JP7102741B2 - Fluid analyzer, fluid analysis method, and fluid analysis program - Google Patents
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本発明は、流体解析装置、流体解析方法、及び流体解析プログラムに関する。 The present invention relates to a fluid analyzer, a fluid analysis method, and a fluid analysis program.
従来よりコンピュータによって流体の流れを数値解析する数値流体力学(CFD:Computational Fluid Dynamics)を用いた技術が知られている。例えば、固体モデルと、有限要素でモデル化した流体モデルとを用いて、流体の流れを解析するにあたって、流体モデルのせん断応力を求める技術が提案されている(例えば、特許文献1参照)。この技術では、直交格子法の一例であるImmersed boundary(IB)法に基づき、ナビエ・ストークス(Navier・Stokes)の式により流体モデルの運動を表している。そして、固体モデルと流体モデルとの境界に作用する流体モデルのせん断応力を求めている。この境界上のせん断応力を算出する際には、流体領域の要素の重心点の情報を用いて、境界上の点から流体領域へ延ばした垂線上の点に速度を補間し、その値を用いて境界内側(物体内部)の計算格子に仮想的な速度を外挿し、その値を参照して流れ場を計算する。 Conventionally, a technique using computational fluid dynamics (CFD) for numerically analyzing a fluid flow by a computer has been known. For example, a technique for obtaining the shear stress of a fluid model in analyzing a fluid flow using a solid model and a fluid model modeled with finite elements has been proposed (see, for example, Patent Document 1). In this technique, the motion of a fluid model is represented by the Navier-Stokes equation based on the Immersed particle (IB) method, which is an example of the orthogonal lattice method. Then, the shear stress of the fluid model acting on the boundary between the solid model and the fluid model is obtained. When calculating the shear stress on this boundary, the velocity is interpolated from the point on the boundary to the point on the perpendicular line extending from the point on the boundary using the information of the center of gravity of the element in the fluid region, and the value is used. The virtual velocity is extrapolated to the calculation grid inside the boundary (inside the object), and the flow field is calculated by referring to the value.
また、自動車や鉄道車両などの対象物に対する遮蔽板の流体力学的な影響を解析するため、計算格子中で物体が占める固体体積率を用いて流体と境界の速度差が0となるような仮想流体力を求め、求めた仮想流体力を用いて物体形状を表現する技術が提案されている(例えば、特許文献2参照)。この技術では、境界近傍の計算格子では速度を補間して求めている。 In addition, in order to analyze the hydrodynamic effect of the shielding plate on an object such as an automobile or a railroad vehicle, a virtual value such that the velocity difference between the fluid and the boundary becomes 0 using the solid volume ratio occupied by the object in the calculation grid. A technique has been proposed in which a fluid force is obtained and an object shape is expressed by using the obtained virtual fluid force (see, for example, Patent Document 2). In this technique, the velocity is interpolated in the calculation grid near the boundary.
さらに流体と剛体の連成シミュレーションを簡易的に行う技術が提案されている(例えば、特許文献3参照)。この技術では、剛体の形状データをもとに計算格子に含まれる固体体積率を計算し、計算された固体体積率の値に基づいて剛体領域の計算格子に剛体運動の速度を付加し、流れ場を計算する。 Further, a technique for simply performing a coupled simulation of a fluid and a rigid body has been proposed (see, for example, Patent Document 3). In this technique, the solid volume ratio included in the calculation grid is calculated based on the shape data of the rigid body, and the velocity of the rigid body motion is added to the calculation grid in the rigid body region based on the calculated solid volume ratio value, and the flow Calculate the field.
しかしながら、特許文献1の技術では、境界の内側の計算格子に流速を補間し、境界に隣接した計算格子でも境界から離れた計算格子と同じように式を離散化するが、補間操作に三次元の高次式を用いなければならず、外挿アルゴリズムが複雑になり、計算負荷が増大する。また、せん断応力の算出に流れ場の情報を用いた境界上の速度勾配を用いるが、得られる速度勾配は法線方向の勾配のみであり、境界上の三次元方向の速度勾配を求めることは困難である。特許文献2の技術は、計算格子中で物体が占める固体体積率を用いて仮想流体力を算出するため、実際の境界近傍における流れ場を扱うものではなく、境界近傍の流れ場の計算精度は低下する。特許文献3の技術も、固体体積率から剛体領域の計算格子を判定し、その計算格子に剛体運動から求まる速度を付加するため、実際の境界近傍における流れ場を扱うものではなく、境界近傍の流れ場の計算精度は低下する。従って、計算負荷を抑制しつつ簡単な構成で、高精度に流体の流れを解析する流体解析装置を提供することには改善の余地がある。
However, in the technique of
本発明は、上記事実を考慮してなされたもので、計算負荷を抑制しつつ簡単な構成で、高精度に流体の流れを解析することができる流体解析装置、流体解析方法、及び流体解析プログラムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above facts, and is a fluid analyzer, a fluid analysis method, and a fluid analysis program capable of analyzing a fluid flow with high accuracy with a simple configuration while suppressing a calculation load. The purpose is to provide.
上記目的を達成するために、本発明の流体解析装置は、
物体と、前記物体の周囲に流れ、かつ粘度が空間的に変化する流体と、を含む空間を前記物体と前記流体との境界に一致せず、かつ直交する複数の格子線により複数の要素で分割した数値計算対象モデルを定義するモデル定義部と、
前記モデル定義部で定義された数値計算対象モデルを用いて予め定めた方向に連続する前記境界を含む複数の要素各々における情報に基づいて、前記境界の予め定めた方向の流体の流れに関係する前記流体の速度勾配を示す第1の物理量を、前記複数の格子線によりなる格子の中心点又は重心点から前記境界までの距離を用いて演算する第1演算部と、
前記第1演算部で演算された前記第1の物理量に基づいて、前記境界の前記予め定めた方向と交差する方向の流体の流れに関係する前記流体の速度勾配を示す第2の物理量を、前記第1の物理量と前記境界で成立する予め定めた速度勾配に関する関係式とを用いて演算する第2演算部と、
前記第1演算部で演算された前記第1の物理量、及び前記第2演算部で演算された前記第2の物理量に基づいて、前記境界を含む予め定めた注目領域を流れる前記流体の挙動を導出する導出部と、
を備えている。
In order to achieve the above object, the fluid analyzer of the present invention
A space including an object and a fluid that flows around the object and whose viscosity changes spatially is composed of a plurality of elements by a plurality of lattice lines that do not coincide with the boundary between the object and the fluid and are orthogonal to each other . The model definition part that defines the divided numerical calculation target model, and
It is related to the flow of fluid in the predetermined direction of the boundary based on the information in each of the plurality of elements including the boundary continuous in the predetermined direction using the numerical calculation target model defined in the model definition unit. A first calculation unit that calculates a first physical quantity indicating the velocity gradient of the fluid using the distance from the center point or the center of gravity point of the grid composed of the plurality of grid lines to the boundary .
Based on the first physical quantity calculated by the first calculation unit, a second physical quantity indicating the velocity gradient of the fluid related to the flow of the fluid in the direction intersecting the predetermined direction of the boundary is obtained . A second calculation unit that calculates using the first physical quantity and a relational expression relating to a predetermined velocity gradient that holds at the boundary .
Based on the first physical quantity calculated by the first calculation unit and the second physical quantity calculated by the second calculation unit, the behavior of the fluid flowing in a predetermined region of interest including the boundary is described. The derivation part to be derived and
It has.
本発明の流体解析装置によれば、第1演算部は、空間を複数の要素で分割して定義された数値計算対象モデルを用いて予め定めた方向に連続する物体と流体との境界を含む複数の要素各々における情報に基づいて、境界の予め定めた方向の流体の流れに関係する第1の物理量を演算する。第2演算部は、第1演算部で演算された第1の物理量に基づいて、境界の予め定めた方向と交差する方向の流体の流れに関係する第2の物理量を演算する。導出部は、第1の物理量、及び第2の物理量に基づいて、境界を含む予め定めた注目領域を流れる流体の挙動を導出する。このように、境界の予め定めた方向の流体の流れに関係する第1の物理量に基づき交差する方向の流体の流れに関係する第2の物理量を演算するので、計算負荷を抑制しつつ簡単な構成で、高精度に流体の流れを解析することができる。 According to the fluid analysis apparatus of the present invention, the first calculation unit includes a boundary between an object and a fluid that are continuous in a predetermined direction using a numerical calculation target model defined by dividing a space by a plurality of elements. Based on the information in each of the plurality of elements, the first physical quantity related to the flow of the fluid in the predetermined direction of the boundary is calculated. The second calculation unit calculates a second physical quantity related to the flow of the fluid in the direction intersecting the predetermined direction of the boundary based on the first physical quantity calculated by the first calculation unit. The derivation unit derives the behavior of the fluid flowing in the predetermined region of interest including the boundary based on the first physical quantity and the second physical quantity. In this way, since the second physical quantity related to the fluid flow in the intersecting direction is calculated based on the first physical quantity related to the fluid flow in the predetermined direction of the boundary, it is easy while suppressing the calculation load. With the configuration, the fluid flow can be analyzed with high accuracy.
前記第1の物理量及び第2の物理量は、流体の速度勾配である。流体の挙動を正しく捉えるためには、境界の近傍においても流体の運動方程式に基づいて、流体の速度を特定することが好ましい。そのためには、境界近傍の流体の速度を求める際に、境界上における流体の速度勾配を用いることが好ましい。
The first physical quantity and the second physical quantity are velocity gradients of the fluid . In order to correctly grasp the behavior of the fluid , it is preferable to specify the velocity of the fluid based on the equation of motion of the fluid even in the vicinity of the boundary. For that purpose, it is preferable to use the velocity gradient of the fluid on the boundary when determining the velocity of the fluid near the boundary.
前記数値計算対象モデルは、直交する複数の格子線により複数の要素で分割されて定義される。数値計算対象モデルは数値計算による解析を容易に行うことができ、かつ物体及び流体の領域を的確に表現することが好ましい。そこで、数値計算対象モデルを、直交する複数の格子線により複数の要素で分割して定義することで、各領域を容易に扱うことができる。
なお、前記第1演算部は、前記第1の物理量を、
(I、J)を複数の格子線により分割される要素の前記予め定めた方向の位置及び前記予め定めた方向と交差する方向の位置とし、予め定めた方向をx方向とし、bを(I、J)の位置の要素における中心点又は重心点を通る前記予め定めた方向の直線と前記境界との交点であることを示す情報とし、前記x方向の流体の速度勾配を(∂u
i
/∂x)
b
とし、流速のx成分をuとし、Δxを要素のx方向の幅とし、ε
x
を格子の中心点又は重心点から前記境界までの幅をΔxで正規化した情報とするとき、
で表される式を用いて演算することができる。
また、前記第2演算部は、前記第2の物理量を、
予め定めた方向と交差する方向をy方向とz方向とし、前記y方向と前記z方向の流体の速度勾配を(∂u/∂y)
b
と(∂u/∂z)
b
とし、前記境界における接線方向の単位ベクトルをsとt、前記物体が運動する際の回転角速度ベクトルをωとするとき、
で表される式を用いて演算することができる。
The numerical calculation target model is defined by being divided into a plurality of elements by a plurality of orthogonal grid lines . It is preferable that the model to be numerically calculated can be easily analyzed by numerical calculation and accurately represents the regions of an object and a fluid. Therefore, each region can be easily handled by defining the model to be calculated numerically by dividing it into a plurality of elements by a plurality of orthogonal grid lines.
The first calculation unit uses the first physical quantity.
(I, J) is the position of the element divided by the plurality of grid lines in the predetermined direction and the position in the direction intersecting the predetermined direction, the predetermined direction is the x direction, and b is (I). , J) Information indicating that it is the intersection of the straight line in the predetermined direction passing through the center point or the center of gravity point and the boundary, and the velocity gradient of the fluid in the x direction is (∂u i / ). When ∂x) b , the x component of the flow velocity is u, Δx is the width of the element in the x direction, and ε x is the information obtained by normalizing the width from the center point or center of gravity of the lattice to the boundary with Δx. ,
It can be calculated using the formula represented by.
In addition, the second calculation unit calculates the second physical quantity.
The directions that intersect the predetermined directions are the y and z directions, and the velocity gradients of the fluids in the y and z directions are (∂u / ∂y) b and (∂u / ∂z) b , and the boundary is defined. When the unit vector in the tangential direction in is s and t, and the rotation angle velocity vector when the object moves is ω,
It can be calculated using the formula represented by.
前記予め定めた方向と交差する方向は、相互に直交し、かつ各々前記予め定めた方向と直交する2方向である。
流体の流れを把握するには流体の流れに関する3次元方向の速度成分を特定することが好ましい。そこで、予め定めた方向の速度勾配に加えて、相互に直交し、かつ各々前記予め定めた方向と直交する2方向の速度勾配を利用することにより、流体の流れの3次元方向の速度成分を的確に把握することができる。
The directions that intersect the predetermined directions are two directions that are orthogonal to each other and are orthogonal to the predetermined directions.
In order to grasp the flow of the fluid, it is preferable to specify the velocity component in the three-dimensional direction regarding the flow of the fluid. Therefore, in addition to the velocity gradients in the predetermined directions, the velocity components in the three-dimensional directions of the fluid flow are obtained by using the velocity gradients in the two directions orthogonal to each other and orthogonal to the predetermined directions. It can be grasped accurately.
本発明の流体解析方法は、
コンピュータが、
物体と、前記物体の周囲に流れ、かつ粘度が空間的に変化する流体と、を含む空間を前記物体と前記流体との境界に非適合で、かつ直交する複数の格子線により複数の要素で分割して定義された数値計算対象モデルを用いて予め定めた方向に連続する前記境界を含む複数の要素各々における情報に基づいて、前記境界の予め定めた方向の流体の流れに関係する前記流体の速度勾配を示す第1の物理量を、前記複数の格子線によりなる格子の中心点又は重心点から前記境界までの距離を用いて演算し、
演算された前記第1の物理量に基づいて、前記境界の前記予め定めた方向と交差する方向の流体の流れに関係する前記流体の速度勾配を示す第2の物理量を、前記第1の物理量と前記境界で成立する予め定めた速度勾配に関する関係式とを用いて演算し、
演算された前記第1の物理量、及び演算された前記第2の物理量に基づいて、前記境界を含む予め定めた注目領域を流れる前記流体の挙動を導出する。
The fluid analysis method of the present invention
The computer
A space containing an object and a fluid that flows around the object and whose viscosity changes spatially is incompatible with the boundary between the object and the fluid, and is composed of a plurality of elements by a plurality of orthogonal grid lines . The fluid related to the flow of the fluid in the predetermined direction of the boundary based on the information in each of the plurality of elements including the boundary continuous in the predetermined direction using the divided and defined numerical calculation target model. The first physical quantity indicating the velocity gradient of is calculated by using the distance from the center point or the center of gravity point of the lattice composed of the plurality of lattice lines to the boundary .
Based on the calculated first physical quantity, the second physical quantity indicating the velocity gradient of the fluid related to the flow of the fluid in the direction intersecting the predetermined direction of the boundary is referred to as the first physical quantity. Calculated using the relational expression related to the predetermined velocity gradient that holds at the boundary .
Based on the calculated first physical quantity and the calculated second physical quantity, the behavior of the fluid flowing in the predetermined region of interest including the boundary is derived.
本発明の流体解析プログラムは、コンピュータを、請求項1~請求項4の何れか1項に記載された流体解析装置として機能させる。
The fluid analysis program of the present invention causes the computer to function as the fluid analysis device according to any one of
以上説明したように本発明によれば、計算負荷を抑制しつつ簡単な構成で、高精度に流体の流れを解析することができる、という効果が得られる。 As described above, according to the present invention, it is possible to obtain the effect that the fluid flow can be analyzed with high accuracy with a simple configuration while suppressing the calculation load.
以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。
本実施形態は、剛体の移動によって作用する流体の流れを解析する場合の一例を説明する。
Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described with reference to the drawings.
This embodiment describes an example of analyzing the flow of a fluid acting by the movement of a rigid body.
図1に、本実施形態に係る流体解析装置10を、コンピュータにより実現する構成の一例を示す。
図1に示すように、流体解析装置10として動作するコンピュータは、CPU(Central Processing Unit)12A、RAM(Random Access Memory)12B、およびROM(Read Only Memory)12Cを備えた装置本体12を含んで構成されている。ROM12Cは、剛体の移動によって作用する流体の挙動をシミュレーションする各種機能を実現するための流体解析プログラム12Pを含んでいる。装置本体12は、入出力インタフェース(I/O)12Dを備えており、CPU12A、RAM12B、ROM12C、及びI/O12Dは各々コマンド及びデータを授受可能なようにバス12Eを介して接続されている。また、I/O12Dには、キーボード及びマウス等の数値入力、文字入力及びコマンド入力を可能とする入力部12F、画像表示を可能とする表示部12G、外部装置と通信する通信部12H、及び各種データを記憶する記憶部12Mが接続されている。
FIG. 1 shows an example of a configuration in which the
As shown in FIG. 1, the computer operating as the
装置本体12は、流体解析プログラム12PがROM12Cから読み出されてRAM12Bに展開され、RAM12Bに展開された流体解析プログラム12PがCPU12Aによって実行されることで、流体解析装置10として動作する。なお、流体解析プログラム12Pは、流体の流れを解析する各種機能を実現するためのプロセスを含む(詳細は後述)。
The apparatus
本実施形態では、粘性係数が空間的に変化する非ニュートン流体を、本実施形態に係る流体の一例として説明する。 In the present embodiment, a non-Newtonian fluid in which the viscosity coefficient changes spatially will be described as an example of the fluid according to the present embodiment.
まず、本実施形態に係る流体解析装置10により流体の流れを数値解析することを可能とするために、流れ場を離散化して物体と流体との境界における速度勾配を導出する方法について説明する。
First, in order to enable the
流体の流れを解析する場合、流れ場の基礎方程式等を用いて流体の挙動を表現することが行われている。次に示す(1)式及び(2)式に本実施形態で用いる流れ場の基礎方程式の一例を示す。(1)式は非圧縮性流体の連続の式を示し、(2)式はナビエ・ストークスの式を示す。 When analyzing a fluid flow, the behavior of the fluid is expressed using a basic equation of the flow field or the like. The following equations (1) and (2) show an example of the basic equation of the flow field used in this embodiment. Equation (1) shows the continuity equation of the incompressible fluid, and equation (2) shows the equation of Navier-Stokes.
ただし、(1)式中及び(2)式中の記号は次を示している。uiは流速、pは圧力、ρは密度を示す。τijは粘性応力テンソルを示す。この粘性応力テンソルτijは、粘度ηとひずみ速度テンソルDijを用いて次に示す(3)式で表すことができる。 However, the symbols in the equations (1) and (2) indicate the following. ui is the flow velocity, p is the pressure, and ρ is the density. τ ij indicates a viscous stress tensor. This viscous stress tensor τ ij can be expressed by the following equation (3) using the viscosity η and the strain rate tensor D ij .
以下の説明では、上記の(3)式の右辺第1項、及び右辺第2項の各々の発散を取ったものを、それぞれ粘性項第1項、及び粘性項第2項と称する。
In the following description, the divergence of each of the first term on the right side and the second term on the right side of the above equation (3) will be referred to as a
本実施形態では、境界に適合しない計算格子を用いて流体の流れを計算する解析手法を対象に説明する。本実施形態では、直交格子を用いて流体の流れを解析する。直交格子を用いて流体の流れを解析する技術の一例には、文献1(佐藤他、直交格子法における物体境界近傍の直接離散化法(速度場と圧力場の整合性を考慮した高精度化)、日本機械学会論文集B編 79(2013)605-621)に示す技術が挙げられる。 In this embodiment, an analysis method for calculating a fluid flow using a calculation grid that does not match the boundary will be described. In this embodiment, the fluid flow is analyzed using an orthogonal grid. An example of a technique for analyzing a fluid flow using an orthogonal lattice is Document 1 (Sato et al., Direct dispersal method near the object boundary in the orthogonal lattice method (high accuracy considering the consistency between velocity field and pressure field). ), The technique shown in Proceedings of the Japan Society of Mechanical Engineers B, 79 (2013) 605-621).
また、本実施形態では、空間離散化にコロケーション格子法を用いる。そして、境界に隣接した計算格子について基礎式を離散化する。以下の説明では、本実施形態に関連する粘性項に関する離散化について説明する。 Further, in the present embodiment, the collocation lattice method is used for spatial discretization. Then, the basic equation is discretized for the calculation grid adjacent to the boundary. In the following description, the discretization of the viscosity term related to this embodiment will be described.
図2に、直交格子を用いて物体領域2と流体領域3とを離散化した物体領域2と流体領域3との境界4を含む注目領域1を示す。図2に示す注目領域1は、X軸とY軸を通る二次元平面における物体領域2と流体領域3との一部の領域を示している。
FIG. 2 shows a region of
図2に示すように、注目領域1は、物体領域2と流体領域3との境界4に適合しない計算格子を用いて複数の要素で定義される。物体領域2と流体領域3とを、直交格子を用いて分割、すなわち、直交する格子線5により分割した複数(図2の例では縦横に3x3の9個)の計算格子6で定義した場合を示している。計算格子6の各々には、流体の流れを解析する場合において、流体の速度、圧力又は温度等を計算する計算点7が定義される。計算点7は計算格子6内の何れの位置に定義してもよいが、計算格子6を代表する代表点として機能するので、計算格子6の中心点又は重心点を設定することが好ましい。本実施形態では、計算点7を計算格子6の中心点とした場合を説明する。
As shown in FIG. 2, the region of
なお、以下の説明では、複数の計算格子6の各々を区別して説明する場合には、位置を示す識別符号を付した計算格子(I,J)と表記して説明する。
In the following description, when each of the plurality of
また、以下の説明では、図2に示すように、x方向に境界を持つ二次元の計算格子6を対象に、粘性項の離散化について説明する。すなわち、特定の計算格子6である計算格子(I,J)は、隣り合う計算格子6のうちx方向の計算格子(I-1,J)のみに境界4を持ち、y方向には境界4を持たない。
Further, in the following description, as shown in FIG. 2, the discretization of the viscosity term will be described for a two-
ところで、粘度が空間的に一定であると仮定した場合、粘性項第1項のみを扱えばよいが、本実施形態では、粘度の空間分布を考慮して、粘性項第2項も含めて離散化を行う。図2の計算格子(I,J)における粘性項第1項の離散化式は、次の(4)式で表すことができる。 By the way, assuming that the viscosity is spatially constant, only the first term of the viscosity term needs to be dealt with, but in the present embodiment, the second term of the viscosity term is also discrete in consideration of the spatial distribution of the viscosity. To make it. The discretization equation of the first viscosity term in the calculation grid (I, J) of FIG. 2 can be expressed by the following equation (4).
ただし、(4)式中の記号は次を示している。δ/δxiは2次精度中心差分であることを示し、下付き添え字bは、計算格子(I,J)の計算点7を通るx軸方向の直線と境界4との交点(図2に三角形記号で示す位置、以下、境界点8という)における値であることを示す。 However, the symbols in Eq. (4) indicate the following. δ / δx i indicates that it is a quadratic precision center difference, and the subscript b is the intersection of the x-axis straight line passing through the calculation point 7 of the calculation grid (I, J) and the boundary 4 (FIG. 2). Indicates the value at the position indicated by the triangle symbol (hereinafter referred to as boundary point 8).
境界点8におけるx方向の速度勾配(∂ui/∂x)bは、次の(5)式に示す片側3点差分式(空間2次精度)によって求めることができる。
The velocity gradient (∂u i / ∂x) b in the x direction at the
次に、粘性項第2項を離散化する。離散化された粘性項第2項は、次の(6)式で表すことができる。なお、流速uiのx成分がuであり、y成分がvである。 Next, the second viscosity term is discretized. The discretized second viscosity term can be expressed by the following equation (6). The x component of the flow velocity u i is u, and the y component is v.
上記の(6)式の右辺第1項には,境界点8におけるx方向の速度勾配(∂u/∂x)b、及びy方向の速度勾配(∂u/∂y)bが含まれる。従って、粘性項第2項を離散化するには、粘性項第1項の離散化式((4)式)に現れた速度勾配(∂u/∂x)bの他に、x方向と異なる方向の速度勾配、すなわち速度勾配(∂u/∂y)bが必要になる。ところが、y方向の速度勾配は、境界点8からy方向に延ばした直線上に計算点7が存在しないため、速度勾配(∂u/∂x)bの計算に用いた式((5)式)と同じように求めることができない。
そこで、本実施形態では、境界点8におけるy方向の速度勾配を、境界4上における速度勾配の関係式と、計算されたx方向の速度勾配とを用いて導出する。以下に、境界を持つ特定方向の速度勾配と異なる方向の速度勾配、すなわち、x方向と異なる方向の速度勾配の導出について説明する。
The first term on the right side of the above equation (6) includes a velocity gradient (∂u / ∂x) b in the x direction and a velocity gradient (∂u / ∂y) b in the y direction at the
Therefore, in the present embodiment, the velocity gradient in the y direction at the
ここでは、説明を簡単にするため、剛体運動する物体について速度勾配を導出する場合を説明する。剛体運動する物体では、物体表面上の境界点では、次の(7)式及び(8)式の関係が成り立つ。 Here, for the sake of simplicity, a case of deriving a velocity gradient for a rigid body moving object will be described. In a rigid-moving object, the following equations (7) and (8) hold at the boundary points on the surface of the object.
ただし、(7)式中及び(8)式中の記号は次を示している。∇uは速度勾配テンソル、s、tは境界点8での接線方向(二方向)の単位ベクトル、ωは剛体運動の回転角速度ベクトルを示す。
However, the symbols in the equations (7) and (8) indicate the following. ∇u is a velocity gradient tensor, s and t are tangential (bidirectional) unit vectors at
ここで、(7)式について図3を参照して説明する。
図3に、剛体運動する二次元物体の一例を示す。
Here, the equation (7) will be described with reference to FIG.
FIG. 3 shows an example of a two-dimensional object that moves rigidly.
図3に示すように、物体表面上の点Pとその近傍点Qにおける速度ベクトルup、u0はそれぞれ次の(7A)式、及び(7B)式で表すことができる。 As shown in FIG. 3, the velocity vectors up and u 0 at the point P on the surface of the object and its neighboring points Q can be represented by the following equations (7A) and (7B), respectively.
uGとωGは剛体運動の速度ベクトルと角速度ベクトルであり、rPとrQは剛体の回転中心点Gから点P、Qへの位置ベクトルである。sはPQ間の単位ベクトル(物体表面上の接線方向の単位ベクトル)であり、hはPQ間の距離である。(7A)式及び(7B)式により、PQ間の速度勾配、すなわち剛体運動する物体表面上のs方向の速度勾配は、次に示す(7C)式で表すことができる。 u G and ω G are the velocity vector and the angular velocity vector of the rigid body motion, and r P and r Q are the position vectors from the rotation center point G of the rigid body to the points P and Q. s is a unit vector between PQs (tangential unit vector on the surface of the object), and h is a distance between PQs. According to the equations (7A) and (7B), the velocity gradient between PQs, that is, the velocity gradient in the s direction on the surface of the rigid body moving object can be expressed by the following equation (7C).
また、(7C)式はさらに、次に示す(7D)式で表すことができる。 Further, the equation (7C) can be further expressed by the following equation (7D).
なお、(8)式についても同様のため、説明を省略する。 Since the same applies to the equation (8), the description thereof will be omitted.
ここで、流速uの成分について考えると上記の(7)式、及び(8)式はそれぞれ、(9)式及び(10)式で表すことができる。 Here, considering the component of the flow velocity u, the above equations (7) and (8) can be expressed by the equations (9) and (10), respectively.
ただし、(9)式中及び(10)式中の記号sx、sv、szと、tx、tv、tzとは、それぞれsとtの成分を示す。(9)式及び(10)式のx方向の速度勾配(∂u/∂x)bは(5)式の外挿式によって既知と考えると、それ以外の成分である速度勾配(∂u/∂y)b、及び速度勾配(∂u/∂z)bは、(9)式、及び(10)式の連立方程式から、次に示す(11)式で表すことができる。 However, the symbols s x , s v , s z in the equations (9) and (10) and t x , tv , t z indicate the components of s and t, respectively. Considering that the velocity gradients (∂u / ∂x) b in the x direction of equations (9) and (10) are known by the extrapolation equation of equation (5), the velocity gradients (∂u / ∂u /) are other components. ∂y) b and the velocity gradient (∂u / ∂z) b can be expressed by the following equations (11) from the simultaneous equations of equations (9) and (10).
同様に、流速uと直交する方向の流速v、wの速度勾配のy、z成分についてもそれぞれ(12)式及び(13)式で表すことができる。 Similarly, the y and z components of the velocity gradients v and w in the directions orthogonal to the flow velocity u can also be expressed by equations (12) and (13), respectively.
以上説明したように、境界点8について、x方向の速度勾配は、(5)式を用いて導出でき、y方向及びz方向の速度勾配は、(11)式~(13)式を用いて導出できる。
As described above, for the
なお、図2に示す例で、二次元(x-y)平面内の運動(回転角速度ω)の場合は、(12)式及び(13)式は、次の(14)式及び(15)式に示すように簡略化して表すことができる。
また、物体が静止している場合、又は物体運動が並進運動のみの場合には、回転角速度ωがゼロベクトルであり、(9)式及び(10)式の右辺は0となる。 When the object is stationary or the object motion is only translational motion, the rotational angular velocity ω is a zero vector, and the right side of equations (9) and (10) is 0.
上記では、説明の便宜上、図2に示すx方向に速度勾配を持つ場合を説明したが、y、z方向に境界を持つ計算格子6の場合にも同様に離散化可能であることは勿論である。
In the above, for convenience of explanation, the case where the velocity gradient is provided in the x direction shown in FIG. 2 has been described, but it goes without saying that the
また、上記では、x方向のみに速度勾配を持つ場合(図2)を説明したが、複数の方向に境界を持つ場合についても、各方向に関して上記と同様の方法を独立に適用することができる。例えば、図4に示すように、x方向、及びy方向の二方向に境界4を持つ場合、x、yの各方向に関して上記と同様に適用することができる。
Further, in the above, the case where the velocity gradient is provided only in the x direction (FIG. 2) has been described, but the same method as described above can be independently applied to each direction even when the boundary is provided in a plurality of directions. .. For example, as shown in FIG. 4, when the
本実施形態は境界4上の境界点8(図2の三角形記号の位置)において、差分参照点(流体計算点)が存在する方向の速度勾配(図2の場合は(∂u/∂x)b)については流体計算点の情報を使った差分式から求め、その他の方向の速度勾配(図2の場合はy方向の速度勾配(∂u/∂y)b)については境界上で成り立つべき速度勾配の関係式を利用して求める。従って、y方向の速度勾配(∂u/∂y)bは、x方向の速度勾配(∂u/∂x)bと同じ空間精度が保証される。
In this embodiment, at the boundary point 8 (position of the triangle symbol in FIG. 2) on the
なお、上記の(9)式及び(10)式では「差分参照点が存在する方向の速度勾配(∂u/∂x)b」を2次精度の差分式((5)式)で求めたが、空間精度を変えることも可能である。例えば、1次精度の場合は(5)式の代わりに次の(5A)式を用いる。 In the above equations (9) and (10), the "velocity gradient (∂u / ∂x) b in the direction in which the difference reference point exists" was obtained by the difference equation ((5)) with secondary accuracy. However, it is also possible to change the spatial accuracy. For example, in the case of first-order accuracy, the following equation (5A) is used instead of equation (5).
本技術で得られた速度勾配は、流体の非ニュートン性を有する計算対象、粘度に温度依存性がある計算対象、LES(Large Eddy Simulation)など乱流モデルを使う計算対象など、粘性係数が空間的に分布する計算に広く利用可能である。また物体表面上での摩擦応力の算出時にも利用できる。 The velocity gradient obtained by this technology has a viscosity coefficient of space, such as a calculation target with non-Newtonity of fluid, a calculation target with temperature dependence of viscosity, and a calculation target using a turbulent flow model such as LES (Large Eddy Simulation). It can be widely used for calculation of fluid distribution. It can also be used when calculating the frictional stress on the surface of an object.
ところで、境界点で速度勾配(∂u/∂y)bを算出する一般的な方法として、境界近傍の流体領域の計算点で各座標軸方向の速度勾配を求めておき、それを境界点に外挿する方法(外挿法)が挙げられる。
ここで、外挿法により境界点における速度勾配を算出する方法を、比較例として説明する。例えば、図2に示す速度勾配(∂u/∂y)bに関して空間2次精度の外挿式を適用した場合は、(16)式で表すことができる。
By the way, as a general method for calculating the velocity gradient (∂u / ∂y) b at the boundary point, the velocity gradient in each coordinate axis direction is obtained at the calculation point of the fluid region near the boundary, and the velocity gradient is extrapolated to the boundary point. An insertion method (extrapolation method) can be mentioned.
Here, a method of calculating the velocity gradient at the boundary point by the extrapolation method will be described as a comparative example. For example, when an extrapolation equation with spatial quadratic accuracy is applied to the velocity gradient (∂u / ∂y) b shown in FIG. 2, it can be expressed by equation (16).
上記の(16)式の右辺の速度勾配は、次に示す(17)式から(19)式を用いて算出することができる。 The velocity gradient on the right side of the above equation (16) can be calculated from the following equations (17) to (19).
図5に、比較例の外挿法を適用する場合の物体領域2と流体領域3との境界4を含む注目領域1を示す。
FIG. 5 shows a region of
図5に示すように、比較例の外挿法を適用した場合、本実施形態に係る速度勾配を導出する方法に比べて、多い個数の計算点を要する。すなわち、上記の(17)式から(19)式に示すように、比較例の外挿法では、速度勾配(∂u/∂y)bの算出に図5に黒丸記号で示す合計7個の計算点の情報が必要となる。一方、本実施形態に係る速度勾配を導出する方法では、(5)式の差分式と解析的な関係式だけで速度勾配(∂u/∂y)bを導出することができるため、図5にX記号で示す合計3個の計算点の情報のみで良い。また、本実施形態では、(5)式を用いた場合に、2次外挿法と同じ空間2次精度が得られる。すなわち、本実施形態に係る速度勾配を導出する方法は外挿法に比べて少ない計算点の情報で同等の精度を得ることができる。さらに、補間操作を最小限にすることによって計算の安定性も大幅に向上し、2次外挿法に比べて大きな時間刻みで安定に計算ができ、計算時間の短縮も達成される。 As shown in FIG. 5, when the extrapolation method of the comparative example is applied, a large number of calculation points are required as compared with the method of deriving the velocity gradient according to the present embodiment. That is, as shown in the above equations (17) to (19), in the extrapolation method of the comparative example, a total of seven items indicated by black circles in FIG. 5 are used to calculate the velocity gradient (∂u / ∂y) b . Information on calculation points is required. On the other hand, in the method for deriving the velocity gradient according to the present embodiment, the velocity gradient (∂u / ∂y) b can be derived only by the difference equation of Eq. (5) and the analytical relational expression. Only the information of a total of three calculation points indicated by the X symbol is required. Further, in the present embodiment, when the equation (5) is used, the same spatial quadratic accuracy as that of the quadratic extrapolation method can be obtained. That is, the method for deriving the velocity gradient according to the present embodiment can obtain the same accuracy with less information on calculation points than the extrapolation method. Further, by minimizing the interpolation operation, the stability of the calculation is greatly improved, and the calculation can be performed stably in a large time interval as compared with the secondary extrapolation method, and the calculation time can be shortened.
次に、上記説明した速度勾配を導出する方法を基にして、流体解析装置10において実行される、剛体の移動によって作用する流体の挙動のシミュレーション、すなわち、剛体の移動によって作用する流体の流れを解析する流体解析方法を説明する。コンピュータで実現した流体解析装置10のROM12Cには、本実施形態に係る流体解析方法を実行するための処理の流れ(プロセス)が流体解析プログラム12Pとして記憶されている。
Next, based on the method for deriving the velocity gradient described above, the simulation of the behavior of the fluid acting by the movement of the rigid body, that is, the flow of the fluid acting by the movement of the rigid body, which is executed in the
図6には、本実施形態に係る流体解析方法を実行するための処理の流れの一例が示されている。装置本体12では、流体解析プログラム12PがROM12Cから読み出されてRAM12Bに展開され、RAM12Bに展開された流体解析プログラム12PをCPU12Aが実行する。
FIG. 6 shows an example of a processing flow for executing the fluid analysis method according to the present embodiment. In the apparatus
まず、ステップS100では、計算格子6、計算条件、及び初期値を示す情報の取得処理が実行される。
First, in step S100, an acquisition process of information indicating the
計算格子6を示す情報は、物体領域2と流体領域3とを分割する直交格子、すなわち、直交する格子線5の間隔が定義された情報である。この計算格子6に関する情報は、ROM12C又は記憶部12Mに記憶される。また、計算条件を示す情報は、本実施形態で流体の流れを数値解析する場合の条件である。計算条件の一例には、物体モデルの流体モデルに対する位置情報、及び物体モデルの動きを定義する角速度等の情報、及び流体モデルの計算条件の一例には、流体モデルの境界条件、速度場計算の収束条件、及び反復回数等の予め定めた情報が含まれる。計算条件は、ROM12C又は記憶部12Mに記憶される。また、初期値を示す情報は、本実施形態で流体の流れを数値解析する場合の最初の各種状態を示す情報である。初期値の一例には、物体モデルの解析当初の動きを定義する角速度等の情報、及び、流体の当初の速度、圧力及び温度等の情報が挙げられる。
The information indicating the
また、ステップS100では、物体を示す物体モデル、及び流体を示す流体モデルも取得する。 Further, in step S100, an object model showing an object and a fluid model showing a fluid are also acquired.
物体モデルは、物体として例えば、剛体(非流体物)の構造を定義したモデルである。なお、物体モデルは、数値解析法により取り扱い可能な有限個の要素でモデル化することで定義してもよい。また、物体モデルには、座標値及び材料特性(例えば、粘度、密度、及び材質等)などの数値データが定義される。これらの数値は、ROM12C又は記憶部12Mに記憶される。
An object model is a model that defines, for example, the structure of a rigid body (non-fluid object) as an object. The object model may be defined by modeling with a finite number of elements that can be handled by the numerical analysis method. In addition, numerical data such as coordinate values and material properties (for example, viscosity, density, material, etc.) are defined in the object model. These numerical values are stored in the
流体モデルは、物体の外側で流体が流れる空間の構造を定義したモデルである。なお、流体モデルは、数値解析法により取り扱い可能な有限個の要素でモデル化することで定義してもよい。また、流体モデルには、座標値及び材料特性(例えば、粘度、密度、及び材質)などの数値データが定義される。これらの数値は、ROM12C又は記憶部12Mに記憶される。
A fluid model is a model that defines the structure of the space in which a fluid flows outside an object. The fluid model may be defined by modeling with a finite number of elements that can be handled by the numerical analysis method. In addition, numerical data such as coordinate values and material properties (eg, viscosity, density, and material) are defined in the fluid model. These numerical values are stored in the
さらに、ステップS100では、取得した情報を用いて物体と流体とを含む解析対象の全領域を定義する処理を実行する。すなわち、物体モデルによる物体領域2、流体モデルによる流体領域3、及び物体領域2と流体領域3との境界4を含む全領域について、直交格子を用いて分割、すなわち、直交する格子線5により分割した複数の計算格子6で定義する処理が実行される。なお、計算格子6の各々には、計算点7の位置も定義される。
従って、ステップS100は、物体と、物体の周囲に流れる流体とを含む空間を複数の要素で分割した数値計算対象モデルを定義するモデル定義部として動作する機能を有する。
Further, in step S100, a process of defining the entire region to be analyzed including the object and the fluid is executed using the acquired information. That is, the entire region including the
Therefore, step S100 has a function of operating as a model definition unit for defining a numerical calculation target model in which a space including an object and a fluid flowing around the object is divided by a plurality of elements.
次に、ステップS102では、境界の移動に関する処理を実行する。このステップS102の処理は、物体が時々刻々と位置が移動する場合に伴って移動する境界4の位置を定義する処理である。従って、物体の位置が固定の場合は、ステップS102は省略される。また、本処理ルーチンの実行当初は、ステップS102では、初期値を用いればよい。
Next, in step S102, a process related to the movement of the boundary is executed. The process of step S102 is a process of defining the position of the
次のステップS104では、境界4と計算格子6の計算点7との交点である境界点8の抽出処理を実行する。このステップS104では、境界4を含む計算格子6の各々について境界点8を抽出する演算が行われる。
In the next step S104, the extraction process of the
次のステップS106では、ステップS104で抽出された境界点8の各々における境界面上の接線方向の単位ベクトルを算出する処理を実行する。すなわち、上記の(7)式、及び(8)式を用いて、境界点8の各々における境界面上の接線方向の単位ベクトルを各々演算する。 In the next step S106, a process of calculating a unit vector in the tangential direction on the boundary surface at each of the boundary points 8 extracted in step S104 is executed. That is, using the above equations (7) and (8), the unit vector in the tangential direction on the boundary surface at each of the boundary points 8 is calculated.
次のステップS108では、境界点8の各々における一方向の速度勾配を計算する処理を実行する。すなわち、例えば、上記の(5)式を用いた片側3点差分式(空間2次精度)によって、境界点8におけるu成分のx方向の速度勾配(∂ui/∂x)bと、v成分のx方向の速度勾配(∂vi/∂x)bと、w成分のx方向の速度勾配(∂wi/∂x)bと、を各々演算する。
In the next step S108, a process of calculating the velocity gradient in one direction at each of the boundary points 8 is executed. That is, for example, the velocity gradient (∂u i / ∂x) b and v in the x direction of the u component at the
次のステップS110では、境界点8の各々における残存方向の速度勾配を計算する処理を実行する。すなわち、上記の(11)式から(13)式)を用いて、u成分の速度勾配(∂u/∂y)b、及び速度勾配(∂u/∂z)bと、v成分の速度勾配(∂v/∂y)b、及び速度勾配(∂v/∂z)bと、w成分の速度勾配(∂w/∂y)b、及び速度勾配(∂w/∂z)bと、を各々演算する。 In the next step S110, a process of calculating the velocity gradient in the residual direction at each of the boundary points 8 is executed. That is, using the above equations (11) to (13), the velocity gradient (∂u / ∂y) b of the u component, the velocity gradient (∂u / ∂z) b , and the velocity gradient of the v component. (∂v / ∂y) b and velocity gradient (∂v / ∂z) b and the velocity gradient (∂w / ∂y) b and velocity gradient (∂w / ∂z) b of the w component. Calculate each.
次のステップS112では、流体の速度場、及び圧力場を計算する処理を実行する。すなわち、ステップS108で求めた境界点8の各々における一方向の速度勾配、及びステップS110で求めたその他の方向の速度勾配を用いて、上記の(1)式から(3)式によって、流体の速度場、及び圧力場を演算する。 In the next step S112, a process of calculating the velocity field and the pressure field of the fluid is executed. That is, using the velocity gradient in one direction at each of the boundary points 8 obtained in step S108 and the velocity gradient in the other direction obtained in step S110, the fluid is prepared according to the above equations (1) to (3). Calculate the velocity field and pressure field.
次のステップS114では、終了判断処理を実行し、肯定判断の場合はステップS116へ処理を移行し、否定判断の場合は、ステップS102へ処理を戻す。ステップS114の終了は、速度場計算の収束条件、ステップS102からステップ112の処理の反復回数、及び計算開始からの経過時間等の予め定めた情報に基づいて判断される。 In the next step S114, the end determination process is executed, the process shifts to step S116 in the case of an affirmative determination, and returns to step S102 in the case of a negative determination. The end of step S114 is determined based on predetermined information such as the convergence condition of the velocity field calculation, the number of repetitions of the processing of steps S102 to 112, and the elapsed time from the start of calculation.
次のステップS116では、ステップS112の計算結果を出力する処理を実行する。ステップS116では、ステップS112で求めた流体の速度場、及び圧力場の計算結果をそのまま出力してもよく、ステップS112で求めた流体の速度場、及び圧力場の計算結果に基づいて流体の流れの速度、及び圧力等の物理量を演算し、演算結果を出力してもよい。 In the next step S116, a process of outputting the calculation result of step S112 is executed. In step S116, the calculation results of the fluid velocity field and the pressure field obtained in step S112 may be output as they are, and the fluid flow is based on the fluid velocity field and the pressure field calculation results obtained in step S112. The physical quantity such as speed and pressure may be calculated and the calculation result may be output.
このように、本実施形態によれば、剛体の移動によって作用する流体の速度勾配を求めて流体の挙動をシミュレーションすることができる。すなわち、外挿法に比べて少ない計算点の情報で高精度に流体の流れを解析することができる。 As described above, according to the present embodiment, the behavior of the fluid can be simulated by obtaining the velocity gradient of the fluid acting by the movement of the rigid body. That is, it is possible to analyze the fluid flow with high accuracy with less information on calculation points than the extrapolation method.
ここで、本実施形態に係る流体解析装置10における流体の流れの解析を検証する。
第1の検証では、粘性係数が空間的に変化する非ニュートン流体を対象として、同軸二重円筒間に流れる流体における流体の流れの精度検証を行う。
Here, the analysis of the fluid flow in the
In the first verification, the accuracy of the fluid flow in the fluid flowing between the coaxial double cylinders is verified for the non-Newtonian fluid whose viscosity coefficient changes spatially.
図7に、第1の検証で検証対象とした流体が流れる物体(剛体)の概略構造の一例を示す。 FIG. 7 shows an example of a schematic structure of an object (rigid body) through which a fluid flows, which was the subject of verification in the first verification.
図7に示すように、検証対象の領域20は、内径ri=KR、外径r0=Rの流路22を備えた物体領域と、その流路22を流れる流体領域とを含む。詳細には、流路22の外周側の半径をRとしたとき、x方向に0.2R、y方向及びz方向にそれぞれ2.4Rとし、y-z面内の計算領域の中央に内径ri=KR、外径r0=Rの同軸二重円筒間流路が形成された流路22からなる領域を検証対象の領域20とする。
As shown in FIG. 7, the
なお、内径と外径の半径比Kは0.6とする。壁面はすべりなし条件とし、流路22内の流れは周方向に付加した平均圧力勾配dp/dθによって駆動される。検証対象の領域20のx方向の両端面には周期条件を課す。非ニュートンモデルは、次の(20)式で表されるOstwald-de Waeleモデル(べき乗則モデル)を用いる。
The radius ratio K of the inner diameter and the outer diameter is 0.6. The wall surface is in a non-slip condition, and the flow in the
粘度ηは、n=1(ニュートン流体)の場合を除き、流れ場の速度勾配に依存して空間的に変化する。 The viscosity η changes spatially depending on the velocity gradient of the flow field, except in the case of n = 1 (Newtonian fluid).
第1の検証における検証対象である同軸二重円筒間の流路22を流れる流体の挙動(流れ)には、解析解が存在する。解析解は、次に示す(21)式により求めることができる。
There is an analytical solution for the behavior (flow) of the fluid flowing through the
ただし、(21)式中の記号u* θは無次元化された周方向流速である。 However, the symbol u * θ in the equation (21) is a dimensionless circumferential flow velocity.
上記の(21)式は以下のようにして導出できる。
層流域の同軸二重円筒間流れに関するナビエ・ストークス方程式は、円筒座標系では、次に示す(21a)式で表すことができる。
The above equation (21) can be derived as follows.
The Navier-Stokes equation for the coaxial double-cylindrical flow in the laminar watershed can be expressed by the following equation (21a) in the cylindrical coordinate system.
粘性応力τrθは、べき乗則モデルを用いた場合には、次に示す(21b)式で表すことができる。 The viscous stress τ rθ can be expressed by the following equation (21b) when a power law model is used.
ただし、(21b)式中の記号γrθはせん断速度であり、周方向流速uθとの間に次の(21c)式に示す関係が成り立つ。 However, the symbol γ rθ in the equation (21b) is the shear rate, and the relationship shown in the following equation (21c) holds with the circumferential flow velocity uθ .
上記の(21a)式から(21c)式を解くことにより、無次元化された周方向流速u* θの解析解は(21)式に示すように導出できる。この解析解を導出する技術の一例には、文献2(N. Prasanth, U.V. Shenoy, “Poiseuille flow of a power-law fluid between coaxial cylinders”, Journal of Applied Polymer Science, Vol. 46 (1992), pp. 1189-1194.)に記載された技術がある。 By solving the equation (21c) from the above equation (21a), the analytical solution of the dimensionless circumferential flow velocity u * θ can be derived as shown in the equation (21). An example of a technique for deriving this analytical solution is Reference 2 (N. Prasanth, UV Shenoy, “Poiseuille flow of a power-law fluid between coaxial cylinders”, Journal of Applied Polymer Science, Vol. 46 (1992), pp. . 1189-1194.).
上記(21)式における無次元化された周方向流速u* θと、有次元の流速uθとの間は、次の(22)式に示す関係を有する。 The dimensionless circumferential flow velocity u * θ in the above equation (21) and the dimensional flow velocity u θ have the relationship shown in the following equation (22).
ただし、(21)式中の記号λはせん断応力が0となる位置の半径距離である。なお、r/R=λでの流速分布の連続性は、次に示す(23)式の関係から求めることができる。 However, the symbol λ in the equation (21) is the radial distance at the position where the shear stress becomes 0. The continuity of the flow velocity distribution at r / R = λ can be obtained from the relationship of Eq. (23) shown below.
図8に、流体解析装置10を用いて第1の検証を行った検証結果を示す。図8では、格子間隔0.02Rの条件について、各べき指数nでの周方向流速uθの半径方向の分布を打点(図8に示す黒丸)で示している。また、上記の(21)式により求めた解析解の分布を実線で示している。
FIG. 8 shows the verification results obtained by performing the first verification using the
図8に示すように、流体解析装置10を用いて非ニュートン流体の流れの解析する流体解析方法である本手法により予測された速度分布は、半径方向の何れの位置(何れのn)についても解析解と適合している。
As shown in FIG. 8, the velocity distribution predicted by this method, which is a fluid analysis method for analyzing the flow of a non-Newtonian fluid using the
図9に、流体解析装置10を用いて第1の検証を行った検証結果と、外挿により流体の流れの解析する比較法の検証結果とを示す。図9では、n=0.5、格子間隔0.08R(低格子解像度)の条件について、周方向流速uθの半径方向の分布が示されている。
FIG. 9 shows the verification result of the first verification using the
図9に示す検証結果で用いた外挿により流体の流れの解析する比較法は、一般的な解析方法の一例として、線形補間に基づくImmersed boundary(IB)法による流体の流れの解析する方法を比較法として用いている。この比較法の技術の一例には、特許文献1の技術、及び文献3(R. Mittal et al., A versatile sharp interface immersed boundary method for incompressible flows with complex boundaries, J. Comput. Phys. 227 (2008) 4827-4825.)に記載された技術がある。文献3の技術では、境界上の流速と周囲の流体計算点の流速を用いて境界の内側(物体内部)の計算格子に仮想的な流速を外挿し、境界に隣接する計算格子ではそれらを用いることで境界から離れた計算格子と同様に流体の基礎式を離散化して計算している。
The comparative method for analyzing the fluid flow by extrapolation used in the verification result shown in FIG. 9 is, as an example of a general analysis method, a method for analyzing the fluid flow by the Immersed boundary (IB) method based on linear interpolation. It is used as a comparison method. Examples of the technique of this comparative method include the technique of
図9に示すように、比較法では、流速分布が解析解から乖離するのに対し、本手法では解析解に適合した結果が得られている。 As shown in FIG. 9, in the comparative method, the flow velocity distribution deviates from the analytical solution, whereas in this method, a result suitable for the analytical solution is obtained.
次に、本実施形態に係る流体解析装置10における流体の流れの解析を検証した第2の検証について説明する。
第2の検証では、流体の流れとして、剛体運動する物体周りの流れ場を対象に検証を行った。
Next, a second verification that verifies the analysis of the fluid flow in the
In the second verification, the flow field around the rigidly moving object was verified as the fluid flow.
図10に、第2の検証で検証対象とした流体が流れる物体(剛体)の概略構造の一例を示す。 FIG. 10 shows an example of a schematic structure of an object (rigid body) through which a fluid flows, which was the subject of verification in the second verification.
図10に示すように、検証対象の領域30は、筒内32を同じ方向に一定回転する剛体を含む物体領域と、その筒内32を流れる流体領域とを含む。詳細には、筒内32で剛体運動する物体は、同じ方向に一定回転するスクリュ(図10に斜線で示した領域の物体)であり、スクリュの回転によって周囲の流体が流動する。流体は溶融した樹脂相当の粘度特性とし、Crossモデルで樹脂の非ニュートン性を考慮した。計算格子は直交等間隔であり、約0.06mmとした。スクリュの長径は約15mm、回転数は200rpmであり、このときの長径端部での最大周速は約0.157m/sである。
As shown in FIG. 10, the
第2の検証では、流体解析装置10を用いて非ニュートン流体の流れの解析する流体解析方法である本手法による解析において、安定に計算できる計算時間刻みの上限値は、外挿による比較法を用いて解析した場合の約7倍の結果となり、計算時間が大幅に短縮された。
In the second verification, in the analysis by this method, which is a fluid analysis method for analyzing the flow of non-Newtonian fluid using the
本実施形態に係る流体解析装置10は、開示の技術の流体解析装置の一例である。また、図6に示すステップS100処理は、モデル定義部で実行される機能の一例である。また、ステップS108の処理は、第1演算部で実行される機能の一例であり、ステップS110の処理は、第2演算部で実行される機能の一例であり、ステップS112の処理は、導出部で実行される機能の一例である。
The
なお、本実施形態に係る流体解析装置10に含まれる装置本体12は、構成する各構成要素を、上記で説明した各機能を有する電子回路等のハードウェアにより構築してもよく、構成する各構成要素の少なくとも一部を、コンピュータにより当該機能を実現するように構築してもよい。
The device
また、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。発明の要旨を逸脱しない範囲で上記実施の形態に多様な変更または改良を加えることができ、当該変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。また、本明細書に記載された全ての文献、特許出願及び技術規格は、個々の文献、特許出願及び技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。 Moreover, although the present invention has been described using the embodiments, the technical scope of the present invention is not limited to the scope described in the above embodiments. Various changes or improvements can be made to the above embodiments without departing from the gist of the invention, and the modified or improved forms are also included in the technical scope of the present invention. In addition, all documents, patent applications and technical standards described herein are to the same extent as if the individual documents, patent applications and technical standards were specifically and individually stated to be incorporated by reference. Incorporated herein by reference.
10 流体解析装置
12 装置本体
12A CPU
12B RAM
12C ROM
12P 流体解析プログラム
10
12B RAM
12C ROM
12P fluid analysis program
Claims (6)
前記モデル定義部で定義された数値計算対象モデルを用いて予め定めた方向に連続する前記境界を含む複数の要素各々における情報に基づいて、前記境界の予め定めた方向の流体の流れに関係する前記流体の速度勾配を示す第1の物理量を、前記複数の格子線によりなる格子の中心点又は重心点から前記境界までの距離を用いて演算する第1演算部と、
前記第1演算部で演算された前記第1の物理量に基づいて、前記境界の前記予め定めた方向と交差する方向の流体の流れに関係する前記流体の速度勾配を示す第2の物理量を、前記第1の物理量と前記境界で成立する予め定めた速度勾配に関する関係式とを用いて演算する第2演算部と、
前記第1演算部で演算された前記第1の物理量、及び前記第2演算部で演算された前記第2の物理量に基づいて、前記境界を含む予め定めた注目領域を流れる前記流体の挙動を導出する導出部と、
を備えた流体解析装置。 A space including an object and a fluid that flows around the object and whose viscosity changes spatially is composed of a plurality of elements by a plurality of lattice lines that do not coincide with the boundary between the object and the fluid and are orthogonal to each other . The model definition part that defines the divided numerical calculation target model, and
It is related to the flow of fluid in the predetermined direction of the boundary based on the information in each of the plurality of elements including the boundary continuous in the predetermined direction using the numerical calculation target model defined in the model definition unit. A first calculation unit that calculates a first physical quantity indicating the velocity gradient of the fluid using the distance from the center point or the center of gravity point of the grid composed of the plurality of grid lines to the boundary .
Based on the first physical quantity calculated by the first calculation unit, a second physical quantity indicating the velocity gradient of the fluid related to the flow of the fluid in the direction intersecting the predetermined direction of the boundary is obtained . A second calculation unit that calculates using the first physical quantity and a relational expression relating to a predetermined velocity gradient that holds at the boundary .
Based on the first physical quantity calculated by the first calculation unit and the second physical quantity calculated by the second calculation unit, the behavior of the fluid flowing in a predetermined region of interest including the boundary is described. The derivation part to be derived and
Fluid analyzer equipped with.
(I、J)を複数の格子線により分割される要素の前記予め定めた方向の位置及び前記予め定めた方向と交差する方向の位置とし、予め定めた方向をx方向とし、bを(I、J)の位置の要素における中心点又は重心点を通る前記予め定めた方向の直線と前記境界との交点であることを示す情報とし、前記x方向の流体の速度勾配を(∂u i /∂x) b とし、流速のx成分をuとし、Δxを要素のx方向の幅とし、ε x を格子の中心点又は重心点から前記境界までの幅をΔxで正規化した情報とするとき、
で表される式を用いて演算する
請求項1に記載の流体解析装置。 The first calculation unit calculates the first physical quantity.
(I, J) is the position of the element divided by the plurality of grid lines in the predetermined direction and the position in the direction intersecting the predetermined direction, the predetermined direction is the x direction, and b is (I). , J) Information indicating that it is the intersection of the straight line in the predetermined direction passing through the center point or the center of gravity point and the boundary, and the velocity gradient of the fluid in the x direction is (∂u i / ). When ∂x) b , the x component of the flow velocity is u, Δx is the width of the element in the x direction, and ε x is the information obtained by normalizing the width from the center point or center of gravity of the lattice to the boundary with Δx. ,
The fluid analyzer according to claim 1, wherein the calculation is performed using the formula represented by .
予め定めた方向と交差する方向をy方向とz方向とし、前記y方向と前記z方向の流体の速度勾配を(∂u/∂y) b と(∂u/∂z) b とし、前記境界における接線方向の単位ベクトルをsとt、前記物体が運動する際の回転角速度ベクトルをωとするとき、
で表される式を用いて演算する
請求項2に記載の流体解析装置。 The second calculation unit calculates the second physical quantity.
The directions that intersect the predetermined directions are the y and z directions, and the velocity gradients of the fluids in the y and z directions are (∂u / ∂y) b and (∂u / ∂z) b , and the boundary is defined. When the unit vector in the tangential direction in is s and t, and the rotation angle velocity vector when the object moves is ω,
The fluid analyzer according to claim 2, wherein the calculation is performed using the formula represented by .
請求項3に記載の流体解析装置。 The directions that intersect the predetermined directions are two directions that are orthogonal to each other and are orthogonal to the predetermined directions.
The fluid analyzer according to claim 3 .
物体と、前記物体の周囲に流れ、かつ粘度が空間的に変化する流体と、を含む空間を前記物体と前記流体との境界に非適合で、かつ直交する複数の格子線により複数の要素で分割して定義された数値計算対象モデルを用いて予め定めた方向に連続する前記境界を含む複数の要素各々における情報に基づいて、前記境界の予め定めた方向の流体の流れに関係する前記流体の速度勾配を示す第1の物理量を、前記複数の格子線によりなる格子の中心点又は重心点から前記境界までの距離を用いて演算し、
演算された前記第1の物理量に基づいて、前記境界の前記予め定めた方向と交差する方向の流体の流れに関係する前記流体の速度勾配を示す第2の物理量を、前記第1の物理量と前記境界で成立する予め定めた速度勾配に関する関係式とを用いて演算し、
演算された前記第1の物理量、及び演算された前記第2の物理量に基づいて、前記境界を含む予め定めた注目領域を流れる前記流体の挙動を導出する
流体解析方法。 The computer
A space containing an object and a fluid that flows around the object and whose viscosity changes spatially is incompatible with the boundary between the object and the fluid, and is composed of a plurality of elements by a plurality of orthogonal grid lines . The fluid related to the flow of the fluid in the predetermined direction of the boundary based on the information in each of the plurality of elements including the boundary continuous in the predetermined direction using the divided and defined numerical calculation target model. The first physical quantity indicating the velocity gradient of is calculated by using the distance from the center point or the center of gravity point of the lattice composed of the plurality of lattice lines to the boundary .
Based on the calculated first physical quantity, the second physical quantity indicating the velocity gradient of the fluid related to the flow of the fluid in the direction intersecting the predetermined direction of the boundary is referred to as the first physical quantity. Calculated using the relational expression related to the predetermined velocity gradient that holds at the boundary .
A fluid analysis method for deriving the behavior of the fluid flowing in a predetermined region of interest including the boundary based on the calculated first physical quantity and the calculated second physical quantity.
A fluid analysis program for causing a computer to function as the fluid analyzer according to any one of claims 1 to 4.
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