ファセットと相互作用しないボクセル(すなわち、表面付近に存在しないボクセル)に対して行われる唯一の移動操作である。典型的なシミュレーションでは、表面と相互作用するほど十分に表面近くに存在しないボクセルがボクセルの大多数を構成する。
次に、各ファセットからの流出粒子をボクセルに散乱させる(ステップ316)。基本的に、このステップは、ボクセルからファセットに粒子が移動する収集ステップの逆である。ファセットFαからボクセルN(x)に移動する状態iの粒子の数は以下のようになり、
最後に、流体力学を実行する(ステップ318)。このステップは、マイクロ動力学操作又はボクセル内操作と呼ぶことができる。同様に、移流手順は、ボクセル間操作と呼ぶことができる。後述するマイクロ動力学操作を用いて、ファセットにおける粒子を衝突させてボルツマン分布を生成することもできる。
図12を参照すると、(図6及び図7に示して上述した)可変分解能は、本明細書では粗ボクセル12000及び微小ボクセル1205と呼ぶ異なるサイズのボクセルを使用する。(以下の説明では、2つの異なるサイズを有するボクセルを参照するが、説明する手法を3又は4以上の異なるサイズのボクセルに適用してさらなる分解能レベルを提供することもできると理解されたい。)粗ボクセルの領域と微小ボクセルの領域との間の境界面は、可変分解能(VR)境界面1210と呼ぶ。
Viα=|cinα|Aα 式(37)
一般に、多孔質媒体(PM)を通る流体流の抵抗は、2地点間の圧力降下が流速「ρu」と2地点間の距離Lとに比例することを唱えるダルシーの法則によって表され、
p2−p1=σLρu
ここでの「σ」はPMの抵抗率である。多孔率(0〜1)をPMの孔の容積率として定義した場合に1に近い高多孔率ФのPMを通る流れでは、一般にPMと流体との間の境界面における流れの詳細は無視することができる。しかしながら、低多孔率のPMでは、流量音響学などの特定のタイプの応用については界面効果が有意になる場合がある。
h12は、p1とp2との間の複素伝達関数であり、波数k=ω/c0=2πf/c0である。この式から音響抵抗、リアクタンス及び吸収係数を求めて半経験的モデル及び実験結果と比較する。
表1
1.衝突
3.移流
4.局所力項gi(x,t)を加算
5.t+Δtにおける質量、運動量及び温度を計算
6.最新の温度を用いて新たな力項gi(x,t+Δt)を評価
7.全ての移動状態にわたってgi(x,t+Δt)−gi(x,t)の差分を合計し、この合計を停止状態に加算して合計質量を保存
8.ステップ1〜7を繰り返す
2704 モデルの時間変数を再スケーリング
2706 音響挙動をシミュレート
Claims (12)
- データ処理装置が実行する、多孔質材料における流体の音響挙動に対する前記多孔質材料の屈曲度の影響を表すデータを処理する方法であって、
前記データ処理装置のデータ処理プログラムが、前記多孔質材料における前記流体の屈曲度の影響を含む音響挙動のモデルであって前記流体の音速を示す時間変数を含むモデルを生成するステップと、
前記多孔質材料における前記流体の前記音速に基づいて前記モデルの前記時間変数を再スケーリングするステップと、
前記モデル内の前記時間変数の前記再スケーリングに基づいて、前記多孔質材料の前記屈曲度の影響を含む前記音響挙動をシミュレートするステップと、
を含むことを特徴とする方法。 - 前記多孔質材料の前記屈曲度の前記影響を含む前記モデル内の音響挙動を決定するステップをさらに含む、
請求項1に記載の方法。 - 前記音響挙動は、音波の消失及び伝播を含む、
請求項2に記載の方法。 - 前記時間変数を再スケーリングするステップは、1つのシミュレーション時間ステップによって表される時間を調整するステップを含む、
請求項1に記載の方法。 - 前記音響挙動をシミュレートするステップは、前記多孔質材料を通る又は該多孔質材料内の流体流をシミュレートするステップを含む、
請求項1に記載の方法。 - 前記モデルは、前記多孔質材料の音響損失を考慮した運動量シンクを含む、
請求項1に記載の方法。 - 前記時間変数を再スケーリングするステップは、前記流体の公称音速と、前記多孔質材料における前記流体の前記音速とに基づく、
請求項1に記載の方法。 - 前記流体は要素によって表され、該要素は、前記流体内の質量、密度、運動量、圧力、速度、温度、エネルギー、質量流束、運動量流束及びエネルギー流束のうちの1つ又は2つ以上を含む、
請求項1に記載の方法。 - 前記時間変数を再スケーリングするステップは、前記モデルの温度を再スケーリングするステップを含む、
請求項1に記載の方法。 - 前記時間変数を再スケーリングするステップは、前記モデルの圧力を再スケーリングするステップをさらに含む、
請求項9に記載の方法。 - 前記時間変数を再スケーリングするステップは、前記流体の速度を再スケーリングするステップをさらに含む、
請求項9に記載の方法。 - 前記時間変数を再スケーリングするステップは、前記多孔質材料の抵抗を再スケーリングするステップをさらに含む、
請求項9に記載の方法。
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