JP7496049B2 - A lattice Boltzmann solver that enforces total energy conservation - Google Patents

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Description

〔優先権の主張〕
本出願は、2019年1月10日に出願された「全エネルギー保存を実施する格子ボルツマンソルバ(LATTICE BOLTZMANN SOLVER ENFORCING TOTAL ENERGY CONSERVATION)」という名称の米国仮特許出願第62/790,528号に対する合衆国法典第35編第119条(e)に基づく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。
[Claim of priority]
This application claims priority under 35 U.S.C. §119(e) to U.S. Provisional Patent Application No. 62/790,528, filed January 10, 2019, and entitled “LATTICE BOLTZMANN SOLVER ENFORCING TOTAL ENERGY CONSERVATION,” the contents of which are incorporated herein by reference in their entirety.

本明細書は、物理的流体流(physical fluid flows)などの物理的プロセスのコンピュータシミュレーションに関する。 This specification relates to computer simulation of physical processes, such as physical fluid flows.

いわゆる「格子ボルツマン法」(LBM)は、計算流体力学において使用される有利な技術である。格子ボルツマンシステムの基礎を成す力学は、ボルツマン方程式に従う多くの粒子の動きを伴う気体分子運動論の基本物理学に存在する。ボルツマン基本運動システムには、衝突及び移流という2つの基本的な動力学プロセスがある。衝突プロセスは、保存則に従う粒子間の相互作用、及び平衡状態への緩和を伴う。移流プロセスは、微視的粒子速度に従う1つの位置から別の位置への粒子の動きをモデル化することを含む。 The so-called "Lattice Boltzmann Method" (LBM) is an advantageous technique used in computational fluid dynamics. The underlying dynamics of a lattice Boltzmann system resides in the fundamental physics of kinetic gases, with the motion of many particles following the Boltzmann equation. In a Boltzmann fundamental kinetic system, there are two fundamental dynamical processes: collision and advection. The collision process involves the interaction between particles following conservation laws, and relaxation to an equilibrium state. The advection process involves modeling the motion of particles from one location to another following microscopic particle velocities.

圧縮性流では、質量、運動量及び全エネルギーの保存を満たすために、通常は単一の分布関数を使用する。単一の分布関数を使用してこれらの3つの量を全て解く場合、LBMに使用される格子は、最大8次のモーメントを満たすべきである。この状況では、モーメント要件が増加し、結果として得られるステンシルサイズも増大するので、数多くの格子速度が必要である。単一の粒子分布関数の使用に伴う他の留意事項としては、分布関数の安定性、運動量及びエネルギーの境界条件、体積力(body force)及び熱源などに関する留意事項が挙げられる。 In compressible flows, a single distribution function is typically used to satisfy the conservation of mass, momentum and total energy. If a single distribution function is used to solve for all three quantities, the grid used for LBM should satisfy up to the eighth order of moments. In this situation, numerous grid velocities are required as the moment requirements increase and the resulting stencil size also increases. Other considerations with the use of a single particle distribution function include considerations regarding the stability of the distribution function, momentum and energy boundary conditions, body forces and heat sources, etc.

米国特許出願公開第2016-0188768号明細書US Patent Application Publication No. 2016-0188768 米国特許第9,576,087号明細書U.S. Pat. No. 9,576,087

1つの態様によれば、全エネルギー保存を実施するシミュレーションを使用してコンピュータ上で流体流をシミュレートする方法が、メッシュにわたる粒子の動きをモデル化するようにメッシュにわたる流体の活動をシミュレートするステップと、メッシュ内の各メッシュ位置の、それぞれが対応するメッシュ位置における可能な運動量状態のうちの特定の運動量状態に対応する複数のエントリを含む一連の状態ベクトルをコンピュータアクセス可能メモリに記憶するステップと、コンピュータが、メッシュ内のメッシュ位置の一連のエネルギー値を計算するステップと、コンピュータが、粒子の後続のメッシュ位置への移流を一定の時間間隔にわたって実行するステップと、コンピュータが、移流した粒子の状態に全エネルギー(specific total energy values)を加算し、時間間隔にわたって移流しなかった粒子の状態から全エネルギー値を減算することによって、粒子の状態ベクトルを修正するステップと、を含む。 According to one aspect, a method of simulating fluid flow on a computer using a simulation that enforces total energy conservation includes simulating fluid activity across a mesh to model particle movement across the mesh; storing in a computer accessible memory a set of state vectors for each mesh location within the mesh, the set of state vectors including a plurality of entries, each entry corresponding to a particular one of the possible momentum states at the corresponding mesh location; the computer calculating a set of energy values for the mesh locations within the mesh; the computer performing advection of the particles to subsequent mesh locations over a time interval; and the computer modifying the state vectors of the particles by adding specific total energy values to the advected particle states and subtracting specific total energy values from the particle states that were not advected over the time interval.

態様は、1又は2以上の機械可読ハードウェア記憶装置上のコンピュータプログラム製品、装置及びコンピュータシステムも含む。 Aspects also include computer program products, devices, and computer systems on one or more machine-readable hardware storage devices.

上記態様のうちの1つ又は2つ以上は、本明細書で説明する特徴の中でもとりわけ以下の特徴のうちの1つ又は2つ以上を含むことができる。 One or more of the above aspects may include one or more of the following features, among others, as described herein:

修正された一連の状態に従って粒子が後続のメッシュ位置に移流した後に、態様は、粒子状態に局所圧力項を加え直してからモーメントを計算して正しい圧力勾配(∇p)をもたらすステップを含む。局所圧力項は、コンピュータによって計算されるθ-1項を含む。流体流の活動をシミュレートするステップは、第1の一連の離散格子速度に部分的に基づいて流体流をシミュレートするステップを含み、方法は、第2の一連の離散格子速度に部分的に基づいてスカラー量の時間発展をシミュレートするステップをさらに含む。第2の一連の離散格子速度は、第1の一連の離散格子速度と同じ格子速度である。第2の一連の離散格子速度は、格子速度の数が第1の一連の離散格子速度の数と異なる。全エネルギーの時間発展をシミュレートするステップは、近隣メッシュ位置からの流入分布を衝突演算子及びエネルギー演算子について収集するステップと、流入分布に重み付けするステップと、衝突演算子とエネルギー演算子との積として流出分布を決定するステップと、決定された流出分布を伝播するステップと、を含む。 After the particles are advected to the subsequent mesh location according to the modified set of states, the aspect includes adding back a local pressure term to the particle state and then calculating the moment to result in a correct pressure gradient (∇p). The local pressure term includes a θ-1 term that is calculated by the computer. The step of simulating the fluid flow activity includes simulating the fluid flow based in part on the first set of discrete grid velocities, and the method further includes simulating the time evolution of the scalar quantity based in part on the second set of discrete grid velocities. The second set of discrete grid velocities is the same grid velocity as the first set of discrete grid velocities. The second set of discrete grid velocities has a number of grid velocities different from the number of discrete grid velocities in the first set. The step of simulating the time evolution of the total energy includes collecting inflow distributions from neighboring mesh locations for a collision operator and an energy operator, weighting the inflow distributions, determining an outflow distribution as a product of the collision operator and the energy operator, and propagating the determined outflow distribution.

スカラー量の時間発展をシミュレートするステップは、1次項としての衝突演算子とエネルギー演算子との積に由来する運動量流束を効果的に表す衝突演算子に部分的に基づいてスカラー量の時間発展をシミュレートするステップを含む。任意のプラントル数のための正確な剪断応力を回復させるために、エネルギー衝突項は以下によって与えられ、

Figure 0007496049000001

Figure 0007496049000002

ここでの
Figure 0007496049000003

は、非平衡成分のフィルタ処理された2次モーメントである。 Simulating the time evolution of the scalar quantity includes simulating the time evolution of the scalar quantity based in part on a collision operator that effectively represents the momentum flux resulting from the product of a collision operator and an energy operator as a first order term. To recover the exact shear stress for any Prandtl number, the energy collision term is given by:
Figure 0007496049000001

Figure 0007496049000002

Here
Figure 0007496049000003

is the filtered second moment of the unbalanced component.

態様は、流入分布が、決定された流出分布に等しくなるように、ゼロの正味表面流束境界条件を適用するステップをさらに含む。流出分布を決定するステップは、ゼロの表面スカラー流束をもたらすように流出分布を決定するステップを含む。スカラー量は、温度、濃度及び密度から成る群から選択されたスカラー量を含む。メッシュ内のメッシュ位置の一連のエネルギー値を計算するステップは、Et=E+ν2/2によって与えられる全エネルギーEtを計算するステップをさらに含み、ここでのEはエネルギーであり、νは速度である。 The aspect further comprises applying a zero net surface flux boundary condition such that the inflow distribution is equal to the determined outflow distribution. Determining the outflow distribution comprises determining the outflow distribution to result in a zero surface scalar flux. The scalar quantity comprises a scalar quantity selected from the group consisting of temperature, concentration and density. Calculating a set of energy values for mesh locations within the mesh further comprises calculating a total energy Et given by Et = E + v2 /2, where E is energy and v is velocity.

活動をシミュレートするステップは、コンピュータが、平衡分布及び全エネルギーEtの第2の分布関数を適用するステップを含み、第2の分布は、流れ分布fiと共に移流する特定のスカラーとして定義される。第2の分布関数は、エネルギー方程式に対するfiの非平衡寄与を考慮して、境界付近の異なる格子分解能にわたる正確な流れ挙動を取得し、分布関数の衝突演算子は以下によって与えられ、

Figure 0007496049000004

Figure 0007496049000005

ここでの項Ωf、Ωqは、それぞれの衝突演算子を表し、上記方程式において使用される平衡分布は以下の通りである、
Figure 0007496049000006

Figure 0007496049000007
The step of simulating the activity includes the step of the computer applying a second distribution function of the equilibrium distribution and the specific total energy Et , where the second distribution is defined as a particular scalar that is advected with the flow distribution fj . The second distribution function takes into account the non-equilibrium contribution of fj to the energy equation to obtain accurate flow behavior over different grid resolutions near the boundary, where the collision operator of the distribution function is given by:
Figure 0007496049000004

Figure 0007496049000005

where the terms Ω f , Ω q represent the respective collision operators and the equilibrium distribution used in the above equation is:
Figure 0007496049000006

Figure 0007496049000007

全エネルギーは、圧力が対流するように移流前に項を追加し、追加エネルギーを補正するために停止状態からエネルギーを削除する。追加エネルギーを削除することによって全エネルギーが保存され、正しい圧力速度項がもたらされる。追加エネルギーを削除することは、停止状態

Figure 0007496049000008


Figure 0007496049000009

となるように修正することによって行われる。 The total energy is calculated by adding a term before advection as pressure is convected, and then removing energy from the resting state to compensate for the additional energy. By removing the additional energy, the total energy is conserved, resulting in the correct pressure velocity term. Removing the additional energy is equivalent to removing the resting state
Figure 0007496049000008

of
Figure 0007496049000009

This is done by modifying it so that

本明細書に開示する方法では、全エネルギーを解くことが、流れ分布と共に移流する特定のスカラーとして定義される第2の分布を使用する。本明細書で説明する流体流をシミュレートする方法は、格子ボルツマン(LB)法及びスカラーソルバ輸送方程式を使用する。全エネルギー保存を有して高安定域を伴う圧縮性流れのためのLBMソルバを提供し、これを実際の応用に使用することができる。衝突中には、ソルバにおいて使用される平衡分布が正であり、移流中には、温度結合が行われる。 In the method disclosed herein, solving the total energy uses a second distribution defined as a specific scalar that is advected with the flow distribution. The method for simulating fluid flow described herein uses the Lattice Boltzmann (LB) method and a scalar solver transport equation. An LBM solver for compressible flows with total energy conservation and high stability zone is provided, which can be used in practical applications. During collisions, the equilibrium distribution used in the solver is positive, and during advection, temperature coupling is performed.

図面を含む以下の説明及び特許請求の範囲から、他の特徴及び利点が明らかになるであろう。 Other features and advantages will become apparent from the following description, including the drawings, and from the claims.

流体流シミュレーションシステムを示す図である。FIG. 1 illustrates a fluid flow simulation system. 複雑な流体流シミュレーション及び全エネルギーの計算のための動作を示すフローチャートである。1 is a flowchart showing operations for complex fluid flow simulation and total energy calculation. 複雑な流体流シミュレーション及び全エネルギーの計算のための動作を示すフローチャートである。1 is a flowchart showing operations for complex fluid flow simulation and total energy calculation. 期待結果、予測結果の例示的な計算ベースの比較を示す図である。FIG. 1 illustrates an exemplary computation-based comparison of expected and predicted outcomes. 期待結果、予測結果の例示的な計算ベースの比較を示す図である。FIG. 1 illustrates an exemplary computation-based comparison of expected and predicted outcomes. 期待結果、予測結果の例示的な計算ベースの比較を示す図である。FIG. 1 illustrates an exemplary computation-based comparison of expected and predicted outcomes. 2つのLBMモデルの速度成分を示す図である(先行技術)。FIG. 2 illustrates velocity components of two LBM models (prior art). 2つのLBMモデルの速度成分を示す図である(先行技術)。FIG. 2 illustrates velocity components of two LBM models (prior art). 物理的プロセスシミュレーションシステムが従う手順のフローチャートである(先行技術)。1 is a flowchart of a procedure followed by a physical process simulation system (prior art). マイクロブロックの透視図である。FIG. 2 is a perspective view of a microblock. 図1のシステムが使用する格子構造(先行技術)の図である。FIG. 2 is a diagram of a lattice structure (prior art) used by the system of FIG. 1; 図1のシステムが使用する格子構造(先行技術)の図である。FIG. 2 is a diagram of a lattice structure (prior art) used by the system of FIG. 1; 可変分解能技術を示す図である(先行技術)。FIG. 1 illustrates variable resolution technology (prior art). 可変分解能技術を示す図である(先行技術)。FIG. 1 illustrates variable resolution technology (prior art). 粒子とファセットとの相互作用を理解する上で役立つ平行六面体を示す図である。FIG. 1 illustrates a parallelepiped that is useful in understanding particle-facet interactions. ボクセルから表面への粒子の動きを示す図である(先行技術)。FIG. 1 illustrates the movement of particles from a voxel to a surface (prior art). 表面から表面への粒子の動きを示す図である(先行技術)。FIG. 1 illustrates the movement of particles from surface to surface (prior art). 表面動力学の実行手順のフローチャートである(先行技術)。1 is a flow chart of a procedure for performing surface dynamics (prior art); 粒子衝突ステップから独立した熱力学ステップを使用して分布関数を生成するプロセスのフローチャートである。1 is a flow chart of a process for generating a distribution function using a thermodynamic step that is independent of the particle collision step.

以下の図9で説明する手順では、全エネルギー保存を実施する格子ボルツマンソルバを用いたフローシミュレーションプロセスについて説明する。 The steps illustrated in Figure 9 below describe a flow simulation process using a lattice Boltzmann solver that enforces total energy conservation.

図7、図8及び図10~図18では、図にそれぞれ「先行技術」との表記を行っている。これらの図に先行技術との表記を行う理由は、一般にこれらの図が上述した特許で見られるためである。しかしながら、これらの図は、上述した特許出願で見られる通りである。しかしながら、上述した特許出願には、後述する全エネルギー保存を実施する格子ボルツマンソルバについての記載がないため、これらの図は、このLBソルバを使用してフローシミュレーションに対して行う修正を一切考慮していない。 In Figures 7, 8, and 10-18, the figures are labeled "Prior Art." These figures are labeled as prior art because they are commonly found in the patents referenced above. However, these figures are as they appear in the patent applications referenced above. However, the patent applications referenced above do not describe a lattice Boltzmann solver that implements total energy conservation, as described below, and therefore these figures do not take into account any modifications that may be made to the flow simulation using this LB solver.

A.スカラー量を解くための方法
複雑な流体流シミュレーションを達成する際には、流体流を解くのと共に、温度分布、濃度分布及び/又は密度などのスカラー量を同時に解くことが有益となり得る。本明細書で説明するシステム及び方法では、LBMベースの物理プロセスシミュレーションシステムに基づく流体流のモデル化に(ベクトル量とは対照的に)スカラー量のモデル化を結びつける。モデル化できる例示的なスカラー量としては、温度、濃度及び密度が挙げられる。
A. Methods for Solving for Scalar Quantities In achieving complex fluid flow simulations, it can be beneficial to simultaneously solve for scalar quantities, such as temperature distribution, concentration distribution and/or density, along with solving for the fluid flow. The systems and methods described herein couple the modeling of scalar quantities (as opposed to vector quantities) to the modeling of fluid flow based on an LBM-based physical process simulation system. Exemplary scalar quantities that can be modeled include temperature, concentration and density.

スカラー量のモデル化をシミュレーション流体流に結びつける技術の具体的詳細は、Pradeep Gopalakrishman他による「熱的混成格子ボルツマン法のための温度結合アルゴリズム(Temperature Coupling Algorithm for Hybrid Thermal Lattice Boltzmann Method)」という名称の同時係属中の米国特許出願公開第2016-0188768号に詳述されており、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。比較的高い安定域を有するガリレイ不変の衝突演算子(Galilean-invariant collision operator)に基づく衝突演算子を使用する。この衝突演算子の具体的詳細は米国特許第9,576,087号に記載されており、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。 Specific details of the technique for coupling scalar modeling to simulated fluid flow are detailed in co-pending U.S. Patent Application Publication No. 2016-0188768, entitled "Temperature Coupling Algorithm for Hybrid Thermal Lattice Boltzmann Method," by Pradeep Gopalakrishman et al., the contents of which are incorporated herein by reference in their entirety. A collision operator based on a Galilean-invariant collision operator with a relatively high stability region is used. Specific details of this collision operator are described in U.S. Patent No. 9,576,087, the contents of which are incorporated herein by reference in their entirety.

例えば、このシステムを使用して、システム内の対流温度分布を求めることができる。例えば、(複数のボクセルによって表される体積で形成された)システムが熱源を含み、システム内に空気流が存在する場合には、空気流及び熱源との近接性に基づいて、システムの一部の領域が他の領域よりも高温になる。このような状況をモデル化するために、システム内の温度分布を、各ボクセルが関連する温度を有するスカラー量として表すことができる。 For example, the system can be used to determine the convection temperature distribution within a system. For example, if a system (formed by a volume represented by multiple voxels) contains a heat source and there is an airflow within the system, some regions of the system will be hotter than other regions based on their proximity to the airflow and the heat source. To model such a situation, the temperature distribution within the system can be represented as a scalar quantity, with each voxel having an associated temperature.

別の例では、このシステムを使用して、システム内の化学物質分布を求めることができる。例えば、(複数のボクセルによって表される体積で形成された)システムが、汚染爆弾、或いは空気中又は液体中に懸濁した化学物質又は他の粒子などの汚染源を含み、システム内に空気流又は液体流が存在する場合には、流れ及び汚染源との近接性に基づいて、システムの一部の領域が他の領域よりも高濃度になる。このような状況をモデル化するために、システム内の化学物質分布を、各ボクセルが関連する濃度を有するスカラー量として表すことができる。 In another example, the system can be used to determine the distribution of chemicals within a system. For example, if a system (formed of a volume represented by multiple voxels) contains a contamination source, such as a dirty bomb or chemicals or other particles suspended in the air or liquid, and there is an air or liquid flow within the system, some regions of the system will have higher concentrations than other regions based on the flow and proximity to the contamination source. To model such a situation, the distribution of chemicals within the system can be represented as a scalar quantity, with each voxel having an associated concentration.

いくつかの応用では、複数の異なるスカラー量を同時にシミュレートすることができる。例えば、システムは、システム内の温度分布及び濃度分布の両方をシミュレートすることができる。 In some applications, multiple different scalar quantities can be simulated simultaneously. For example, the system can simulate both the temperature distribution and the concentration distribution within the system.

スカラー量は、様々な方法でモデル化することができる。例えば、スカラー輸送方程式を解くための格子ボルツマン(LB)法を使用して間接的にスカラー輸送を解くことができる。例えば、本明細書で説明する方法は、以下の2次巨視的スカラー輸送方程式の間接解をもたらすことができる。

Figure 0007496049000010
Scalar quantities can be modeled in various ways. For example, the lattice Boltzmann (LB) method for solving the scalar transport equation can be used to indirectly solve the scalar transport. For example, the method described herein can provide an indirect solution of the second-order macroscopic scalar transport equation:
Figure 0007496049000010

流体流のための格子ボルツマン関数に加え、輸送スカラーに第2の分布関数の組を導入する。この方法は、体積内の各ボクセルにベクトルを割り当てて流体流を表し、体積内の各ボクセルにスカラー量を割り当てて所望のスカラー変数(例えば、温度、密度、濃度など)を表す。この方法は、正確な保存則を満たす巨視的スカラー輸送方程式を完全に回復させる。この方法は、他の非LBM法と比べて、求められるスカラー量の精度を高めると考えられる。また、この方法は、複雑な境界形状を考慮する能力を高めるとも考えられる。 In addition to the lattice Boltzmann function for fluid flow, a second set of distribution functions is introduced for the transport scalars. The method assigns a vector to each voxel in the volume to represent the fluid flow, and a scalar to each voxel in the volume to represent the desired scalar variable (e.g., temperature, density, concentration, etc.). The method fully recovers the macroscopic scalar transport equations that satisfy the exact conservation laws. This method is believed to improve the accuracy of the calculated scalars compared to other non-LBM methods. The method is also believed to improve the ability to consider complex boundary shapes.

このスカラー量をモデル化する方法は、マサチューセッツ州バーリントンのExa Corporation社から市販されているPowerFLOWシステムなどの、格子ボルツマン法(LBM)に基づく時間陽的CFD/CAA解法と共に使用することができる。LBMは、巨視的連続体方程式を離散化することに基づく方法とは異なり、「メゾスコピック」ボルツマン運動方程式から開始して巨視的流体力学を予測する。結果として得られる圧縮非定常解法(compressible and unsteady solution method)を使用して、空力音響問題及び純音響問題などの様々な複雑な流れの物理特性を予測することができる。以下では、LBMベースのシミュレーションシステムの一般的考察を示した後に、このようなモデル化法をサポートするために流体流シミュレーションと共に使用できるスカラー解法について説明する。 This method of modeling scalar quantities can be used with time-explicit CFD/CAA solvers based on the Lattice Boltzmann Method (LBM), such as the PowerFLOW system available from Exa Corporation, Burlington, Massachusetts. Unlike methods based on discretizing the macroscopic continuum equations, LBM predicts macroscopic fluid dynamics starting from the "mesoscopic" Boltzmann equations of motion. The resulting compressible and unsteady solution method can be used to predict the physics of a variety of complex flows, including aeroacoustic and pure acoustic problems. Below, we provide a general discussion of LBM-based simulation systems, followed by a description of scalar solution methods that can be used with fluid flow simulations to support such modeling methods.

シミュレーション空間のモデル化
LBMベースの物理的プロセスシミュレーションシステムでは、流体流が、一連の離散速度ciで評価される分布関数値fiによって表される。分布関数の動力学は方程式I1に準拠し、ここでのfi(0)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おり、

Figure 0007496049000011

方程式(I1)
式中、
Figure 0007496049000012

である。 Modeling the Simulation Space In an LBM-based physical process simulation system, a fluid flow is represented by distribution function values f i evaluated at a set of discrete velocities c i . The dynamics of the distribution function follows equation I1, where f i (0) is known as the equilibrium distribution function defined as:
Figure 0007496049000011

Equation (I1)
In the formula,
Figure 0007496049000012

It is.

この方程式は、分布関数fiの時間発展を表す周知の格子ボルツマン方程式である。左辺は、いわゆる「流動過程」による分布の変化を表す。流動過程は、あるメッシュ位置において流体ポケットが開始した後に、複数の速度ベクトルのうちの1つに沿って次のメッシュ位置に移動する時点である。この時点で、「衝突係数」、すなわち開始流体ポケットに対する近隣の流体ポケットの影響を計算する。流体は別のメッシュ位置にしか移動することできず、従って全ての速度の全ての成分が共通速度の倍数になるように正しい速度ベクトルの選択が必要である。 This equation is the well-known lattice Boltzmann equation that describes the time evolution of the distribution function f i . The left-hand side describes the change in distribution due to the so-called "flow process". The flow process is the point in time when a fluid pocket starts at one mesh location and then moves along one of several velocity vectors to the next mesh location. At this point, we calculate the "collision coefficient", i.e. the influence of neighboring fluid pockets on the starting fluid pocket. Fluids can only move to another mesh location, so the correct choice of velocity vectors is necessary so that all components of all velocities are multiples of a common velocity.

第1の方程式の右辺は、流体ポケット同士の衝突に起因する分布関数の変化を表す上述した「衝突演算子」である。特定の形の衝突演算子は、Bhatnagar、Gross and Krock(BGK)演算子とすることができる。衝突演算子は、「平衡」形態である第2の方程式によって与えられる規定値に分布関数を至らしめる。 The right hand side of the first equation is the "collision operator" mentioned above, which describes the change in the distribution function due to collisions between fluid pockets. A particular form of the collision operator can be the Bhatnagar, Gross and Krock (BGK) operator. The collision operator drives the distribution function to a prescribed value given by the second equation, which is its "equilibrium" form.

BGK演算子は、たとえ衝突の詳細がどうであろうと、分布関数は、衝突を通じて{fi eq(x,v,t)}{feq(x,v,t)}によって与えられる明確に定義された局所平衡に近付くという物理的説明に従って構築され、

Figure 0007496049000013

方程式(I2)
ここでのパラメータτは、衝突を介した平衡までの特性緩和時間を表す。粒子(例えば、原子又は分子)の取り扱いでは、通常は緩和時間が定数とみなされる。 The BGK operator is constructed according to the physical description that, whatever the details of the collision, the distribution function approaches a well-defined local equilibrium given by {f i eq (x,v,t)}{f eq (x,v,t)} through the collision,
Figure 0007496049000013

Equation (I2)
The parameter τ here represents the characteristic relaxation time to equilibrium via collisions. In dealing with particles (e.g. atoms or molecules), the relaxation time is usually taken to be a constant.

このシミュレーションから、質量ρ及び流体速度uなどの従来の流体変数が以下の方程式(I3)の単純和として得られる。

Figure 0007496049000014

方程式(I3)
ここでのρ、u及びTは、それぞれ流体の密度、速度及び温度であり、Dは、(必ずしも物理的空間次元とは等しくない)離散化速度空間の次元である。 From this simulation, traditional fluid variables such as mass ρ and fluid velocity u are obtained as simple sums in equation (I3) below:
Figure 0007496049000014

Equation (I3)
where ρ, u and T are the density, velocity and temperature of the fluid, respectively, and D is the dimension of the discretized velocity space (not necessarily equal to the physical space dimension).

対称性を考慮することにより、速度値の集合は、配置空間内でスパニングした時に特定の格子構造を形成するように選択される。このような離散系の動特性は、以下の形を有するLBEに従い、
i(x+ci,t+1)-fi(x,t)=ci(x,t)
ここでの衝突演算子は、通常は上述したようなBGKの形を取る。平衡分布形態を正しく選択することにより、格子ボルツマン方程式が正しい流体力学及び熱流体力学の結果をもたらすことを理論的に示すことができる。すなわち、fi(x,t)から導き出される流体力学的モーメントは、巨視的極限ではナビエ・ストークス方程式に従う。これらのモーメントは、上記の方程式(I3)によって定義される。
Due to symmetry considerations, the set of velocity values is chosen to form a particular lattice structure when spanning the configuration space. The dynamics of such a discrete system obeys the LBE, which has the form
f i (x+c i ,t+1)-f i (x,t)=c i (x,t)
The collision operator here usually takes the form BGK as described above. With the correct choice of equilibrium distribution form, it can be theoretically shown that the lattice Boltzmann equations yield the correct hydrodynamic and thermohydrodynamic results. That is, the hydrodynamic moments derived from f i (x,t) obey the Navier-Stokes equations in the macroscopic limit. These moments are defined by equation (I3) above.

i及びwiの集合的な値はLBMモデルを規定する。LBMモデルは、スケーラブルコンピュータプラットフォーム上に効率的に実装して、時間非定常流(time unsteady flows)及び複雑な境界条件のために高いロバスト性を伴って実行することができる。 The collective values of c i and w i define the LBM model, which can be efficiently implemented on scalable computing platforms and run with high robustness for time unsteady flows and complex boundary conditions.

ボルツマン方程式から流体系の動きの巨視的方程式を取得する標準技術は、完全なボルツマン式の連続近似を取るチャップマン-エンスコッグ法(Chapman-Enskog method)である。流体系では、密度のわずかな乱れが音速で伝わる。気体系では、一般に音速が温度によって決まる。流れの圧縮率の影響の重要性は、特性速度と音速との比率によって測定され、これはマッハ数として知られている。従来のLBMベースの物理プロセスシミュレーションシステムのさらなる説明については、上記で引用により組み入れた米国特許出願公開第2016/0188768号を参照されたい。 The standard technique for obtaining the macroscopic equations of motion for a fluid system from the Boltzmann equation is the Chapman-Enskog method, which takes a successive approximation of the full Boltzmann equation. In a fluid system, small disturbances in density travel at the speed of sound. In gas systems, the speed of sound generally depends on the temperature. The importance of the effect of compressibility of the flow is measured by the ratio of the characteristic velocity to the speed of sound, which is known as the Mach number. For a further description of conventional LBM-based physical process simulation systems, see U.S. Patent Application Publication No. 2016/0188768, incorporated by reference above.

図1に、物理的対象表現の周囲などの流体流をシミュレートするシステム10を示す。この実装のシステム10は、クライアントサーバアーキテクチャに基づき、超並列コンピュータシステム12として実装されるサーバシステム12と、クライアントシステム14とを含む。サーバシステム12は、メモリ18と、バスシステム11と、インターフェイス20(例えば、ユーザインターフェイス/ネットワークインターフェイス/ディスプレイ又はモニタインターフェイスなど)と、処理装置24とを含む。メモリ18内には、メッシュ準備エンジン32及びシミュレーションエンジン34が存在する。システム10は、2D及び/又は3Dメッシュ、座標系及びライブラリを記憶するデータリポジトリ38にアクセスする。 1 shows a system 10 for simulating fluid flow, such as around a representation of a physical object. In this implementation, the system 10 is based on a client-server architecture and includes a server system 12 implemented as a massively parallel computer system 12 and a client system 14. The server system 12 includes a memory 18, a bus system 11, an interface 20 (e.g., a user interface/network interface/display or monitor interface, etc.), and a processing unit 24. Within the memory 18 resides a mesh preparation engine 32 and a simulation engine 34. The system 10 has access to a data repository 38 that stores 2D and/or 3D meshes, coordinate systems, and libraries.

図1では、メッシュ準備エンジン32をメモリ18内に示しているが、メッシュ準備エンジンは、サーバ12とは異なるシステム上で実行されるサードパーティアプリケーションとすることもできる。メッシュ準備エンジン32は、メモリ18内で実行されるか、それともサーバ12とは異なるシステム上で実行されるかにかかわらず、ユーザ指定のメッシュ定義30を受け取り、メッシュを準備してシミュレーションエンジン34に送信する。以下で開示するように、シミュレーションエンジン34は、粒子衝突相互作用モジュールと、粒子境界モデルモジュールと、移流動作を実行する移流モジュールとを含む。シミュレーションエンジン34は、図3で後述するような全エネルギーソルバも含む。 1 shows the mesh preparation engine 32 in memory 18, the mesh preparation engine can be a third party application running on a different system than the server 12. Whether the mesh preparation engine 32 runs in memory 18 or on a different system than the server 12, it receives the user-specified mesh definition 30 and prepares and transmits the mesh to the simulation engine 34. As disclosed below, the simulation engine 34 includes a particle collision interaction module, a particle boundary model module, and an advection module that performs advection operations. The simulation engine 34 also includes a total energy solver as described below in FIG. 3.

次に、図2に、物理的対象表現の周囲の流体流をシミュレートするプロセス40を示す。本明細書で説明する例では、物理的対象が翼形部である。しかしながら、物理的対象はあらゆる形状とすることができ、具体的には平面及び/又は(単複の)曲面を有するので、翼形部の使用は例示にすぎない。プロセスは、例えばクライアントシステム14から、又はデータリポジトリ42から検索を行うことにより、例えばシミュレートする物理的対象のメッシュを受け取る(42)。他の実施形態では、外部システム又はサーバ12のいずれかが、シミュレートする物理的対象のメッシュをユーザ入力に基づいて生成する。このプロセスは、検索されたメッシュから幾何学量を事前計算し(44)、検索されたメッシュに対応する事前計算された幾何学量を用いて動的格子ボルツマンモデルシミュレーションを実行する(46)。格子ボルツマンモデルシミュレーションは、移流した粒子の状態に全エネルギー値を加算し、一定の時間間隔にわたって移流しなかった粒子の状態から全エネルギー値を減算することによって修正された状態ベクトルの組に従う、粒子分布の発展と、LBMメッシュ内の次のセル

Figure 0007496049000015

への粒子の移流とのシミュレーションを含む。 2, a process 40 for simulating fluid flow around a representation of a physical object is shown. In the example described herein, the physical object is an airfoil. However, the use of an airfoil is merely exemplary, as the physical object can be any shape, specifically having planar and/or curved surface(s). The process receives (42), for example, a mesh of the physical object to be simulated, for example, by retrieving it from the client system 14 or from a data repository 42. In other embodiments, either an external system or the server 12 generates the mesh of the physical object to be simulated based on user input. The process pre-computes (44) geometric quantities from the retrieved mesh, and runs (46) a dynamic lattice Boltzmann model simulation using the pre-computed geometric quantities corresponding to the retrieved mesh. The lattice Boltzmann model simulation includes the evolution of the particle distribution and the next cell in the LBM mesh according to a set of state vectors that are modified by adding specific total energy values to the states of the advected particles and subtracting specific total energy values from the states of the non-advected particles over a period of time.
Figure 0007496049000015

Simulations with particle advection into the void are included.

全エネルギー保存圧縮性流れソルバ
複雑な流体流シミュレーションを達成する際には、流体流を解くのと共に、温度分布、濃度分布及び/又は密度などのスカラー量を同時に解くことが有益となり得る。特定のスカラーとスカラー分布とを区別することは、q(方程式10)とh(方程式2)との間の差分であり、E_tである特定のスカラーqを使用するのに対し、hは密度*E_tである。説明する方法は、上述した米国特許出願公開第2016-0188768号において説明されているように、移流する流れの上に存在するスカラーのようなものである。
Total Energy Conserving Compressible Flow Solver In achieving complex fluid flow simulations, it can be beneficial to simultaneously solve for scalar quantities such as temperature distribution, concentration distribution and/or density along with solving the fluid flow. The distinction between a particular scalar and a scalar distribution is made by using a particular scalar q, which is the difference between q (Eq. 10) and h (Eq. 2), E_t, whereas h is density*E_t. The method described is such that the scalar exists on top of the advecting flow, as described in the above-mentioned U.S. Patent Application Publication No. 2016-0188768.

全エネルギー保存における圧力項の処理
次に、図3を参照して、従来の方法よりも良好な安定域を有して実際の用途に応用できる全エネルギー保存プロセス50を用いた圧縮性LBMソルバについて説明する。解く必要がある全エネルギー方程式は、以下によって与えられ、

Figure 0007496049000016

方程式1
ここでの全エネルギーEtは、Et=E+ν2/2によって与えられ、ρは密度であり、νは速度であり、pは圧力であり、kは熱伝導率であり、Tは温度であり、τは剪断応力である。この方程式は、高速流のための全計算流体力学ツールによって解く必要がある一般方程式である。 3, a compressible LBM solver using a total energy conservation process 50 that has a better stability zone than conventional methods and can be applied in practical applications is described. The total energy equation that needs to be solved is given by:
Figure 0007496049000016

Equation 1
The total energy Et here is given by Et = E + v2 /2, where p is density, v is velocity, p is pressure, k is thermal conductivity, T is temperature, and τ is shear stress. This equation is the general equation that needs to be solved by all computational fluid dynamics tools for high speed flows.

全エネルギーソルバに伴う複雑さの1つは、方程式1における圧力対流項「p」の加算である。格子ボルツマン法(LBM)は、高速流のための全計算流体力学ツールと同様に、この方程式を全エネルギー保存について解く必要がある。LBM法には、全ての事例について、とりわけ圧力対流項pについてこの方程式を解く上でいくつかの欠点がある。開示する方法は、この方程式を複雑な問題について解くことができ、他の利点も有する。 One of the complications with the total energy solver is the addition of the pressure convection term "p" in Equation 1. The Lattice Boltzmann Method (LBM), as well as all computational fluid dynamics tools for high-speed flows, must solve this equation for total energy conservation. The LBM method has some shortcomings in solving this equation for all cases, especially for the pressure convection term p. The disclosed method can solve this equation for complex problems and has other advantages.

LBM法について存在するような圧力対流問題は、以下のように説明することができる。正常なスカラー輸送は以下の方程式の形を取る。

Figure 0007496049000017

上記方程式の左辺は対流項を含み、右辺は拡散項を有する。全エネルギー方程式とは異なり、上記方程式の全ての項は1つのスカラー変数Sしか含んでおらず、このことが移流を単純化する。プロセス50は、選択された平衡分布形態に従って粒子分布の発展をシミュレートする(52)。 The pressure convection problem as it exists for the LBM method can be described as follows: The normal scalar transport takes the form of the following equation:
Figure 0007496049000017

The left side of the above equation contains a convective term and the right side has a diffusive term. Unlike the total energy equation, all terms in the above equation contain only one scalar variable S, which simplifies advection. The process 50 simulates (52) the evolution of the particle distribution according to a selected equilibrium distribution regime.

平衡分布(方程式1の選択形態)52に加え、全エネルギーEtを計算するための第2の分布関数を使用する(54)。プロセス50は、LBMにおける次のセルqへの粒子の移流(56)を含む。エネルギー保存の実現は、2つの分布の積によって行われる。これらの分布関数の積は、流れ分布fiと共に移流する特定のスカラーとして定義される。この第2の分布関数は、エネルギーを解くために単独で第2の分布関数を使用する既存の方法とは異なり、エネルギー方程式に対するfiの非平衡寄与を考慮して、境界付近の異なる格子分解能にわたる正確な流れ挙動を取得する。 In addition to the equilibrium distribution (a selected form of Eq. 1) 52, a second distribution function is used to calculate the specific total energy Et (54). The process 50 includes advection of particles to the next cell q in the LBM (56). The realization of energy conservation is achieved by the product of two distributions. The product of these distribution functions is defined as a particular scalar that is advected with the flow distribution fj . This second distribution function differs from existing methods that use a second distribution function alone to solve for the energy, and takes into account the non-equilibrium contribution of fj to the energy equation to obtain accurate flow behavior over different grid resolutions near the boundaries.

分布関数の衝突演算子は以下によって与えられる。

Figure 0007496049000018

方程式2
Figure 0007496049000019

方程式3 The collision operator for the distribution function is given by:
Figure 0007496049000018

Equation 2
Figure 0007496049000019

Equation 3

方程式2及び方程式3の項Ωf及びΩqは、それぞれの衝突演算子を表すために使用される。方程式5の衝突演算子Ωfについては、米国特許第9,576,087号において広く説明されており、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。上記の方程式で使用される平衡分布は以下の通りである。

Figure 0007496049000020

Figure 0007496049000021

方程式4 The terms Ωf and Ωq in Equation 2 and Equation 3 are used to represent the respective collision operators. The collision operator Ωf in Equation 5 is explained extensively in U.S. Patent No. 9,576,087, the contents of which are incorporated herein by reference in their entirety. The equilibrium distributions used in the above equations are as follows:
Figure 0007496049000020

Figure 0007496049000021

Equation 4

全エネルギーソルバのための分布関数方程式7の上記公式化において明白な観察結果は、平衡分布が、方程式1などにおける圧力項(p)、及びθ-1項、熱流に不可欠なp=ρRTを含まない点である。第2の分布は、内部エネルギーE=CνT及び運動エネルギーν2/2の総和である全エネルギーである。 Distribution Function for the Total Energy Solver An obvious observation in the above formulation of Equation 7 is that the equilibrium distribution does not include the pressure term (p) as in Equation 1, and the θ-1 term, p=ρRT, which is essential for heat flow. The second distribution is the specific total energy, which is the sum of the internal energy E=C v T and the kinetic energy v 2 /2.

従って、この分布関数は、衝突演算中に常に正の値をもたらし、従ってこの分布関数は、対応する高い安定性をソルバにもたらす。方程式(2)における衝突後の状態がそのまま移流した場合、方程式4の分布関数は、運動量の等温圧力勾配のみをもたらし、全エネルギー方程式に圧力対流項をもたらさない。平衡分布を使用して移流中及び衝突中に以下のような圧力項を含む他の方法とは対照的に、移流に起因して圧力勾配項及び圧力対流項が生じる一方で、衝突はこれらの項に影響を与えない。

Figure 0007496049000022

Figure 0007496049000023

Figure 0007496049000024
Therefore, this distribution function always results in a positive value during the collision calculation, and therefore this distribution function provides the solver with a corresponding high stability. If the post-collision state in equation (2) is advected as is, the distribution function in equation 4 will only result in an isothermal pressure gradient of momentum and will not result in a pressure convection term in the total energy equation. In contrast to other methods that use an equilibrium distribution and include pressure terms during advection and collision such as the following, while the pressure gradient term and pressure convection term arise due to advection, collisions do not affect these terms.
Figure 0007496049000022

Figure 0007496049000023

Figure 0007496049000024

項θ=RT/T0は、圧力に対応して上記の平衡を負の状態にするものであり、従って既存の技術は非常に不安定である。また、第2の分布関数hi eqを全エネルギーについて単独で使用していることにより、異なる格子分解能にわたってノイズも生じる。 The term θ=RT/T 0 makes the above equilibrium negative in response to pressure, and therefore the existing technique is highly unstable. Also, the use of the second distribution function h i eq alone for all energies introduces noise across different grid resolutions.

処理50は、移流した状態に全エネルギーを追加する一方で停止状態(非移動状態)から全エネルギーを削除することによって移流状態を修正する(58)。 The process 50 modifies the advected states by adding specific total energy to the advected states while removing specific total energy from the rest (non-moving) states (58).

具体的には、この正確な運動量及びエネルギー方程式を回復させる修正(58)では、圧力の導入が移流ステップ中にしか行われない。移流プロセスの前には、メッシュサイトにおける移動状態(∀i≠0)値が、以下の方程式8のように修正される。

Figure 0007496049000025

Figure 0007496049000026

方程式5 Specifically, in this modification (58) that recovers the accurate momentum and energy equations, the introduction of pressure occurs only during the advection step. Prior to the advection process, the moving state (∀i≠0) values at the mesh sites are modified as in Equation 8 below:
Figure 0007496049000025

Figure 0007496049000026

Equation 5

しかしながら、この項(方程式5の第2の方程式)をqiに加えると、移動状態に追加エネルギーも加わる。この項によって表される追加エネルギーを補正するために、停止状態(粒子が対流しない状態)から同じ量のエネルギーを削除する。プロセスは、これを行うことによってエネルギーを保存し、正確な圧力速度項をもたらす。具体的にいえば、全エネルギーの保存は、停止状態

Figure 0007496049000027


Figure 0007496049000028

となるように修正することによって行われる。 However, adding this term (the second equation in Equation 5) to qi also adds additional energy to the moving state. To compensate for the additional energy represented by this term, we remove the same amount of energy from the resting state (where no particles are advecting). By doing this, the process conserves energy, resulting in the correct pressure velocity term. Specifically, the conservation of total energy is
Figure 0007496049000027

of
Figure 0007496049000028

This is done by modifying it so that

移流後には、モーメントを計算する前に粒子状態に局所圧力項を加え直し、これによって正しい圧力勾配(∇p)が得られる。

Figure 0007496049000029

方程式6 After advection, we add the local pressure term back to the particle state before computing the moments, which gives us the correct pressure gradient (∇p).
Figure 0007496049000029

Equation 6

移流前(方程式8)及び移流後(方程式6)の修正は、運動量の状態の正しい方程式(又は正しい圧力勾配(∇p))を回復させるとともに、全エネルギーの正しい圧力対流項∇(up)も回復させる。圧力項が削除されるので(方程式9)、衝突中に状態が正になって全エネルギーソルバの安定域を改善する。 The pre-advection (equation 8) and post-advection (equation 6) modifications restore the correct equation for the momentum state (or the correct pressure gradient (∇p)) and also the correct pressure convection term ∇(up) in the total energy. Because the pressure term is eliminated (equation 9), the state becomes positive during collisions, improving the stability region of the total energy solver.

以下で図9において考察するように、移流した粒子の状態に全エネルギー値を加算し、その時間間隔にわたって移流しなかった粒子の状態から全エネルギー値を減算することによってコンピュータが粒子の状態ベクトルを修正するという移流に対する全エネルギー修正を適用して移流を修正する。 As discussed below in FIG. 9 , advection is corrected by applying a total energy correction for advection in which the computer modifies the state vectors of the particles by adding a specific total energy value to the states of the advected particles and subtracting a specific total energy value from the states of the particles that were not advected over that time interval.

エネルギーのための正則化された衝突演算子
流動状態のために使用される衝突演算子Ωfは、上述した米国特許第9,576,087号において検討されている。以下では、エネルギーのために使用される衝突演算子Ωqについて検討する。1次モーメントを伴う正則化された衝突は以下のように与えられ、

Figure 0007496049000030

Figure 0007496049000031

方程式7
ここでの方程式7は、全エネルギーに対するフィルタ処理された非平衡寄与である。エネルギー保存は、方程式(7)の右辺における第2項
Figure 0007496049000032

である衝突項を以下の状態にする2つの状態の乗算によって満たされる。
Figure 0007496049000033

方程式8 Regularized Collision Operator for Energy The collision operator Ωf used for the flow state is discussed in the above mentioned U.S. Pat. No. 9,576,087. In the following, we consider the collision operator Ωq used for the energy. The regularized collision with first moment is given by
Figure 0007496049000030

Figure 0007496049000031

Equation 7
Equation 7 here is the filtered non-equilibrium contribution to the total energy. Energy conservation is the second term on the right-hand side of equation (7)
Figure 0007496049000032

The collision term is satisfied by the multiplication of two states, which results in the following state:
Figure 0007496049000033

Equation 8

上記の項のゼロ番目のモーメントは0であり、エネルギーを保存する。チャップマン・エンスコッグの拡張中には、衝突項の1次モーメントが熱拡散の導出に関与し、剪断応力によって機能する。衝突項は、1次近似として以下のように表すことができる。

Figure 0007496049000034

方程式9 The zeroth moment of the above term is zero, conserving energy. During the Chapman-Enskog expansion, the first moment of the collision term is involved in the derivation of thermal diffusion and is driven by shear stresses. The collision term can be expressed as follows, as a first order approximation:
Figure 0007496049000034

Equation 9

上記の方程式では、両状態

Figure 0007496049000035

を乗算した結果、運動量流束項ρυυが生じる。この項ρυυは、高速流では数値的不安定性をもたらすとともに、マッハ数依存の拡散ももたらす。これらの影響を軽減するために、衝突演算子を以下のように定義することによって項ρυυを削除する。
Figure 0007496049000036

方程式10 In the above equation, both states
Figure 0007496049000035

The multiplication by results in a momentum flux term ρυυ. This term ρυυ can lead to numerical instabilities at high speeds as well as Mach number dependent diffusion. To reduce these effects, we eliminate the term ρυυ by defining the collision operator as
Figure 0007496049000036

Equation 10

上記の式は、運動量流束項ρυυを削除して、高マッハ流での数値的安定性を改善する。 The above equation eliminates the momentum flux term ρυυ, improving numerical stability in high Mach flows.

衝突演算子には多くの方法を利用することができる。これらの方法の1つは「正則化」と呼ばれる。Hudong及びRaoyangによる(係属中の)格子ボルツマンに基づくスカラーについての特許では、「正則化」がさらなるガリレイ不変性特徴(Galilean invariance feature)と併せて使用されている。しかしながら、この正則化衝突演算子は、高速流との使用にとって理想的なものではない。導出中には、結局のところ演算子がρυυなどの高次項を有するようになる(方程式12)。LBMでは、一般に速度値が常に1未満であり、従って低速流ではこれらの誤差項がはるかに小さくなり、無視することもできる。しかしながら、高速流では、速度値がほぼ1程度に高くなり、従って誤差項ρυυが比較的大きくなり、方程式10によって削除される。 Many methods are available for the collision operator. One of these methods is called "regularization". In the (pending) patent by Hudong and Raoyang on lattice Boltzmann based scalars, "regularization" is used in conjunction with the additional Galilean invariance feature. However, this regularized collision operator is not ideal for use with high speed flows. During the derivation, the operator ends up having higher order terms such as ρυυ (Eq. 12). In LBM, the velocity values are generally always less than 1, so for low speed flows these error terms become much smaller and can be ignored. However, for high speed flows the velocity values become high, almost 1, so the error term ρυυ becomes relatively large and is eliminated by Eq. 10.

任意のプラントル数のための粘性効果
エネルギーソルバで使用される緩和時間は、熱拡散率に等しい粘度を有する剪断応力(τq-0.5ρRTによって誤った結果をもたらすτqである。任意のプラントル数のための正確な剪断応力を回復させるために、エネルギー衝突項に以下のさらなる項を追加し、

Figure 0007496049000037

方程式11
ここでの
Figure 0007496049000038

は、非平衡成分のフィルタ処理された2次モーメントである。 Viscous effects for arbitrary Prandtl numbers. The relaxation time used in the energy solver is the shear stress with viscosity equal to the thermal diffusivity (τ q −0.5ρRT), which leads to erroneous results. To recover the correct shear stress for arbitrary Prandtl numbers, we add an additional term to the energy impingement term:
Figure 0007496049000037

Equation 11
Here
Figure 0007496049000038

is the filtered second moment of the unbalanced component.

全エネルギーソルバの能力
全エネルギーソルバは、PowerFLOW(登録商標)などの既存の流れソルバに含めることができ、亜音速流及び遷音速流に関連する応用を含む幅広い産業用途に使用することができる。
Total Energy Solver Capabilities The total energy solver can be included in existing flow solvers, such as PowerFLOW®, and can be used for a wide range of industrial applications, including those involving subsonic and transonic flows.

本節では、開示する全エネルギーソルバの、とりわけエネルギー保存面に関連する圧縮性流についての潜在的利点の一部を示すために、いくつかのベンチマークについて説明する。シミュレーション結果を、解析解及び典型的な有限差分PDEベースのハイブリッドソルバ解と比較する。 In this section, we present several benchmarks to demonstrate some of the potential advantages of the disclosed total energy solver, especially for compressible flows related to energy conservation aspects. Simulation results are compared to analytical solutions and to a typical finite difference PDE-based hybrid solver solution.

図4に、前縁からx=1.5mの平板にわたる、Ma=0.7のマッハ速度(Ma)における流れの全温度のグラフを示す。図4に示すように、平板にわたる流れの全エネルギーソルバ(実線62)は全温度を正確に回復させるのに対し、ハイブリッドソルバ(LBM流れソルバ及び有限差分ベースのエントロピーソルバ)(点線64)は全温度を維持していない。 Figure 4 shows a graph of the total temperature for the flow across the plate at x = 1.5 m from the leading edge at a Mach speed (Ma) of Ma = 0.7. As shown in Figure 4, the total energy solver for the flow across the plate (solid line 62) accurately recovers the total temperature, whereas the hybrid solver (LBM flow solver and finite difference based entropy solver) (dotted line 64) does not preserve the total temperature.

図5には、前縁からx=1.5mの平板のMa=0.7のマッハ速度(Ma)における静温度のグラフを示す。このグラフには、u/u(y軸)としてのuに対して温度TをT/T(x軸)として示す。実線66として表した開示する全エネルギーソルバをハイブリッドソルバ(LBM流れソルバ及び有限差分ベースのエントロピーソルバ)(点線68)と比較する。この図1には、前縁からx=1.5mの平板のMa=0.7のマッハ速度(Ma)における静温度がウォルツの方程式(アスタリスク線70)に一致することが示されている。 5 shows a graph of static temperature at a Mach speed (Ma) of Ma=0.7 for a flat plate at x=1.5 m from the leading edge. The graph shows temperature T as T/ T∞ (x-axis) versus u as u/ u∞ (y-axis). The disclosed total energy solver shown as solid line 66 is compared to a hybrid solver (LBM flow solver and finite difference based entropy solver) (dotted line 68). This FIG. 1 shows that the static temperature at a Mach speed (Ma) of Ma=0.7 for a flat plate at x=1.5 m from the leading edge matches the Waltz equation (asterisk line 70).

図6には、逆圧Pb=0:75Ptの縮小拡大検証(Converging-Diverging Verification)(CDV)ノズルの温度シミュレーション結果のグラフを示す。このグラフには、x(y軸)に対して温度TをT/T(x軸)として示す。実線72として表した開示する全エネルギーソルバを、ハイブリッドソルバ(LBM流れソルバ及び有限差分ベースのエントロピーソルバ)(点線74)と比較する。開示する全エネルギーソルバは、分析決定プロットの破線76と良好に一致する。静温度の比較では、有限差分法に基づく圧縮性ソルバが衝突後に温度を回復できていないのに対し、開示する全エネルギーソルバは期待値を達成することが示されている。 FIG. 6 shows a graph of thermal simulation results for a Converging-Diverging Verification (CDV) nozzle with back pressure P b =0:75P t . The graph shows temperature T as T/T (x-axis) versus x (y-axis). The disclosed total energy solver, shown as a solid line 72, is compared to a hybrid solver (LBM flow solver and finite difference based entropy solver) (dotted line 74). The disclosed total energy solver is in good agreement with the dashed line 76 of the analytical decision plot. A comparison of static temperatures shows that the finite difference based compressible solver fails to recover temperatures after impact, while the disclosed total energy solver achieves the expected values.

開示する全エネルギーソルバを用いたシステムを使用して、システム内の対流温度分布を求めることができる。例えば、(複数のボクセルによって表される体積で形成された)システムが熱源を含み、システム内に空気流が存在する場合には、空気流及び熱源との近接性に基づいて、システムの一部の領域が他の領域よりも高温になる。このようなシステムをモデル化するために、システム内の温度分布を、各ボクセルが関連する温度を有するスカラー量として表すことができる。 A system using the disclosed total energy solver can be used to determine the convective temperature distribution within the system. For example, if a system (formed of a volume represented by multiple voxels) contains a heat source and there is an airflow within the system, some regions of the system will be hotter than other regions based on their proximity to the airflow and the heat source. To model such a system, the temperature distribution within the system can be represented as a scalar quantity, with each voxel having an associated temperature.

別の例では、このシステムを使用して、システム内の化学物質分布を求めることができる。例えば、(複数のボクセルによって表される体積で形成された)システムが、汚染爆弾、或いは空気中又は液体中に懸濁した化学物質又は他の粒子などの汚染源を含み、システム内に空気流又は液体流が存在する場合には、流れ及び汚染源との近接性に基づいて、システムの一部の領域が他の領域よりも高濃度になる。このような状況をモデル化するために、システム内の化学物質分布を、各ボクセルが関連する濃度を有するスカラー量として表すことができる。 In another example, the system can be used to determine the distribution of chemicals within a system. For example, if a system (formed of a volume represented by multiple voxels) contains a contamination source, such as a dirty bomb or chemicals or other particles suspended in the air or liquid, and there is an air or liquid flow within the system, some regions of the system will have higher concentrations than other regions based on the flow and proximity to the contamination source. To model such a situation, the distribution of chemicals within the system can be represented as a scalar quantity, with each voxel having an associated concentration.

いくつかの応用では、複数の異なるスカラー量を同時にシミュレートすることができる。例えば、システムは、システム内の温度分布及び濃度分布の両方をシミュレートすることができる。 In some applications, multiple different scalar quantities can be simulated simultaneously. For example, the system can simulate both the temperature distribution and the concentration distribution within the system.

スカラー量は、様々な方法でモデル化することができる。例えば、スカラー輸送方程式を解くための格子ボルツマン(LB)法を使用して間接的にスカラー輸送を解くことができる。例えば、本明細書で説明する方法は、上述した以下の2次巨視的スカラー輸送方程式の間接解をもたらすことができる。

Figure 0007496049000039
Scalar quantities can be modeled in various ways. For example, the lattice Boltzmann (LB) method for solving the scalar transport equation can be used to indirectly solve the scalar transport. For example, the methods described herein can provide an indirect solution of the following second-order macroscopic scalar transport equation mentioned above:
Figure 0007496049000039

このような配置シミュレーションでは、流体流のための格子ボルツマン関数に加え、輸送スカラーに第2の分布関数の組が導入される。この方法は、体積内の各ボクセルにベクトルを割り当てて流体流を表し、体積内の各ボクセルにスカラー量を割り当てて所望のスカラー変数(例えば、温度、密度、濃度など)を表す。この方法は、正確な保存則を満たす巨視的スカラー輸送方程式を完全に回復させる。この方法は、他の非LBM法と比べて、求められるスカラー量の精度を高めると考えられる。また、この方法は、複雑な境界形状を考慮する能力を高めるとも考えられる。 In such configuration simulations, in addition to the lattice Boltzmann functions for fluid flow, a second set of distribution functions is introduced for the transport scalars. The method assigns vectors to each voxel in the volume to represent the fluid flow, and assigns scalars to each voxel in the volume to represent the desired scalar variables (e.g., temperature, density, concentration, etc.). The method fully recovers the macroscopic scalar transport equations that satisfy the exact conservation laws. The method is believed to improve the accuracy of the calculated scalars compared to other non-LBM methods. The method is also believed to improve the ability to consider complex boundary shapes.

このスカラー量をモデル化する方法は、マサチューセッツ州バーリントンのExa Corporation社から市販されているPowerFLOWシステムなどの、格子ボルツマン法(LBM)に基づく時間陽的CFD/CAA解法と共に使用することができる。LBMは、巨視的連続体方程式を離散化することに基づく方法とは異なり、「メゾスコピック」ボルツマン運動方程式から開始して巨視的流体力学を予測する。結果として得られる圧縮非定常解法を使用して、空力音響問題及び純音響問題などの様々な複雑な流れの物理特性を予測することができる。以下では、LBMベースのシミュレーションシステムの一般的考察を示した後に、このようなモデル化法をサポートするために流体流シミュレーションと共に使用できるスカラー解法について説明する。 This method of modeling scalar quantities can be used with time-explicit CFD/CAA solvers based on the Lattice Boltzmann Method (LBM), such as the PowerFLOW system available from Exa Corporation, Burlington, Massachusetts. Unlike methods based on discretizing the macroscopic continuum equations, LBM predicts macroscopic fluid dynamics starting from the "mesoscopic" Boltzmann equations of motion. The resulting compressible transient solution can be used to predict a variety of complex flow physics, including aeroacoustic and pure acoustic problems. Below, we provide a general discussion of LBM-based simulation systems, followed by a description of scalar solvers that can be used with fluid flow simulations to support such modeling methods.

図7を参照すると、第1のモデル(2D-1)100は、21個の速度を含む2次元モデルである。これらの21個の速度のうち、1つ(105)は動いていない粒子を表し、3組の4つの速度は、格子のx軸又はy軸のいずれかに沿って正の方向又は負の方向のいずれかに正規化速度(r)(110~113)、正規化速度の2倍(2r)(120~123)、又は正規化速度の3倍(3r)(130~133)のいずれかで動いている粒子を表し、2組の4つの速度は、x格子軸及びy格子軸の両方に関して正規化速度(r)(140~143)又は正規化速度の2倍(2r)(150~153)で動いている粒子を表す。 Referring to FIG. 7, the first model (2D-1) 100 is a two-dimensional model that includes 21 velocities. Of these 21 velocities, one (105) represents a particle that is not moving, three sets of four velocities represent particles moving in either the positive or negative direction along either the x or y axis of the lattice at either the normalized velocity (r) (110-113), twice the normalized velocity (2r) (120-123), or three times the normalized velocity (3r) (130-133), and two sets of four velocities represent particles moving with normalized velocity (r) (140-143) or twice the normalized velocity (2r) (150-153) with respect to both the x and y lattice axes.

また、図8に示すように、第2のモデル(3D-1)200は、各速度が図8の矢印のうちの1つによって表される39個の速度を含む3次元モデルである。これらの39個の速度のうち、1つは動いていない粒子を表し、3組の6つの速度は、格子のx軸、y軸又はz軸に沿って正の方向又は負の方向のいずれかに正規化速度(r)、正規化速度の2倍(2r)、又は正規化速度の3倍(3r)のいずれかで動いている粒子を表し、8つの速度は、x、y、z格子軸の3つ全てに関して正規化速度(r)で動いている粒子を表し、12個の速度は、x、y、z格子軸の2つに関して正規化速度の2倍(2r)で動いている粒子を表す。 Also as shown in FIG. 8, the second model (3D-1) 200 is a three-dimensional model that includes 39 velocities, each velocity represented by one of the arrows in FIG. 8. Of these 39 velocities, one represents a particle that is not moving, a trio of six velocities represent particles moving at either a normalized velocity (r), twice the normalized velocity (2r), or three times the normalized velocity (3r) in either a positive or negative direction along the x, y, or z axis of the grid, eight velocities represent particles moving at a normalized velocity (r) with respect to all three of the x, y, and z grid axes, and twelve velocities represent particles moving at twice the normalized velocity (2r) with respect to two of the x, y, and z grid axes.

101個の速度を含む3D-2モデル及び37個の速度を含む2D-2モデルなどのさらに複雑なモデルを使用することもできる。 More complex models can also be used, such as a 3D-2 model with 101 velocities and a 2D-2 model with 37 velocities.

101個の速度から成る3次元モデル3D-2では、1つが動いていない粒子(グループ1)を表し、3組の6つの速度が、格子のx、y又はz軸に沿って正の方向又は負の方向のいずれかに正規化速度(r)、正規化速度の2倍(2r)、又は正規化速度の3倍(3r)のいずれかで動いている粒子(グループ2、4及び7)を表し、3組の8つの速度が、x、y、z格子軸の3つ全てに関して正規化速度(r)、正規化速度の2倍(2r)、又は正規化速度の3倍(3r)で動いている粒子(グループ3、8及び10)を表し、12個の速度が、x、y、z格子軸の2つに関して正規化速度の2倍(2r)で動いている粒子(グループ6)を表し、24個の速度が、x、y、z格子軸のうちの2つに対して正規化速度(r)及び正規化速度の2倍(2r)で動いていて残りの軸に関しては動いていない粒子(グループ5)を表し、24個の速度が、x、y、z格子軸のうちの2つに対して正規化速度(r)で動いていて残りの軸に関して正規化速度の3倍(3r)で動いている粒子(グループ9)を表す。 In the three-dimensional model 3D-2, which consists of 101 velocities, one represents particles that are not moving (group 1), three sets of six velocities represent particles that are moving at either the normalized velocity (r), twice the normalized velocity (2r), or three times the normalized velocity (3r) in either the positive or negative direction along the x, y, or z axis of the grid (groups 2, 4, and 7), and three sets of eight velocities represent particles that are moving at the normalized velocity (r), twice the normalized velocity (2r), or three times the normalized velocity (3r) with respect to all three of the x, y, and z grid axes (groups 1, 2, and 3). 3, 8, and 10), 12 velocities represent particles moving at twice the normalized velocity (2r) about two of the x, y, and z grid axes (Group 6), 24 velocities represent particles moving at normalized velocity (r) and twice the normalized velocity (2r) about two of the x, y, and z grid axes and not moving about the remaining axis (Group 5), and 24 velocities represent particles moving at normalized velocity (r) about two of the x, y, and z grid axes and three times the normalized velocity (3r) about the remaining axis (Group 9).

37個の速度から成る2次元モデル2D-2では、1つが動いていない粒子(グループ1)を表し、3組の4つの速度が、格子のx軸又はy軸のいずれかに沿って正の方向又は負の方向のいずれかに正規化速度(r)、正規化速度の2倍(2r)、又は正規化速度の3倍(3r)のいずれかで動いている粒子(グループ2、4及び7)を表し、2組の4つの速度が、x及びy格子軸の両方に関して正規化速度(r)又は正規化速度の2倍(2r)で動いている粒子を表し、8つの速度が、x及びy格子軸の一方に関して正規化速度(r)で動いていて他方の軸に関して正規化速度の2倍(2r)で動いている粒子を表し、8つの速度が、x及びy格子軸の一方に関して正規化速度(r)で動いていて他方の軸に対して正規化速度の3倍(3r)で動いている粒子を表す。 In the two-dimensional model 2D-2, which consists of 37 velocities, one represents particles that are not moving (group 1), three sets of four velocities represent particles that are moving at either normalized velocity (r), twice the normalized velocity (2r), or three times the normalized velocity (3r) in either the positive or negative direction along either the x or y axis of the lattice (groups 2, 4, and 7), two sets of four velocities represent particles that are moving at normalized velocity (r) or twice the normalized velocity (2r) with respect to both the x and y lattice axes, eight velocities represent particles that are moving at normalized velocity (r) with respect to one of the x and y lattice axes and twice the normalized velocity (2r) with respect to the other axis, and eight velocities represent particles that are moving at normalized velocity (r) with respect to one of the x and y lattice axes and three times the normalized velocity (3r) with respect to the other axis.

上述したLBMモデルは、2次元及び3次元の両方における流れの数値シミュレーションのための特定のクラスの効率的でロバストな離散速度動力学モデルを提供する。この種のモデルは、特定の離散速度の組と、これらの速度に関連する重みとを含む。これらの速度は、特に格子ボルツマンモデルとして知られている種類の離散速度モデルの正確で効率的な実装を容易にする速度空間における(非ユークリッド空間内)デカルト座標のグリッド点と一致する。このようなモデルを用いて、高い忠実度で流れをシミュレートすることができる。 The LBM models described above provide a particular class of efficient and robust discrete velocity dynamics models for the numerical simulation of flows in both two and three dimensions. This type of model contains a particular set of discrete velocities and weights associated with these velocities. These velocities correspond to Cartesian grid points in velocity space (in a non-Euclidean space) that facilitate accurate and efficient implementation of discrete velocity models, particularly of the class known as Lattice Boltzmann models. Such models can be used to simulate flows with high fidelity.

図9を参照すると、物理プロセスシミュレーションシステムが、手順300に従って動作して流体流などの物理プロセスをシミュレートする。シミュレーションの前に、シミュレーション空間をボクセルの集合としてモデル化する(ステップ302)。通常、シミュレーション空間は、コンピュータ支援設計(CAD)プログラムを用いて生成される。例えば、CADプログラムを用いて、風洞内に位置するマイクロデバイスを描くことができる。その後、CADプログラムによって生成されたデータを処理して適切な分解能の格子構造を追加し、シミュレーション空間内の物体及び表面を考慮する。 Referring to FIG. 9, a physical process simulation system operates according to procedure 300 to simulate a physical process such as a fluid flow. Prior to simulation, the simulation space is modeled as a collection of voxels (step 302). Typically, the simulation space is generated using a computer-aided design (CAD) program. For example, a CAD program may be used to depict a microdevice located within a wind tunnel. The data generated by the CAD program is then processed to add a grid structure of appropriate resolution to account for objects and surfaces within the simulation space.

格子の分解能は、シミュレートされるシステムのレイノルズ数に基づいて選択することができる。レイノルズ数は、流れの粘度(ν)、流れにおける物体の特性長(L)及び流れの特性速度(u)に関連する。
Re=uL/ν方程式(I4)
The grid resolution can be selected based on the Reynolds number of the system being simulated, which is related to the viscosity of the flow (ν), the characteristic length of an object in the flow (L), and the characteristic velocity of the flow (u).
Re = uL / ν Equation (I4)

物体の特性長は、物体の大規模な特徴を表す。例えば、マイクロデバイスの周囲の流れをシミュレートする場合には、マイクロデバイスの高さを特性長と見なすことができる。小さな物体領域(例えば、自動車のサイドミラー)の周囲の流れに関心がある時には、シミュレーションの分解能を高めるか、或いは関心領域の周囲に高分解能の領域を使用することができる。格子の分解能が高まるにつれてボクセルの次元は減少する。 The characteristic length of an object represents a large-scale feature of the object. For example, when simulating flow around a microdevice, the height of the microdevice can be considered as the characteristic length. When one is interested in the flow around a small object region (e.g., a car side mirror), one can increase the resolution of the simulation or use a high-resolution region around the region of interest. As the grid resolution increases, the voxel dimension decreases.

状態空間はfi(x,t)として表され、ここでのfiは、時点tにおいて3次元ベクトルxによって示される、ある格子サイトにおける状態iの単位体積当たりの要素又は粒子の数(すなわち、状態iの粒子の密度)を表す。既知の時間増分では、粒子の数が単純にfi(x)として示される。格子サイトの全ての状態の組み合わせは、f(x)として示される。 The state space is represented as f (x,t), where f represents the number of elements or particles per unit volume of state i at a lattice site (i.e., the density of particles in state i) represented by the three-dimensional vector x at time t. At a known time increment, the number of particles is simply represented as f (x). The combination of all states at a lattice site is represented as f(x).

状態の数は、各エネルギーレベル内の考えられる速度ベクトル数によって決まる。速度ベクトルは、x、y及びzの3次元を有する空間内の整数の線形速度から成る。多重種シミュレーションでは状態の数が増加する。 The number of states is determined by the number of possible velocity vectors in each energy level. A velocity vector consists of integer linear velocities in a space with three dimensions x, y, and z. The number of states increases in multi-species simulations.

各状態iは、特定のエネルギーレベル(すなわち、エネルギーレベル0、1又は2)における異なる速度ベクトルを表す。各状態の速度ciは、以下のように3次元の各次元における「速度」と共に示される。
i=(cix,c,ciz) 方程式(I5)
Each state i represents a different velocity vector at a particular energy level (i.e., energy level 0, 1 or 2). The velocity c of each state is denoted with "velocity" in each of the three dimensions as follows:
c i =(c ix , c i v , c iz ) Equation (I5)

エネルギーレベルゼロの状態は、どの次元においても動いていない停止した粒子を表し、すなわちcstopped=(0,0,0)である。エネルギーレベル1の状態は、3次元のうちの1つの次元において±1の速度を有し、他の2つの次元においてゼロ速度を有する粒子を表す。エネルギーレベル2の状態は、3次元全てにおいて±1の速度を有する粒子、或いは3次元のうちの1つの次元において±2の速度を有し、他の2つの次元においてゼロ速度を有する粒子を表す。 A state of energy level zero represents a stopped particle that is not moving in any dimension, i.e. c stopped =(0,0,0). A state of energy level 1 represents a particle with a velocity of ±1 in one of the three dimensions and zero velocity in the other two. A state of energy level 2 represents a particle with a velocity of ±1 in all three dimensions, or a velocity of ±2 in one of the three dimensions and zero velocity in the other two.

3つのエネルギーレベルの考えられる順列を全て生成すると、全部で39個の可能な状態(1つのエネルギー0状態、6つのエネルギー1状態、8つのエネルギー3状態、6つのエネルギー4状態、12のエネルギー8状態及び6つのエネルギー9状態)が得られる。 Generating all possible permutations of the three energy levels gives a total of 39 possible states (1 energy 0 state, 6 energy 1 states, 8 energy 3 states, 6 energy 4 states, 12 energy 8 states and 6 energy 9 states).

各ボクセル(すなわち、各格子サイト)は、状態ベクトルf(x)によって表される。状態ベクトルは、ボクセルの状態を完全に定め、39個のエントリを含む。39個のエントリは、1つのエネルギー0状態、6つのエネルギー1状態、8つのエネルギー3状態、6つのエネルギー4状態、12のエネルギー8状態及び6つのエネルギー9状態に対応する。システムは、この速度集合を使用することによって、達成された平衡状態ベクトルのためのマクスウェル-ボルツマン統計を生じることができる。全エネルギーでは、第2の分散qi(x,t)に同じ数のエントリ(39の状態)を使用してエネルギーを表す。これを状態ベクトルf(x)と共に使用して全エネルギー保存を解く。 Each voxel (i.e., each lattice site) is represented by a state vector f(x). The state vector completely defines the state of the voxel and contains 39 entries. The 39 entries correspond to one energy 0 state, six energy 1 states, eight energy 3 states, six energy 4 states, twelve energy 8 states, and six energy 9 states. Using this set of rates, the system can generate Maxwell-Boltzmann statistics for the achieved equilibrium state vector. For total energy, the second variance q i (x,t) uses the same number of entries (39 states) to represent the specific energy. This is used together with the state vector f(x) to solve the total energy conservation.

ボクセルは、処理効率のためにマイクロブロックと呼ばれる2×2×2の容量にグループ化される。これらのマイクロブロックは、ボクセルの並行処理を可能にして、データ構造に関連するオーバーヘッドを最小化するように編成される。マイクロブロック内のボクセルの略語はNi(n)として定義され、ここでのnは、マイクロブロック内の格子サイトの相対的位置を表し、n∈{0,1,2,...,7}である。図10にマイクロブロックを示す。 Voxels are grouped into 2x2x2 volumes called microblocks for processing efficiency. These microblocks are organized to enable parallel processing of the voxels and minimize the overhead associated with the data structure. The abbreviation for a voxel within a microblock is defined as Ni (n), where n represents the relative position of the lattice site within the microblock, nε{0, 1, 2,..., 7}. A microblock is shown in Figure 10.

図11A及び図11Bを参照すると、表面S(図11A)をシミュレーション空間(図11B)内にファセットFαの集合として表している。
S={Fα} 方程式(I6)
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。全エネルギー分散関数qi(α)は、ファセットとボクセルの相互作用のための流れ分散と同じ方法で取り扱われる。
11A and 11B, a surface S (FIG. 11A) is represented in a simulation space (FIG. 11B) as a collection of facets F α .
S = {F α } Equation (I6)
where α is an index that enumerates a particular facet. Facets are not restricted to voxel boundaries and typically have a size comparable to or slightly smaller than the size of the voxels adjacent to the facet, so that the facet affects a relatively small number of voxels. The facets are assigned properties for the purpose of implementing surface dynamics. Specifically, each facet has a unit normal ( ), a surface area ( ), a center position ( ), and a facet distribution function (f i (α)) that describes the surface dynamics of the facet. The total energy dispersion function q i (α) is treated in the same way as the flow dispersion for the facet-voxel interaction.

図12を参照すると、シミュレーション空間の異なる領域内で異なるレベルの分解能を用いて処理効率を高めることができる。通常は、物体655の周囲の領域650に最も関心があり、従ってこの領域を最高分解能でシミュレートする。粘度の効果は物体からの距離と共に減少するので、減少レベルの分解能(すなわち、拡大されたボクセル体積)を用いて、物体655から増加する距離に配置された領域660、665をシミュレートする。同様に、図13に示すように、低レベルの分解能を用いて物体775のそれほど重要でない特徴の周囲の領域770をシミュレートする一方で、最高レベルの分解能を用いて物体775の最も重要な特徴(例えば、先端面及び後端面)の周囲の領域780をシミュレートすることもできる。中心から遠い領域785は、最低レベルの分解能及び最大ボクセルを用いてシミュレートされる。 With reference to FIG. 12, different levels of resolution can be used in different regions of the simulation space to increase processing efficiency. Typically, the region 650 around the object 655 is of most interest, and therefore this region is simulated with the highest resolution. Since the effect of viscosity decreases with distance from the object, a decreasing level of resolution (i.e., an expanded voxel volume) is used to simulate regions 660, 665 located at increasing distances from the object 655. Similarly, as shown in FIG. 13, a region 770 around less important features of the object 775 can be simulated with a lower level of resolution, while a region 780 around the most important features of the object 775 (e.g., the leading and trailing faces) can be simulated with the highest level of resolution. Regions 785 far from the center are simulated with the lowest level of resolution and the most voxels.

C.ファセットの影響を受けるボクセルの識別
再び図9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。
C. Identifying Voxels Influenced by Facets Referring again to FIG. 9, once the simulation space has been modeled (step 302), voxels influenced by one or more facets are identified (step 304). A voxel can be influenced by a facet in several ways. First, a voxel intersected by one or more facets is affected in that it has a reduced volume compared to non-intersected voxels. This is because the facets and the material below the surface that the facets represent occupy a portion of the voxel. A fractional factor Pf (x) indicates the portion of the voxel that is not influenced by the facets (i.e., the portion that can be occupied by the fluid or other material whose flow is to be simulated). For non-intersected voxels, Pf (x) is equal to 1.

ファセットへの粒子の移動又はファセットからの粒子の受け取りを行うことによって1又は2以上のファセットと相互作用するボクセルも、ファセットの影響を受けるボクセルとして識別される。ファセットが交わる全てのボクセルは、ファセットから粒子を受け取る少なくとも1つの状態と、ファセットに粒子を移動させる少なくとも1つの状態とを含むようになる。ほとんどの場合、さらなるボクセルもこのような状態を含む。 Voxels that interact with one or more facets by either transferring particles to the facet or receiving particles from the facet are also identified as voxels influenced by the facet. Every voxel that is intersected by a facet will contain at least one state that receives particles from the facet and at least one state that transfers particles to the facet. In most cases, further voxels will also contain such states.

図14を参照すると、ファセットFαは、非ゼロの速度ベクトルciを有する各状態iについて、速度ベクトルCiとファセットの単位法線nαとのベクトルドット積(|cii|)の大きさによって定められる高さと、ファセットの表面積Aαによって定められる底面とを有する平行六面体Gによってその体積Vが次式に等しくなるように定められた領域から粒子を受け取り、又はこの領域に粒子を移動させる。
=|ciα|Aα 方程式(I7)
Referring to FIG. 14, for each state i with a nonzero velocity vector c, a facet receives particles from or transfers particles to a region defined by a parallelepiped having a height defined by the magnitude of the vector dot product (|c i n i |) of the velocity vector C i and the unit normal n α of the facet, and a base defined by the surface area of the facet, such that its volume V is equal to:
V = | c i n α | A α Equation (I7)

ファセットFαは、状態の速度ベクトルがファセットの方に向いている(|cii|<0の)時には体積Vから粒子を受け取り、状態の速度ベクトルがファセットから離れる方に向いている(|cii|>0の)時にはこの領域に粒子を移動させる。後述するように、内角などの非凸面特徴の近傍で起こり得る状態である、別のファセットが平行六面体Gの一部を占有する時には、この式が修正される。 A facet receives particles from the volume when the state's velocity vector points towards it (|c i n i |<0), and transfers particles into this region when the state's velocity vector points away from it (|c i n i |>0). As we will see later, this equation is modified when another facet occupies a portion of the parallelepiped , a situation that can occur near a non-convex feature such as an interior corner.

ファセットFαの平行六面体Gは、複数のボクセルの一部又は全部に重なり合うことができる。ボクセルの数又はその一部は、ボクセルのサイズに対するファセットのサイズと、状態のエネルギーと、格子構造に対するファセットの配向とに依存する。影響を受けるボクセルの数は、ファセットのサイズと共に増加する。従って、上述したように、通常、ファセットのサイズは、ファセットの近くに位置するボクセルのサイズと同程度又はそれよりも小さくなるように選択される。 The parallelepiped G of the facet F α can overlap some or all of the voxels. The number of voxels or the fraction depends on the size of the facet relative to the size of the voxel, the energy of the states and the orientation of the facet with respect to the lattice structure. The number of affected voxels increases with the size of the facet. Therefore, as mentioned above, the size of the facet is usually chosen to be comparable to or smaller than the size of the voxels located near the facet.

平行六面体Gが重なり合ったボクセルの部分N(x)は、V(x)として定められる。この項を使用すると、ボクセルN(x)とファセットFαとの間を移動する状態iの粒子の流束Γ(x)は、ボクセルの状態iの粒子の密度(Ni(x))と、ボクセルが重なり合った領域の体積(V(x))とを乗算したものに等しい。
Γ(x)=Ni(x)V(x) 方程式(I8)
The fraction N(x) of a voxel overlapped by a parallelepiped G is defined as V (x). Using this term, the flux Γ (x) of a particle in state i moving between voxel N(x) and facet F is equal to the density of particles in state i at the voxel ( N (x)) multiplied by the volume of the region of overlap of the voxels ( V (x)).
Γ (x) = N i (x) V (x) Equation (I8)

平行六面体Gに1又は2以上のファセットが交わる時には、以下の条件が当てはまり、
=ΣVα(x)+ΣV(β) 方程式(I9)
ここでの第1の加算は、Gが重なり合った全てのボクセルに相当し、第2項は、Gに交わる全てのファセットに相当する。平行六面体G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。
=ΣV(x) 方程式(I10)
When one or more facets intersect the parallelepiped G , the following conditions apply:
V =ΣV α (x) +ΣV (β) Equation (I9)
where the first sum corresponds to all voxels where G overlaps, and the second term corresponds to all facets that intersect G. When the parallelepiped G does not intersect with any other facets, this equation reduces to:
V =ΣV (x) Equation (I10)

D.シミュレーションの実行
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ると(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)。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、上述したエントロピーソルバの使用に部分的に基づいて、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、タイマを増分する(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)。
D. Running the Simulation Once voxels influenced by one or more facets have been identified (step 304), a timer is initialized and the simulation begins (step 306). During each time increment of the simulation, the movement of particles from voxel to voxel is simulated by an advection phase (steps 308-316) that accounts for the interaction of the particles with the surface facets. Next, the interaction of particles within each voxel is simulated by a collision phase (step 318), based in part on the use of the entropy solver described above. The timer is then incremented (step 320). If the incremented timer does not indicate that the simulation is complete (step 322), the advection and collision phases (steps 308-320) are repeated. If the incremented timer indicates that the simulation is complete (step 322), the results of the simulation are stored and/or displayed (step 324).

1.表面の境界条件
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す。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い(すなわち、ファセットへの正味質量流束がゼロに等しい)。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。
1. Surface Boundary Conditions In order to properly simulate the interaction with the surface, each facet satisfies four boundary conditions. First, the total mass of particles received by the facet is equal to the total mass of particles transferred by the facet (i.e., the net mass flux to the facet is equal to zero). Second, the total energy of particles received by the facet is equal to the total energy of particles transferred by the facet (i.e., the net energy flux to the facet is equal to zero). These two conditions can be satisfied by requiring the net mass flux at each energy level (i.e., energy levels 1 and 2) to be equal to zero.

他の2つの境界条件は、ファセットと相互作用する粒子の正味運動量に関連する。本明細書では滑り面と呼ぶ表面摩擦がない表面では、正味接線運動量流束がゼロに等しく、正味法線運動量流束がファセットの局所圧力に等しい。従って、ファセットの法線nαに垂直な受け取った合計運動量の成分と、ファセットの法線nαに垂直な移動させた合計運動量の成分と(すなわち、接線成分)が等しく、ファセットの法線nαに平行な受け取った合計運動量の成分と、ファセットの法線nαに平行な移動させた合計運動量の成分と(すなわち、法線成分)の差分がファセットの局所圧力に等しい。非滑り面では、ファセットが受け取った粒子の合計接線運動量に対するファセットが移動させた粒子の合計接線運動量が、表面の摩擦によって摩擦量に関連する倍数だけ減少する。 The other two boundary conditions relate to the net momentum of the particles interacting with the facet. At surfaces without skin friction, referred to herein as slip surfaces, the net tangential momentum flux is equal to zero and the net normal momentum flux is equal to the local pressure on the facet. Thus, the components of the total momentum received perpendicular to the facet normal nα are equal to the components of the total momentum transferred perpendicular to the facet normal nα (i.e., the tangential components), and the difference between the components of the total momentum received parallel to the facet normal nα and the components of the total momentum transferred parallel to the facet normal nα (i.e., the normal components) is equal to the local pressure on the facet. At non-slip surfaces, surface friction reduces the total tangential momentum of the particles transferred by the facet relative to the total tangential momentum of the particles received by the facet by a factor related to the amount of friction.

2.ボクセルからファセットへの収集
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。
Γ(x)=Ni(x)V(x) 方程式(I11)
2. Voxel to Facet Collection As a first step in simulating particle-surface interactions, particles are collected from voxels and provided to facets (step 308). As discussed above, the flux of particles in state i between voxel N(x) and facet F is:
Γ (x) = N i (x) V (x) Equation (I11)

この式から、各状態iがファセットの方を向いている(ciα<0の)場合、ボクセルによってファセットFαに提供される粒子の数は以下の通りである。
ΓiαVF=ΣxΓ(x)=Σxi(x)V(x) 方程式(I12)
From this equation, for each state i pointing towards a facet (c i n α <0), the number of particles contributed by the voxel to the facet F α is:
Γ iαVF = Σ x Γ (x) = Σ x N i (x) V (x) Equation (I12)

(x)が非ゼロの値を有するボクセルのみを加算する必要がある。上述したように、ファセットのサイズは、V(x)が少数のボクセルのみについて非ゼロの値を有するように選択される。V(x)及びPf(x)は非整数値を有することもできるので、Γα(x)は実数として記憶され処理される。 Only voxels for which V (x) has a nonzero value need to be summed. As mentioned above, the facet size is chosen so that V (x) has a nonzero value for only a small number of voxels. Since V (x) and P f (x) can also have non-integer values, Γ α (x) is stored and processed as a real number.

3.ファセットからファセットへの移動
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(ciα<0)にある平行六面体G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17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Gの一部1000が、ファセットFαが交わる平行六面体Gの一部1005に等しい。上述したように、交わった部分をV(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、
Γ(β,t-1)=Γi(β)V(β)/V方程式(I.13)
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(ciα<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、
ΓiαF→F=ΣβΓ(β)=ΣβΓi(β,t-1)V(β)/V方程式(I.14)
ファセット内への状態iの粒子の全流束は以下のようになる。
ΓiIN(α)=ΓiαF→F+ΓiαF→F=Σxi(x)V+ΣβΓi(β,t-1)V(β)/V方程式(I.15)
3. Facet-to-Facet Transfer Next, the particles are transferred between facets (step 310). If a facet F β intersects a parallelepiped G where facet F α is in the inflow state (c i n α <0), then a portion of the state i particles received by facet F α will be inflowing from facet F β . Specifically, facet F α will receive a portion of the state i particles generated by facet F β during the previous time increment. This relationship is illustrated in FIG. 17, where a portion 1000 of parallelepiped G intersected by facet F β is equal to a portion 1005 of parallelepiped G intersected by facet F α . As mentioned above, the intersected portion is denoted as V (β). Using this term, the flux of state i particles between facets F β and F α can be expressed as:
Γ (β,t−1)=Γ i (β) V (β)/V Equation (I.13)
where Γ i (β,t−1) is a measure of the number of particles in state i produced by facet F β during the previous time increment. From this equation, for each state i pointing towards facet F α (c i n α <0), the number of particles donated to facet F α by other facets is
Γ iαF→F = Σ β Γ (β) = Σ β Γ i (β,t-1) V (β)/V Equation (I.14)
The total flux of particles of state i into the facet is
Γ iIN (α) = Γ iαF→F + Γ iαF→F = Σ x N i (x) V + Σ β Γ i (β,t−1) V (β)/V Equation (I.15)

ファセット分布関数とも呼ばれるファセットの状態ベクトルN(α)は、ボクセル状態ベクトルのM個のエントリに対応するM個のエントリを有する。Mは、離散格子速度の数である。ファセット分布関数の入力状態N(α)は、これらの状態になる粒子の流束を体積Vで除算したものに等しく設定され、
iα<0の場合、以下のようになる。
i(α)=ΓiIN(α)/V方程式(I.16)
The facet state vector N(α), also called the facet distribution function, has M entries corresponding to the M entries of the voxel state vector, where M is the number of discrete lattice velocities. The input states N(α) of the facet distribution function are set equal to the flux of particles entering these states divided by the volume V ,
When c i n α <0, we have the following:
N i (α)=Γ iIN (α)/V Equation (I.16)

ファセット分布関数は、ファセットからの出力流束を生成するためのシミュレーションツールであり、必ずしも実際の粒子を表すものではない。正確な出力流束を生成するには、分布関数の他の状態に値を割り当てる。上述した内向き状態を投入する方法を用いて外向き状態を投入すると、
iα≧0の場合、
i(α)=ΓiOTHER(α)/V方程式(I.17)
となり、ここでのΓiOTHER(α)は、上述したΓiIN(α)を生成するための方法を用いて、ただしこの方法を流入状態(ciα<0))以外の状態(ciα≧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) 方程式(I.18)
The facet distribution function is a simulation tool for generating output flux from a facet and does not necessarily represent an actual particle. To generate an accurate output flux, assign values to the other states of the distribution function. Populating the outward states using the method for populating inward states described above results in:
If c i n α ≧0,
N i (α) = Γ iOTHER (α) / V Equation (I.17)
where Γ iOTHER (α) is determined using the method for generating Γ iIN (α) described above, but applying this method to states (c i n α ≧0) other than the admission state (c i n α <0). Alternatively, the value of Γ iOUT (α) from the previous time step can be used to generate Γ iOTHER (α) as follows:
Γ iOTHER (α,t) = Γ iOUT (α,t-1) Equation (I.18)

平行状態(ciα=0)では、V及びV(x)がいずれもゼロである。Ni(α)を求める式では、V(x)が(ΓiOTHER(α)の式からの)分子に現れ、Vが(Ni(α)の式からの)分母に現れる。従って、V及びV(x)がゼロに近付くと、平行状態のNi(α)は、Ni(α)の極限として決定される。ゼロ速度を有する状態の値(すなわち休止状態、並びに状態(0,0,0,2)及び(0,0,0,-2))は、シミュレーションの最初に温度及び圧力の初期条件に基づいて初期化される。その後、これらの値は時間をかけて調整される。 In the equilibrium state (c i n α =0), both V and V (x) are zero. In the equation for N i (α), V (x) appears in the numerator (from the equation for Γ iOTHER (α)) and V appears in the denominator (from the equation for N i (α)). Thus, the equilibrium state N i (α) is determined as the limit of N i (α) as V and V (x) approach zero. Values for states with zero velocity (i.e., the rest state, as well as states (0,0,0,2) and (0,0,0,-2)) are initialized at the beginning of the simulation based on the initial conditions of temperature and pressure. These values are then adjusted over time.

4.ファセット表面動力学の実行
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18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、

Figure 0007496049000040

方程式(I.19)
この式から、以下のように法線運動量Pn(α)を求める。
n(α)=nα・P(α) 方程式(I.20) 4. Execution of facet surface dynamics Next, execute surface dynamics so that each facet satisfies the four boundary conditions mentioned above (step 312). Figure 18 shows the procedure for executing surface dynamics of a facet. First, determine the total momentum perpendicular to the facet (step 1105) by determining the total momentum P(α) of the particles at the facet as follows:
For all i,
Figure 0007496049000040

Equation (I.19)
From this equation, the normal momentum P n (α) is calculated as follows.
Pn (α)= ·P(α) Equation (I.20)

次に、プッシング/プリング法を用いてこの法線運動量を排除(ステップ1110)してNn-(α)を生成する。この方法によれば、粒子は、法線運動量にのみ影響を与える形で状態間を移行する。このプッシング/プリング法は、引用により組み入れられる米国特許第5,594,671号に記載されている。 This normal momentum is then removed (step 1110) to produce N n- (α) using a pushing/pulling method, whereby particles transition between states in a manner that only affects the normal momentum. The pushing/pulling method is described in U.S. Patent No. 5,594,671, which is incorporated by reference.

その後、Nn-(α)の粒子を衝突させてボルツマン分布Nn-β(α)を生じさせる(ステップ1115)。以下で流体力学の実行に関して説明するように、ボルツマン分布は、Nn-(α)に一連の衝突則を適用することによって達成することができる。 The particles of N n− (α) are then collided to produce a Boltzmann distribution N n−β (α), step 1115. As described below with respect to a fluid dynamics implementation, the Boltzmann distribution can be achieved by applying a set of collision rules to N n− (α).

次に、流入流束分布とボルツマン分布とに基づいてファセットFαの流出流束分布を求める(ステップ1120)。まず、流入流束分布Γi(α)とボルツマン分布との差分を以下のように求める。
ΔΓi(α)=ΓiIN(α)-Nn-βi(α)V方程式(I.21)
Next, the outgoing flux distribution of the facet F α is calculated based on the incoming flux distribution and the Boltzmann distribution (step 1120). First, the difference between the incoming flux distribution Γ i (α) and the Boltzmann distribution is calculated as follows.
ΔΓ i (α) = Γ iIN (α) - N n -βi (α) V Equation (I.21)

この差分を使用すると、流出流束分布は、
αi>0の場合、以下のようになり、
ΓiOUT(α)=Nn-βi(α)V-.Δ.Γi*(α) 方程式(I.22)
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-Bi(α)V-ΔΓi*(α)+Cf(nα・ci)-[Nn-βi*(α)-Nn-βi(α)]V+(nα・ci)(t・ci)ΔNj,1+(nα・ci)(t・ci)ΔNj,2方程式(I.23)
ここでのCfは、表面摩擦の関数であり、tは、nαに垂直な第1の接線ベクトルであり、tは、nαとt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、

Figure 0007496049000041

方程式(I.24)
ここでのjは、エネルギーレベル1状態では1に等しく、エネルギーレベル2状態では2に等しい。 Using this difference, the outflow flux distribution is
When n α c i >0, it becomes:
Γ iOUT (α)=N n−βi (α)V −. Δ. Γ i *(α) Equation (I.22)
where i* is the state with the opposite direction to state i. For example, if state i is (1,1,0,0), then state i* is (-1,-1,0,0). The outflow flux distribution can be further refined to account for skin friction and other factors:
When nαci>0, the following occurs:
Γ iOUT (α) = N n-Bi (α) V iα - ΔΓ i * (α) + C f (n α · c i ) - [N n-βi * (α) - N n-βi (α)] V + (n α · c i ) (t 1 α · c i ) ΔN j,1 V + (n α · c i ) (t 2 α · c i ) ΔN j,2 V Equation (I.23)
where C is a function of skin friction, t is a first tangent vector perpendicular to n , t is a second tangent vector perpendicular to both n and t , and ΔN and ΔN are distribution functions corresponding to the energy of state i (j) and the indicated tangent vector. The distribution functions are determined according to the following equation:
Figure 0007496049000041

Equation (I.24)
Here j is equal to 1 for the energy level 1 state and 2 for the energy level 2 state.

ΓiOUT(α)の方程式の各項の関数は以下の通りである。第1項及び第2項は、ボルツマン分布を生じる上で衝突が効果的である限りは法線運動量流束境界条件を強制するが、接線運動量流束の例外を含む。第4項及び第5項は、この不十分な衝突に起因する離散性効果又は非ボルツマン構造を原因として生じ得る例外を補正する。最後に、第3項は、表面上の接線運動量流束の所望の変化を強制するように一定量の表面摩擦を追加する。摩擦係数Cfの生成については以下で説明する。なお、ベクトル操作に関与する全ての項は、シミュレーションの開始前に計算できる幾何学的因子である。 The functions of each term in the equation of Γ iOUT (α) are as follows: The first and second terms enforce the normal momentum flux boundary condition as long as collisions are effective in producing a Boltzmann distribution, but include the exception of the tangential momentum flux. The fourth and fifth terms correct for exceptions that may occur due to discreteness effects or non-Boltzmann structures resulting from this insufficient collisions. Finally, the third term adds an amount of surface friction to enforce the desired change in tangential momentum flux on the surface. The generation of the friction coefficient C f is explained below. Note that all terms involved in the vector manipulations are geometric factors that can be calculated before the start of the simulation.

この式から、接線速度が以下のように求められ、
i(α)=(P(α)-Pn(α)nα)/ρ 方程式(I.25)
ここでのρは、以下などのファセット分布の密度である。

Figure 0007496049000042

方程式(I.26) From this formula, the tangential velocity is calculated as follows:
u i (α)=(P(α)-P n (α)n α )/ρ Equation (I.25)
where ρ is the density of the facet distribution such that
Figure 0007496049000042

Equation (I.26)

上記と同様に、流入流束分布とボルツマン分布との差分を以下のように求める。
ΔΓi(α)=ΓiIN(α)-Nn-βi(α)V方程式(I.27)
Similarly to the above, the difference between the inflow flux distribution and the Boltzmann distribution is calculated as follows:
ΔΓ i (α) = Γ iIN (α) - N n -βi (α) V Equation (I.27)

すると、流出流束分布は以下のようになり、
ΓiOUT(α)=Nn-βi(α)V-ΔΓi*(α)+Cf(nαci)[Nn-βi*(α)-Nn-βi(α)]V方程式(I.28)
この式は、先の方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。
Then, the outflow flux distribution is:
Γ iOUT (α) = N n-βi (α) V - ΔΓ i * (α) + C f (nαci) [N n-βi * (α) - N n-βi (α)] V Equation (I.28)
This equation corresponds to the first two rows of the exit flux distribution obtained by the previous method, but does not require correction for the anomalous tangential flux.

いずれかの方法を使用すると、結果として得られる流束分布は運動量流束条件を全て満たし、すなわち、

Figure 0007496049000043

方程式(I.29)
となり、ここでのpαは、ファセットFαにおける平衡圧であって、ファセットに粒子を提供するボクセルの平均密度及び温度値に基づき、uαは、ファセットにおける平均速度である。 Using either method, the resulting flux distribution satisfies all the momentum flux conditions, i.e.
Figure 0007496049000043

Equation (I.29)
where p α is the equilibrium pressure at the facet F α , based on the average density and temperature values of the voxels providing particles to the facet, and u α is the average velocity at the facet.

質量及びエネルギー境界条件が確実に満たされるように、各エネルギーレベルjについて入力エネルギーと出力エネルギーとの差分を以下のように測定する。

Figure 0007496049000044

方程式(I.30)
ここでの添字jは、状態iのエネルギーを示す。次に、このエネルギー差を用いて差分項(difference term)を生成すると、
cjinα>0の場合、以下のようになる。
Figure 0007496049000045

方程式(I.31)
この差分項を用いて流出流束を修正すると、流速は、
jiα>0の場合、以下のようになる。
ΓαjiOUTf=ΓαjiOUT+δΓαji 方程式(I.32)
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。 To ensure that the mass and energy boundary conditions are satisfied, the difference between the input and output energies for each energy level j is measured as follows:
Figure 0007496049000044

Equation (I.30)
Here, the subscript j denotes the energy of state i. Next, this energy difference is used to generate a difference term,
If cjinα>0, then:
Figure 0007496049000045

Equation (I.31)
When the outflow flux is corrected using this difference term, the flow velocity becomes
When c ji n α >0, we have the following.
ΓαjiOUTf = ΓαjiOUT + δΓαji Equation (I.32)
This operation corrects the mass and energy fluxes while leaving the tangential momentum flux unchanged. If the flow is roughly uniform and close to equilibrium in the vicinity of the facet, the adjustment is small. The resulting adjusted normal momentum flux changes slightly to a value that is an equilibrium pressure based on the average properties of the neighborhood plus a correction due to non-uniform or non-equilibrium properties of the neighborhood.

5.ボクセルからボクセルへの移動
再び図9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。
5. Voxel-to-Voxel Movement Referring again to Figure 9, particles are moved between voxels along a 3D rectilinear grid (step 314). This voxel-to-voxel movement is the only movement operation performed on voxels that do not interact with facets (i.e., voxels that are not near the surface). In a typical simulation, voxels that are not near enough to the surface to interact with the surface make up the majority of voxels.

この分離状態の各々は、3次元のx、y及びzの各々において格子に沿って整数速度で移動する粒子を表す。整数速度は、0、±1及び±2を含む。速度の符号は、対応する軸に沿った粒子の移動方向を示す。 Each of these discrete states represents a particle moving with an integer velocity along the lattice in each of the three dimensions x, y, and z. Integer velocities include 0, ±1, and ±2. The sign of the velocity indicates the direction of movement of the particle along the corresponding axis.

表面と相互作用しないボクセルの場合、この移動操作は計算的に極めて単純である。毎時間増分中に、状態の集団全体をその現在のボクセルから宛先ボクセルに移動させる。同時に、宛先ボクセルの粒子を、そのボクセルから独自の宛先ボクセルに移動させる。例えば、+1x及び+1y方向に移動しているエネルギーレベル1の粒子(1,0,0)は、その現在のボクセルから、x方向に+1上回り他の方向が0であるボクセルに移動させる。この粒子は、最後には移動前の状態と同じ状態の宛先ボクセル(1,0,0)に行き着く。ボクセル内の相互作用は、他の粒子及び表面との局所的相互作用に基づいてその状態の粒子総数を変化させることがある。変化しなければ、粒子は格子に沿って同じ速度で同じ方向に移動し続ける。 For voxels that do not interact with surfaces, this movement operation is computationally quite simple. During each time increment, the entire population of states is moved from its current voxel to the destination voxel. At the same time, the particle in the destination voxel is moved from its voxel to its own destination voxel. For example, a particle of energy level 1 (1,0,0) moving in +1x and +1y directions will move from its current voxel to a voxel that is +1 above in the x direction and 0 in other directions. The particle will end up in the destination voxel (1,0,0) with the same state as it was before the movement. Interactions within a voxel may change the total number of particles in that state based on local interactions with other particles and surfaces. If not, the particle will continue to move along the grid at the same speed and in the same direction.

この移動操作は、1又は2以上の表面と相互作用するボクセルでは若干複雑になる。この結果、1又は2以上の端数粒子(fractional particles)がファセットに移動することがある。このような端数粒子のファセットへの移動により、ボクセルに端数粒子が留まるようになる。これらの端数粒子を、ファセットに占有されたボクセルに移動させる。 This movement operation becomes a bit more complicated for voxels that interact with one or more surfaces. This can result in one or more fractional particles moving to the facet. Moving these fractional particles to the facet causes the voxel to remain filled with fractional particles. Move these fractional particles to the voxels occupied by the facet.

移流した粒子の状態に全エネルギー値を加算して、及びその時間間隔にわたって移流しなかった粒子の状態から全エネルギー値を減算することによって、コンピュータが粒子の状態ベクトルを修正する、移流への全エネルギー修正315も示す(図3を参照)。 Also shown is total energy correction to advection 315, in which the computer corrects the state vectors of the particles by adding specific total energy values to the states of particles that were advected and subtracting specific total energy values from the states of particles that were not advected over the time interval (see FIG. 3).

図15を参照すると、ボクセル905の状態iの粒子の一部900がファセット910に移動した時には(ステップ308)、残り部分915をファセット910が位置するボクセル920に移動させ、ここから状態iの粒子をファセット910に向ける。従って、状態集団が25に等しく、V(x)が0.25に等しい(すなわち、ボクセルの4分の1が平行六面体Gに交わる)場合には、6.25の粒子がファセットFαに移動し、18.75の粒子を、ファセットFαに占有されたボクセルに移動させる。1つのボクセルに複数のファセットが交わることもあるので、1又は2以上のファセットに占有されたボクセルに移動する状態iの粒子の数N(f)は以下のようになり、

Figure 0007496049000046

方程式(I.33)
ここでのN(x)はソースボクセルである。 15, when a portion 900 of state i particles in voxel 905 have been moved to facet 910 (step 308), the remaining portion 915 is moved to voxel 920 in which facet 910 is located, from where state i particles are directed to facet 910. Thus, if the state population is equal to 25 and V (x) is equal to 0.25 (i.e., one-quarter of the voxels intersect the parallelepiped G ), then 6.25 particles are moved to facet F α and 18.75 particles are moved to voxels occupied by facet F α . Since a voxel may be intersected by multiple facets, the number N(f) of state i particles moving to voxels occupied by one or more facets is given by:
Figure 0007496049000046

Equation (I.33)
where N(x) is the source voxel.

6.ファセットからボクセルへの散乱
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、

Figure 0007496049000047

方程式(I.34)
ここでのPf(x)は、部分的なボクセルの体積縮小に相当する。この式から、各状態iについて、ファセットからボクセルに向かう粒子の総数N(x)は以下のようになる。
Figure 0007496049000048

方程式(I.35) 6. Scattering from Facets to Voxels The effluent particles from each facet are then scattered into voxels (step 316). Essentially, this step is the inverse of the collection step, where particles move from voxels to facets. The number of particles in state i that move from facet to voxel N(x) is given by:
Figure 0007496049000047

Equation (I.34)
Here, P f (x) corresponds to the partial voxel volume shrinkage. From this formula, for each state i, the total number of particles N (x) going from the facet to the voxel is given by:
Figure 0007496049000048

Equation (I.35)

粒子をファセットからボクセルに散乱させ、これらの粒子を周囲のボクセルから移流した粒子と組み合わせて結果を整数化した後には、一定のボクセルの一定の方向がアンダーフロー(負になる)又はオーバーフロー(8ビット実装において255を超える)のいずれかになることがある。この結果、これらの量を許容できる値の範囲に収まるように切り捨てた後に、質量、運動量及びエネルギーが増加又は減少するようになる。 After scattering particles from facets into voxels, combining these with particles advected from surrounding voxels, and integerizing the result, certain directions in certain voxels may either underflow (go negative) or overflow (go above 255 in an 8-bit implementation). This results in mass, momentum, and energy increasing or decreasing after truncating these quantities to fit within the range of acceptable values.

このような発生を防ぐために、有害な状態を切り捨てる前に、限界を超えた質量、運動量及びエネルギーを蓄積する。状態を有するエネルギーでは、(アンダーフローに起因して)得られた又は(オーバーフローに起因して)失われた値に等しい質量が、同じエネルギーを有するランダムに(又は順次に)選択された状態に加え直され、これ自体がオーバーフロー又はアンダーフローに影響されることはない。この質量及びエネルギーの追加によって生じるさらなる運動量を蓄積して、切り捨てからの運動量に追加する。同じエネルギー状態のみに質量を追加することにより、質量カウンタがゼロに達した時に質量及びエネルギーがいずれも補正される。最後に、運動量積算器がゼロに戻るまでプッシング/プリング法を用いて運動量を補正する。 To prevent this from happening, accumulate mass, momentum, and energy that are in excess of the limits before truncating the harmful state. For energy with states, mass equal to the value gained (due to underflow) or lost (due to overflow) is added back to a randomly (or sequentially) selected state with the same energy, which is itself not affected by overflow or underflow. The further momentum resulting from this mass and energy addition is accumulated and added to the momentum from the truncation. By adding mass only to states with the same energy, both mass and energy are corrected when the mass counter reaches zero. Finally, the momentum is corrected using a pushing/pulling method until the momentum accumulator returns to zero.

7.流体力学の実行
流体力学を実行する(図9、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。
7. Perform Fluid Dynamics Perform fluid dynamics (FIG. 9, 318). This step can be referred to as a microdynamics operation or an intravoxel operation. Similarly, the advection procedure can be referred to as an intervoxel operation. The microdynamics operations described below can also be used to collide particles at the facets to generate a Boltzmann distribution.

流体力学は、格子ボルツマン方程式モデルにおいて、BGK衝突モデルとして知られている特定の衝突演算子によって保証される。この衝突モデルは、実際の流体系における分布の動力学を模倣する。衝突プロセスは、方程式1及び方程式2の右辺によって十分に説明することができる。移流ステップ後には、方程式3を用いた分布関数から流体系の保存量、具体的には密度、運動量及びエネルギーが取得される。これらの量から、方程式(2)にfeqで示す平衡分布関数が方程式(4)によって十分に規定される。いずれも表1に列挙する速度ベクトルセットci、重みの選択は、方程式2と相まって、巨視的挙動が正しい流体動力学方程式に従うことを保証する。 The fluid dynamics is guaranteed in the Lattice Boltzmann Equation model by a specific collision operator known as the BGK collision model. This collision model mimics the dynamics of distribution in real fluid systems. The collision process can be fully described by the right-hand side of Equation 1 and Equation 2. After the advection step, the conserved quantities of the fluid system, specifically density, momentum and energy, are obtained from the distribution function using Equation 3. From these quantities, the equilibrium distribution function, denoted by f eq in Equation (2), is fully specified by Equation (4). The selection of the velocity vector set c i , weights, both listed in Table 1, together with Equation 2, ensures that the macroscopic behavior follows the correct fluid dynamics equations.

E.可変分解能
図12を参照すると、(上述した)可変分解能は、以下では粗ボクセル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採用する。(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、説明する技術は、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。)粗ボクセル及び微小ボクセルの領域間の界面は、可変分解能(VR)界面1210と呼ばれる。
E. Variable Resolution Referring to Figure 12, variable resolution (as described above) employs different sized voxels, hereinafter referred to as coarse voxels 12000 and fine voxels 1205. (Although the following description refers to voxels having two different sizes, it should be understood that the described techniques may also be applied to three or more different sized voxels to provide additional levels of resolution.) The interface between the regions of coarse voxels and fine voxels is referred to as the variable resolution (VR) interface 1210.

可変分解能を表面又はその付近で採用すると、ファセットがVR界面の両側のボクセルに相互作用することができる。これらのファセットは、VR界面ファセット1215(FαIC)又はVR微小ファセット1220(FαIF)として分類される。VR界面ファセット1215は、VR界面の粗側に位置するファセットであり、微小ボクセル内に延びる粗平行六面体1225を有する。(粗平行六面体は、粗ボクセルの寸法に従ってciが寸法決めされるものであり、微小平行六面体は、微小ボクセルの寸法に従ってciが寸法決めされるものである。)VR微小ファセット1220は、VR界面の微小側に位置するファセットであり、粗ボクセル内に延びる微小平行六面体1230を有する。界面ファセットに関連する処理は、粗ファセット1235(FαC)及び微小ファセット1240(FαF)との相互作用を伴うこともできる。 Employing variable resolution at or near the surface allows facets to interact with voxels on either side of the VR interface. These facets are classified as VR interface facets 1215 (F αIC ) or VR microfacets 1220 (F αIF ). VR interface facets 1215 are facets located on the coarse side of the VR interface and have a coarse parallelepiped 1225 that extends into the microvoxel. (A coarse parallelepiped is one whose ci is dimensioned according to the dimensions of the coarse voxel, and a microparallelepiped is one whose ci is dimensioned according to the dimensions of the microvoxel.) VR microfacets 1220 are facets located on the micro side of the VR interface and have a microparallelepiped 1230 that extends into the coarse voxel. Processing related to interface facets can also involve interactions with coarse facets 1235 (F αC ) and microfacets 1240 (F αF ).

両タイプのVRファセットでは、表面動力学が微小スケールで実行され、上述したように動作する。しかしながら、VRファセットは、VRファセットとの間を粒子が移流する方法に関して他のファセットと異なる。 For both types of VR facets, surface dynamics are implemented at the small scale and behave as described above. However, VR facets differ from other facets in the way particles are advected to and from the VR facet.

VRファセットとの相互作用は、図13に示す可変分解能手順1300を用いて行われる。この手順のほとんどのステップは、非VRファセットとの相互作用について上述した同等のステップを用いて行われる。手順1300は、それぞれが微小時間ステップに対応する2つの位相を含む粗時間ステップ(すなわち、粗ボクセルに対応する期間)中に実行される。ファセット表面動力学は、各微小時間ステップ中に実行される。このため、VR境界面ファセットFαIcは、それぞれ黒色ファセットFαIcb及び赤色ファセットFαICrと呼ばれる2つの同一サイズ及び同一配向の微小ファセットとみなされる。黒色ファセットFαICbは、粗時間ステップ内の第1の微小時間ステップに関連し、赤色ファセットFαICrは、粗時間ステップ内の第2の微小時間ステップに関連する。 Interaction with VR facets is performed using a variable resolution procedure 1300 shown in FIG. 13. Most steps of this procedure are performed using the equivalent steps described above for interaction with non-VR facets. Procedure 1300 is performed during a coarse time step (i.e., a period corresponding to a coarse voxel) that includes two phases, each corresponding to an atomic time step. Facet surface dynamics are performed during each atomic time step. Thus, the VR interface facet F αIc is considered as two identically sized and identically oriented atomic facets, called the black facet F αIcb and the red facet F αICr , respectively. The black facet F αICb is associated with the first atomic time step within the coarse time step, and the red facet F αICr is associated with the second atomic time step within the coarse time step.

最初に、第1の表面-表面移流段階によって粒子がファセット間を移動(移流)する(ステップ1302)。粒子は、黒色ファセットFαICbから、V-αβの重み付け係数を有する粗ファセットFβCに移動し、この重み付け係数V-αβは、ファセットFαから広がってファセットFβの裏側に存在する粗平行六面体(図12、1225)の非ブロック部分から、ファセットFαから広がってファセットFβの裏側に存在する微小平行六面体(図12、1245)の非ブロック部分を差し引いた容積に対応する。微小ボクセルのciの大きさは、粗ボクセルのciの大きさの1/2である。上述したように、ファセットFαの平行六面体の容積は以下のように定義される。
=|ciα|Aα 方程式(I.36)
First, the particles are moved (advected) between the facets by a first surface-to-surface advection stage (step 1302). The particles are moved from the black facet F αICb to the coarse facet F βC with a weighting factor V −αβ , which corresponds to the volume of the non-blocking part of the coarse parallelepiped (FIG. 12, 1225) extending from the facet F α and lying behind the facet F β , minus the non-blocking part of the minute parallelepiped (FIG. 12, 1245) extending from the facet F α and lying behind the facet F β . The size of the c i of the minute voxel is 1/2 the size of the c i of the coarse voxel. As mentioned above, the volume of the parallelepiped of the facet F α is defined as follows:
V = | c i n α | A α Equation (I.36)

従って、ファセットの表面積Aαは粗平行六面体と微小平行六面体との間で変化せず、単位法線nαは常に1の大きさを有するので、あるファセットに対応する微小平行六面体の容積は、このファセットの対応する粗平行六面体の容積の1/2である。 Thus, since the surface area of a facet does not change between the rough and the microparallelopehedrons, and the unit normal always has a magnitude of 1, the volume of the microparallelopehedron corresponding to a facet is 1/2 the volume of the rough parallelepiped corresponding to this facet.

粒子は、粗ファセットFαCから、Vαβの重み付け係数を有する黒色ファセットFβICbに移動し、この重み付け係数Vαβは、ファセットFαから広がってファセットFβの裏側に存在する微小平行六面体の非ブロック部分の容積に対応する。 The grains migrate from the rough facet FαC to the black facet FβICb with a weighting factor of Vαβ, which corresponds to the volume of the non-blocked portion of the microparallelope hexahedron extending from the facet and present behind the facet .

粒子は、赤色ファセットFαICrからVαβの重み付け係数を有する粗ファセットFβCに、そして粗ファセットFαCからV-αβの重み付け係数を有する赤色ファセットFβICbに移動する。 The particles move from the red facet F αICr to the coarse facet F βC with a weighting factor of V αβ , and from the coarse facet F αC to the red facet F βICb with a weighting factor of V −αβ .

粒子は、赤色ファセットFαICrからVαβの重み付け係数を有する黒色ファセットFβICbに移動する。この段階では、黒色から赤色への移流は行われない。また、黒色ファセット及び赤色ファセットは連続する時間ステップを表すので、黒色から黒色への移流(又は赤色から赤色への移流)は決して行われない。同様の理由で、この段階の粒子は、赤色ファセットFαICrからVαβの重み付け係数を有する微小ファセットFβIF又はFβFに、そして微小ファセットFαIF又はFαFから同じ重み付け係数を有する黒色ファセットFαICbに移動する。 Particles move from the red facet F αICr to the black facet F βICb with a weighting factor of V αβ . No advection from black to red occurs at this stage. Also, since the black and red facets represent successive time steps, advection from black to black (or from red to red) never occurs. For the same reason, particles move at this stage from the red facet F αICr to the microfacet F βIF or F βF with a weighting factor of V αβ , and from the microfacet F αIF or F αF to the black facet F αICb with the same weighting factor.

最後に、粒子は、微小ファセットFαIF又はFαFから同じ重み付け係数を有する他の微小ファセットFβIF又はFβFに、そして粗ファセットFαCからVCαβの重み付け係数を有する他の粗ファセットFCに移動し、この重み付け係数VCαβは、ファセットFαから広がってファセットFβの裏側に存在する粗平行六面体の非ブロック部分の容積に対応する。 Finally, the grains move from the microfacet F αIF or F αF to the other microfacet F βIF or F βF with the same weighting factor, and from the rough facet F αC to the other rough facet F C with a weighting factor of V Cαβ , which corresponds to the volume of the non-block part of the rough parallelepiped extending from the facet F α and lying behind the facet F β .

粒子が表面間を移流した後に、第1の収集段階においてボクセルから粒子を収集する(ステップ1304~1310)。微小ファセットFαFの粒子は、微小平行六面体を用いて微小ボクセルから収集され(ステップ1304)、粗ファセットFαCの粒子は、粗平行六面体を用いて粗ボクセルから収集される(ステップ1306)。次に、微小平行六面体を用いて、粗ボクセル及び微小ボクセルの両方から黒色ファセットFαIRb及びVR微小ファセットFαIFの粒子を収集する(ステップ1308)。最後に、粗平行六面体と微小平行六面体との差分を用いて、粗ボクセルから赤色ファセットFαIRrの粒子を収集する(ステップ1310)。 After the particles are advected between the surfaces, the particles are collected from the voxels in a first collection phase (steps 1304-1310). Particles of the microfacet F αF are collected from the microvoxels using a microparallelopephron (step 1304), and particles of the coarse facet F αC are collected from the coarse voxels using a coarse parallelephron (step 1306). Next, particles of the black facet F αIRb and the VR microfacet F αIF are collected from both the coarse and the microvoxels using a microparallelopephron (step 1308). Finally, particles of the red facet F αIRr are collected from the coarse voxels using the difference between the coarse parallelephron and the microparallelopephron (step 1310).

次に、微小ボクセル又はVRファセットと相互作用をする粗ボクセルを一群の微小ボクセルに展開する(ステップ1312)。単一の粗時間ステップ内で粒子を微小ボクセルに移動させる状態の粗ボクセルを展開する。例えば、ファセットが交わっていない適切な状態の粗ボクセルは、図4のマイクロブロックのように配向された8つの微小ボクセルに展開される。1又は2以上のファセットが交わっている適切な状態の粗ボクセルは、いずれのファセットも交わっていない粗ボクセルの部分に対応する一群の完全な及び/又は部分的な微小ボクセルに展開される。粗ボクセルと、粗ボクセルの展開によって生じる微小ボクセルとでは粒子密度Ni(x)は等しいが、微小ボクセルは、粗ボクセルの分数係数及び他の微小ボクセルの分数係数とは異なる分数係数Pfを有することができる。 Next, the coarse voxels that interact with the microvoxel or the VR facet are expanded into a set of microvoxels (step 1312). The coarse voxels are expanded in a state that moves particles to the microvoxel within a single coarse time step. For example, a coarse voxel in a suitable state where no facets are intersected is expanded into eight microvoxels oriented like the microblock in FIG. 4. A coarse voxel in a suitable state where one or more facets are intersected is expanded into a set of full and/or partial microvoxels that correspond to the portion of the coarse voxel that is not intersected by any facets. The particle densities N i (x) are equal for the coarse voxel and the microvoxels resulting from the expansion of the coarse voxel, but the microvoxels may have a fractional coefficient P f that is different from the fractional coefficient of the coarse voxel and the fractional coefficients of the other microvoxels.

その後、微小ファセットFαIF及びFαFについて表面動力学を実行し(ステップ1314)、黒色ファセットFαICbについて表面動力学を実行する(ステップ1316)。動力学は、図11に示して上述した手順を用いて実行される。 Surface dynamics are then performed for the small facets F αIF and F αF (step 1314), and for the black facet F αICb (step 1316). The dynamics are performed using the procedure shown in FIG.

次に、実際の微小ボクセルと、粗ボクセルの展開によって生じた微小ボクセルとを含む微小ボクセル間で粒子を移動させる(ステップ1318)。粒子を移動させたら、微小ファセットFαIF及びFαFから微小ボクセルに粒子を散乱させる(ステップ1320)。 Next, the particles are moved between the microvoxels, including the actual microvoxels and the microvoxels resulting from the unfolding of the coarse voxels (step 1318). After the particles are moved, the particles are scattered from the microfacets F αIF and F αF into the microvoxels (step 1320).

粒子は、黒色ファセットFαICbから(粗ボクセルの展開によって生じた微小ボクセルを含む)微小ボクセルにも散乱させる(ステップ1322)。粒子は、微小ボクセルがその時に表面の存在が無ければ粒子を受け取っていたと思われる場合には微小ボクセルに散乱させる。具体的に言えば、(粗ボクセルの展開によって生じた微小ボクセルではなく)ボクセルが実際の微小ボクセルである時、ボクセルN(x)を超える1つの速度単位N(x)であるボクセルN(x+ci)が実際の微小ボクセルである時、或いはボクセルを超える1つの速度単位N(x)であるボクセルN(x+ci)が粗ボクセルの展開によって生じた微小ボクセルである時には、粒子をボクセルN(x)に散乱させる。 Particles are also scattered from the black facet F αICb to tiny voxels (including tiny voxels resulting from the unfolding of the coarse voxels) (step 1322). Particles are scattered to tiny voxels if they would have received the particles if there was no surface present at that time. Specifically, particles are scattered to voxel N(x) when the voxel is an actual tiny voxel (as opposed to a tiny voxel resulting from the unfolding of the coarse voxel), when voxel N(x+c i ), which is one velocity unit N(x) beyond voxel N(x), is an actual tiny voxel, or when voxel N(x+c i ), which is one velocity unit N(x) beyond voxel N(x), is a tiny voxel resulting from the unfolding of the coarse voxel.

最後に、微小ボクセル上で流体力学を実行することによって第1の微小時間ステップが完了する(ステップ1324)。流体力学を実行するボクセルは、粗ボクセルの展開によって生じた微小ボクセルを含まない(ステップ1312)。 Finally, the first micro time step is completed by performing fluid dynamics on the micro voxels (step 1324). The voxels on which fluid dynamics is performed do not include the micro voxels that result from the unfolding of the coarse voxels (step 1312).

手順1300は、第2の微小時間ステップ中にも同様のステップを実施する。最初に、第2の表面-表面移流段階において、粒子が表面間を移動する(ステップ1326)。粒子は、黒色ファセットから赤色ファセットに、黒色ファセットから微小ファセットに、微小ファセットから赤色ファセットに、そして微小ファセットから微小ファセットに移流する。 Procedure 1300 performs similar steps during the second microtime step. First, in a second surface-to-surface advection phase, particles move between surfaces (step 1326). Particles are advected from the black facets to the red facets, from the black facets to the microfacets, from the microfacets to the red facets, and from the microfacets to the microfacets.

粒子が表面間を移流した後に、第2の収集段階においてボクセルから粒子を収集する(ステップ1328~1330)。赤色ファセットFαIRrの粒子は、微小平行六面体を用いて微小ボクセルから収集される(ステップ1328)。微小ファセットFαF及びFαIFの粒子も、微小平行六面体を用いて微小ボクセルから収集される(ステップ1330)。 After the particles are advected between the surfaces, the particles are collected from the voxels in a second collection phase (steps 1328-1330). Particles of the red facet F αIRr are collected from the small voxels using a small parallelepiped (step 1328). Particles of the small facets F αF and F αIF are also collected from the small voxels using a small parallelepiped (step 1330).

従って、上述したように、微小ファセットFαIF及びFαFについて表面動力学を実行し(ステップ1332)、粗ファセットFαCについて表面動力学を実行し(ステップ1134)、赤色ファセットFαICRについて表面動力学を実行する(ステップ1336)。 Thus, as described above, surface dynamics are performed for the fine facets F αIF and F αF (step 1332), for the coarse facet F αC (step 1134), and for the red facet F αICR (step 1336).

次に、微小ボクセルと粗ボクセルを表す微小ボクセルとの間を粒子が移動するように、微小分解能を用いてボクセル間で粒子を移動させる(ステップ1338)。その後、粒子が粗ボクセル間を移動するように、粗分解能を用いてボクセル間で粒子を移動させる(ステップ1340)。 Next, the particles are moved between voxels using the fine resolution such that the particles move between the fine voxels and the fine voxels that represent the coarse voxels (step 1338). Then, the particles are moved between voxels using the coarse resolution such that the particles move between the coarse voxels (step 1340).

次に、組み合わせステップにおいて、粒子をファセットからボクセルに散乱させながら、粗ボクセルを表す微小ボクセル(すなわち、粗ボクセルの展開によって生じた微小ボクセル)を粗ボクセルに合体させる(ステップ1342)。この組み合わせステップでは、粗平行六面体を用いて粒子を粗ファセットから粗ボクセルに散乱させ、微小平行六面体を用いて粒子を微小ファセットから微小ボクセルに散乱させ、微小平行六面体を用いて粒子を赤色ファセットから微小又は粗ボクセルに散乱させ、粗平行六面体と微小平行六面体との差分を用いて粒子を黒色ファセットから粗ボクセルに散乱させる。最後に、微小ボクセル及び粗ボクセルに流体力学を実行する(ステップ1344)。 Next, in a combination step, particles are scattered from the facets to the voxels while the microvoxels representing the coarse voxels (i.e., the microvoxels resulting from the expansion of the coarse voxels) are merged into the coarse voxels (step 1342). In this combination step, particles are scattered from the coarse facets to the coarse voxels using a coarse parallelepiped, particles are scattered from the microfacets to the microvoxels using a microparallelepiped, particles are scattered from the red facets to the micro or coarse voxels using a microparallelepiped, and particles are scattered from the black facets to the coarse voxels using the difference between the coarse parallelepiped and the microparallelepiped. Finally, fluid dynamics is performed on the micro and coarse voxels (step 1344).

F.スカラー輸送ソルバ
上述したように、流体流を解くには、スカラー輸送の背景キャリアとしての役割を果たす様々なタイプのLBMを適用することができる。シミュレーション中には、流体流及びスカラー輸送の両方がシミュレートされる。例えば、流体流は、格子ボルツマン(LB)法を使用してシミュレートされる流れであり、スカラー輸送は、本明細書ではスカラー輸送方程式と呼ばれる一連の分布関数を使用してシミュレートされる。
F. Scalar Transport Solvers As mentioned above, to solve the fluid flow, various types of LBMs can be applied that act as background carriers for the scalar transport. During the simulation, both the fluid flow and the scalar transport are simulated. For example, the fluid flow is a flow that is simulated using the Lattice Boltzmann (LB) method, and the scalar transport is simulated using a set of distribution functions, referred to herein as the scalar transport equations.

本明細書では、流体流をシミュレートするためのLBM法の詳細な説明を行っているが、以下は、スカラーシミュレーションと共に使用できる1つの流体流シミュレーション方法の例である。

Figure 0007496049000049

方程式(I.37) Although a detailed description of the LBM method for simulating fluid flow is provided herein, the following is an example of one fluid flow simulation method that can be used in conjunction with scalar simulation.
Figure 0007496049000049

Equation (I.37)

ここで、fi(x、t)(i=1,...,19)は粒子分布関数であり、τは単一の緩和時間であり、fi eq(x,t)は流体速度の3次発展を含む平衡分布関数である。

Figure 0007496049000050

方程式(I.38)
ここではT0=1/3である。離散格子速度ciは以下の通りであり、
Figure 0007496049000051

方程式(I.39)
残りの粒子ではw0=1/3であり、デカルト方向の状態ではwi=1/18であり、二重対角方向の状態ではwi=1/36である。gi(x,t)は、外部体積力項である。流体力学的量£及びuは、粒子分布関数のモーメントである。
Figure 0007496049000052

方程式(I.40) where f i (x,t) (i=1, . . . , 19) are particle distribution functions, τ is the unity relaxation time, and f i eq (x,t) is the equilibrium distribution function containing the third order evolution of the fluid velocity.
Figure 0007496049000050

Equation (I.38)
Here, T 0 = 1/3. The discrete grid velocities c i are:
Figure 0007496049000051

Equation (I.39)
For the remaining particles w 0 = 1/3, for the Cartesian states w i = 1/18 and for the bidiagonal states w i = 1/36. g i (x,t) are the external body force terms. The hydrodynamic quantities £ and u are the moments of the particle distribution function.
Figure 0007496049000052

Equation (I.40)

上述したように、流体ソルバは、スカラー輸送情報を生成したスカラー輸送ソルバと共に使用される。従って、スカラー輸送では、流体ソルバに加えて別個の分布関数の組Tiが導入される。従って、システムは、システムのボクセル毎に流体流及びスカラー輸送の両方をシミュレートして、流体流を表す状態ベクトルと、スカラー変数を表すスカラー量とを生成する。これらのシミュレーション結果は、コンピュータアクセス可能媒体にエントリとして記憶される。 As described above, the fluid solver is used in conjunction with the scalar transport solver that generated the scalar transport information. Thus, for scalar transport, a separate set of distribution functions T i is introduced in addition to the fluid solver. Thus, the system simulates both fluid flow and scalar transport for each voxel of the system to generate state vectors representing fluid flow and scalar quantities representing scalar variables. These simulation results are stored as entries in a computer accessible medium.

スカラー輸送関数の組は、2次巨視的スカラー輸送方程式の間接的解法をもたらす。Tiは、スカラー量の動的発展をモデル化した方程式を提供する。

Figure 0007496049000053

方程式(I.41)
Figure 0007496049000054

方程式(I.42)
Figure 0007496049000055

方程式(I.43)
iはスカラー分布関数であり、Tは解かれるスカラーである。τTは、スカラー拡散率に対応する緩和時間である。緩和時間は、システムが緩和して平衡になるまでにどれほど掛かるかについての尺度を示す。項fi、ρ、T0及びuは、それぞれ方程式(38)、(39)及び(41)で定義される。 The set of scalar transport functions provides an indirect solution of the second-order macroscopic scalar transport equation: T i provides the equations that model the dynamic evolution of the scalar quantities.
Figure 0007496049000053

Equation (I.41)
Figure 0007496049000054

Equation (I.42)
Figure 0007496049000055

Equation (I.43)
T i is a scalar distribution function and T is the scalar to be solved. τ T is the relaxation time corresponding to the scalar diffusivity. The relaxation time provides a measure of how long it takes for a system to relax to equilibrium. The terms f i , ρ, T 0 and u are defined in equations (38), (39) and (41), respectively.

iによって表される格子速度集合は、スカラーシミュレーションで使用される格子速度の離散集合とすることができる。一般に、スカラーソルバは、基本流体ソルバに付属する追加システムであるため、スカラー分布のための格子速度集合は、流体分布のための格子速度集合と同じである必要はない。例えば、スカラー発展のシミュレーションでは、流体流のシミュレーションよりも少ない数の格子速度を使用することができる。スカラー格子速度集合が流体格子速度集合の部分集合である限り、スカラーのための異なる格子速度集合を適用することができる。例えば、流体シミュレーションに19速度LBモデルを使用する場合、スカラーシミュレーションには6速度LBモデルを使用することができる。19速度LBモデルは、6速度LBモデルよりも高次の格子対称性を有するので、後述する例ではスカラーのための同じ19速度格子モデルを使用する。 The grid velocity set represented by c i can be a discrete set of grid velocities used in the scalar simulation. In general, the grid velocity set for the scalar distribution does not need to be the same as the grid velocity set for the fluid distribution, since the scalar solver is an additional system attached to the basic fluid solver. For example, a simulation of scalar evolution can use a smaller number of grid velocities than a simulation of fluid flow. A different grid velocity set for the scalar can be applied as long as the scalar grid velocity set is a subset of the fluid grid velocity set. For example, if a 19-velocity LB model is used for the fluid simulation, a 6-velocity LB model can be used for the scalar simulation. The 19-velocity LB model has a higher order of lattice symmetry than the 6-velocity LB model, so the examples below use the same 19-velocity lattice model for scalars.

(例えば、上述したような)標準的な周知のBGKは、全ての次数の非平衡モーメントを含む。全ての非平衡モーメントを含めることは、必ずしも等方的、流体力学的又は物理的に有意義ではないと考えられる。従って、BGK正則化/フィルタ処理した衝突演算子の形態を使用する。衝突演算子Φiは、将来的な衝突係数を表す。この衝突演算子は、関連するサポートされた次数のみ(例えば、1次のみ)において非平衡スカラー特性を抽出する。この演算子は、対象モードの維持及び緩和を行う一方で、サポートされていない/望ましくない高次モードに関連する非平衡特性は排除される。この計画は、スカラー輸送の物理的特性(例えば、移流及び拡散)の回復にとって十分なものである。この将来的な衝突演算子の使用は、ノイズを大幅に低減し、より良好な移流挙動を提供し(例えば、ガリレイ不変を高めることができ)、周知のBGK演算子の他の解と比べて安定すると考えられる。(例えば、方程式43に示すような)このような形態は、流体力学的範囲におけるスカラー拡散に1次非平衡モーメントのみが寄与することを確実にする。さらに高次の非平衡モーメントは、全てこの衝突プロセスによってフィルタ除去される。上述した衝突演算子Φiの使用は、BGKにおいて示される数値ノイズの排除及びロバスト性の改善を含む利点をもたらすと考えられる。スカラーTは独自の平衡としての役割を果たし、スカラー平衡分布関数の複雑な式は不要である。衝突演算子Φiの全体的な計算はかなり効率的である。さらに高次の非平衡モーメントをフィルタ処理すると、高次の均衡解に存在し得るエイリアシングを低減するという利点をさらにもたらすことができると考えられる。 Standard well-known BGK (e.g., as described above) includes all orders of non-equilibrium moments. It is believed that including all non-equilibrium moments is not necessarily isotropic, hydrodynamically or physically meaningful. Therefore, a form of the BGK regularized/filtered collision operator is used. The collision operator Φ i represents the future collision coefficient. This collision operator extracts non-equilibrium scalar features only in the relevant supported orders (e.g., only the first order). This operator preserves and relaxes the modes of interest, while the non-equilibrium features associated with unsupported/undesired higher order modes are eliminated. This scheme is sufficient for recovering the physical properties of scalar transport (e.g., advection and diffusion). The use of this future collision operator is believed to significantly reduce noise, provide better advection behavior (e.g., can enhance Galilean invariance), and be stable compared to other solutions of the well-known BGK operator. Such a form (e.g., as shown in Eq. 43) ensures that only first order non-equilibrium moments contribute to scalar diffusion in the hydrodynamic range. Any higher-order non-equilibrium moments are filtered out by this collision process. The use of the collision operator Φ i described above is believed to provide advantages including the elimination of numerical noise and improved robustness as shown in BGK. The scalar T acts as a unique equilibrium, and no complex expressions for the scalar equilibrium distribution functions are required. The overall computation of the collision operator Φ i is fairly efficient. It is believed that filtering higher-order non-equilibrium moments can provide the additional advantage of reducing aliasing that may be present in higher-order equilibrium solutions.

方程式(42)における衝突は、スカラー保存則に従うことが分かる。方程式(42)の両辺にf’i(x,t)=fi(x+ci,t+1)を乗算すると、

Figure 0007496049000056

方程式(I.44)
となり、この結果、
Figure 0007496049000057

方程式(I.45)
となることが分かり、ここでのT’i(x,t)は方程式(42)の右辺を示す。従って、スカラーを温度とみなした場合、スカラー衝突演算子は局所的なρTを保存し、このことは局所的エネルギー保存の実現を意味する。Tiはfiと共に伝播するので、移流中にエネルギー分布E=fiiが完全に維持される。従って、ρTの大域的保存が達成される。さらに、最も注目すべき点として、このスキームは、スカラーTの均一性について厳密な不変性を維持する。これについては、あらゆる場所で
Figure 0007496049000058

である場合、背景の流れ場にかかわらずその後の全ての時点においてあらゆる場所でφ(x,t)=0かつ
Figure 0007496049000059

であることが容易に分かる。この基本特性は、過去のどの格子ボルツマンスカラーモデルでも実証されていない。 It can be seen that the collisions in equation (42) obey the scalar conservation law. Multiplying both sides of equation (42) by f'i (x,t)= fi (x+ cj ,t+1), we obtain
Figure 0007496049000056

Equation (I.44)
As a result,
Figure 0007496049000057

Equation (I.45)
where T' i (x,t) denotes the right hand side of equation (42). Thus, if we consider the scalar as temperature, the scalar collision operator conserves the local ρT, which means realizing local energy conservation. Since T i propagates with f i , the energy distribution E = f i T i is perfectly preserved during advection. Thus, global conservation of ρT is achieved. Moreover, and most notably, this scheme maintains strict invariance for the uniformity of the scalar T, which can be seen everywhere.
Figure 0007496049000058

If φ(x,t)=0 everywhere at all subsequent times, regardless of the background flow field,
Figure 0007496049000059

It is easy to see that this fundamental property has not been demonstrated in any previous lattice Boltzmann scalar model.

チャップマン・エンスコッグの拡張を使用すると、方程式(42)は、以下の2次巨視的スカラー輸送方程式を回復させ、

Figure 0007496049000060

方程式(I.46)
κ=(τT-1/2)T0であることが分かる。この均一性不変条件は、ρが∇Tの範囲外にあることを確実にする。 Using the Chapman-Enskog expansion, equation (42) recovers the second-order macroscopic scalar transport equation:
Figure 0007496049000060

Equation (I.46)
It can be seen that κ=(τ T −1/2)T 0. This uniformity invariant ensures that ρ is outside the range of ∇T.

境界条件
LBMの1つの実質的利点は、複雑な幾何形状に対応できる点である。任意の幾何形状の無摩擦/摩擦境界条件(BC)を達成するための一般化された体積LB表面アルゴリズムでは、質量が保存されて、境界上の接線運動量流束及び法線運動量流束が正確に実現される。局所的詳細釣り合い(local detailed balance)が完全に満たされる。この方法の直接的拡張として、スカラーの任意の幾何形状の断熱(ゼロスカラー流束)BCを導出することができる。断熱BCが実現されると、規定の有限流束BCを達成することができる。
Boundary Conditions One substantial advantage of LBM is its ability to accommodate complex geometries. In a generalized volumetric LB surface algorithm for achieving frictionless/frictionless boundary conditions (BC) of arbitrary geometries, mass is conserved and the tangential and normal momentum fluxes on the boundary are realized exactly. Local detailed balance is completely satisfied. As a direct extension of this method, adiabatic (zero scalar flux) BC of any geometry of scalars can be derived. Once the adiabatic BC is realized, a prescribed finite flux BC can be achieved.

他の点別のLBとは異なり、表面要素の離散化集合に対して境界条件が実施される。これらの区分的平面要素(piece-wise flat surface elements)は、共に湾曲形状を表す。図14に示すように、粒子移流中には、各表面要素が隣接する流体セルからの流入粒子を収集する(ステップ1410)。流入分布fi in,Ti inに、下にある表面要素からの平行六面体と粒子移動方向におけるセルとの体積重複によって重み付けする(ステップ1412)。流入量を受け取った後に、以下の表面スカラーアルゴリズムを適用する(ステップ1414)。表面からの流出分布を求めるために、

Figure 0007496049000061

方程式(I.47)
であり、ここでは、
Figure 0007496049000062

方程式(I.48)
i(≡|n・ci|A)
i・nn<0,cin=-ci・i=Pi・nである。 Unlike other point-wise LB, boundary conditions are enforced on a discretized set of surface elements. These piece-wise flat surface elements together represent a curved shape. As shown in FIG. 14, during particle advection, each surface element collects inflow particles from adjacent fluid cells (step 1410). The inflow distributions f i in , T i in are weighted by the volumetric overlap of the parallelepiped from the underlying surface element and the cell in the particle movement direction (step 1412). After receiving the inflow, the following surface scalar algorithm is applied (step 1414): To obtain the outflow distribution from the surface,
Figure 0007496049000061

Equation (I.47)
where:
Figure 0007496049000062

Equation (I.48)
P i (≡ |n·c i |A)
c i ·n n < 0, c i n = -c i · P i =P i ·n .

ここでのnは、流体領域の方を示す表面法線であり、ci・nn<0,cin=-ci・i(≡|n・ci|A)は、表面法線n及び所与の表面要素の面積Aに関連する粒子方向ciにおける平行六面体の体積であり、明らかにPi=Pi*である。流出分布は、同じ表面移流プロセスに従って表面要素から流体セルに逆伝播される(ステップ1416)。上記の表面スカラー衝突が厳密なゼロの表面スカラー流束を達成することを示すことは困難ではない。流出方向にわたる総和をとると、流出スカラー流束は以下のようになる。

Figure 0007496049000063

方程式(I.49) where n is the surface normal pointing towards the fluid domain, c i ·n n<0, c i · P i (≡|n ·c i |A) is the volume of the parallelepiped in particle direction ci associated with surface normal n and area A of a given surface element, obviously P i =P i * . The outflow distribution is back-propagated from the surface elements to the fluid cells following the same surface advection process (step 1416). It is not difficult to show that the above surface scalar collisions achieve a strictly zero surface scalar flux. Summing over the outflow direction, the outflow scalar flux becomes:
Figure 0007496049000063

Equation (I.49)

i=Pi*及び方程式(49)におけるTinの定義に留意すると、右辺の第2の総和項はゼロである。また、質量流束保存に起因して

Figure 0007496049000064

であるため、総流出スカラー流束は総流入スカラー流束と同じである。
Figure 0007496049000065

方程式(I.50) Note that P i =P i * and the definition of T in equation (49), the second summation term on the right hand side is zero. Also, due to the conservation of mass flux,
Figure 0007496049000064

Therefore, the total outflow scalar flux is the same as the total inflow scalar flux.
Figure 0007496049000065

Equation (I.50)

従って、任意の幾何形状についてゼロの正味表面流束(断熱)BCが完全に満たされる。表面上で外部スカラーソースQ(t)が指定される場合、方程式(48)に直接ソース項を加えることができる。

Figure 0007496049000066

方程式(I.51) Therefore, the zero net surface flux (adiabatic) BC is perfectly satisfied for any geometry. If an external scalar source Q(t) is specified on the surface, one can add the source term directly to equation (48).
Figure 0007496049000066

Equation (I.51)

境界条件が規定のスカラー量Tw(例えば、表面温度)を有する場合、以下に従って表面熱流束を計算することができる。

Figure 0007496049000067

方程式(I.52) If the boundary conditions have a prescribed scalar quantity T w (eg, surface temperature), then the surface heat flux can be calculated according to:
Figure 0007496049000067

Equation (I.52)

数値検証
図15~図18に、LBスカラーソルバの能力をその数値精度、安定性、ガリレイ不変性、及びグリッド方位独立などに関して立証する4つのシミュレーション結果の組を示す。比較として、2つの異なる2次FDスキームを用いた結果、van Leer型の流束制限スキーム(flux limiter scheme)、及び直接混合スキーム(中心スキームと1次風上スキーム(first order upwind schemes)との混合)も示す。
Numerical Validation Figures 15-18 show four sets of simulation results that prove the capabilities of the LB scalar solver in terms of its numerical accuracy, stability, Galilean invariance, and grid orientation independence, etc. For comparison, results with two different second-order FD schemes are also shown: a van Leer type flux limiter scheme, and a direct mixed scheme (mixture of central and first order upwind schemes).

A.剪断波減衰
第1のテストケースは、一定の均一流体流によって運ばれる温度剪断波減衰である。初期温度分布は、均一分布に空間正弦波変動が加わったものであり、格子波長L=16であり、大きさは

Figure 0007496049000068

である。TAは定数である。背景平均流の速度は0.2であり、熱拡散率κは0.002である。このような低分解能及びκでは、数値安定性及び精度が十分に有効となり得る。背景流を伴わない温度減衰では、LBスカラーソルバ及び有限差分法の両方が理論との優れた一致を示す。非ゼロの背景平均流では、LBスカラーソルバが依然として正確に理論に匹敵することができる。しかしながら、FD結果は顕著な数値誤差を示す。図15には、格子時間ステップ81における温度プロファイルを示す。流束制限FDスキームでは数値拡散がはっきりと見られるが、混合FDスキームでは正確な温度プロファイルもその位置も維持することができない。 A. Shear Wave Damping The first test case is thermal shear wave damping carried by a constant uniform fluid flow. The initial temperature distribution is a uniform distribution plus a spatial sinusoidal variation with a grating wavelength L = 16 and a magnitude of
Figure 0007496049000068

, where TA is a constant. The background mean flow velocity is 0.2 and the thermal diffusivity κ is 0.002. At such low resolution and κ, numerical stability and accuracy can be sufficiently effective. For temperature decay without background flow, both the LB scalar solver and the finite difference method show excellent agreement with theory. For non-zero background mean flow, the LB scalar solver can still accurately match the theory. However, the FD results show significant numerical errors. Figure 15 shows the temperature profile at grid time step 81. Numerical diffusion is clearly visible in the flux-limited FD scheme, but the mixed FD scheme cannot maintain the exact temperature profile or its location.

B.体積熱源を有する傾斜チャネル
第2のテストケースは、異なる格子配向でのチャネル流の温度分布シミュレーションである。チャネル壁は自由滑り(free-slip)であり、流体流は均一を維持し、結果としてU0=0.2である。チャネル幅は50(格子面間隔)であり、流量Reは2000である。熱拡散率κは0.005である。壁の温度はTw=1/3に固定される。バルク流体領域に一定体積熱源q=5×10-6を適用する。流れは、流動別方向に周期的境界条件を有し、格子整列状況ではこの実現が容易である。図16に示すようにチャネル(明色)が傾斜している時には、内外のチャネル境界が座標方向に完全に一致することによって再び流動別方向に周期的境界条件が実現されるようになる。格子非依存を立証するために、傾斜角を26.56度になるように選択する。第1のテストケースと同様に、チャネルが格子整列している時には、LBスカラーソルバ及び2つのFDスキームを用いた温度分布が解析解と非常に良好に一致する。しかしながら、チャネルが傾斜している時には、FDスキームからの結果が理論から大きく外れる。図16に、傾斜チャネルにわたる温度分布のシミュレーション結果を示す。LB結果は、格子の配向に依存しないことがはっきりと示されている。傾斜した境界配向に関する勾配計算の処理の基本的困難性からFD法からの誤差も生じ、従ってさらなる数値アーチファクトが導入されるようになる。ここに示すBCではLBスカラー粒子移流が正確になるので、格子配向に依存しないスカラー発展を達成することができる。
B. Inclined Channel with Volumetric Heat Source The second test case is a simulation of the temperature distribution of the channel flow with different lattice orientations. The channel walls are free-slip and the fluid flow remains uniform, resulting in U 0 =0.2. The channel width is 50 (lattice spacing) and the flow rate Re is 2000. The thermal diffusivity κ is 0.005. The wall temperature is fixed at T w =1/3. A constant volumetric heat source q=5×10 -6 is applied to the bulk fluid domain. The flow has periodic boundary conditions in the other flow directions, which is easy to achieve in the lattice-aligned regime. When the channel (light color) is inclined as shown in Figure 16, the periodic boundary conditions in the other flow directions are again achieved by perfectly matching the inner and outer channel boundaries in the coordinate directions. To demonstrate lattice independence, the inclination angle is chosen to be 26.56 degrees. Similar to the first test case, when the channel is lattice aligned, the temperature distribution using the LB scalar solver and the two FD schemes agree very well with the analytical solution. However, when the channel is tilted, the results from the FD schemes deviate significantly from theory. Figure 16 shows the simulation results of the temperature distribution across the tilted channel. It is clearly shown that the LB results are independent of the lattice orientation. Errors from the FD method also arise from the fundamental difficulty in handling the gradient calculations for tilted boundary orientations, thus introducing additional numerical artifacts. The LB scalar particle advection is accurate in the BC presented here, so that a scalar evolution independent of the lattice orientation can be achieved.

C.傾斜チャネルにおける温度伝播
デカルト格子上の非格子整列壁近傍領域には近隣情報が存在しないため、FDベースの方法にとって不可欠な局所勾配を正確に推定することは極めて困難である。さらに、FD法では風上情報に強く依存するため、スカラー移流の計算がさらに困難になり得る。対照的に、LBスカラーソルバの境界処理は、上述したように正確な局所スカラー流束保存を達成する。このような壁近傍領域のスカラー移流を正確に計算することができる。証明として、30度傾斜したチャネルにおける高温対流を実施する。固体壁において自由滑り(free-slip)かつ断熱のBCを実施すると、流体速度は、チャネルに沿って一定のU0=0.0909である。熱拡散率κは0.002である。最初は、入口のT=4/9を除き、あらゆる場所で温度が1/3である。その後に、この温度前線は、均一な背景流体流によって歪みを伴わずに下流位置まで対流するはずである。図17に、格子時間ステップ2000におけるチャネルにわたる計算された温度前線分布を示す。LBスカラーソルバの温度前線は、ほぼ真っ直ぐな形状を維持する。一方で、2つのFDスキームからの温度前線は、壁近傍領域においてかなりの歪みを示す。LBスカラー結果は、LBスカラーソルバの数値拡散が小さくなったことを意味する最も薄い温度前線を示したとも言える。
C. Temperature Propagation in an Inclined Channel Due to the absence of neighborhood information in non-grid aligned near-wall regions on a Cartesian grid, it is extremely difficult to accurately estimate the local gradients, which are essential for FD-based methods. Furthermore, the strong dependence on upwind information in FD methods can make the computation of scalar advection even more difficult. In contrast, the boundary treatment of the LB scalar solver achieves accurate local scalar flux conservation as discussed above. Scalar advection in such near-wall regions can be computed accurately. As proof, we implement high temperature convection in a 30 degree inclined channel. With free-slip and adiabatic BC implementation at the solid walls, the fluid velocity is constant U 0 =0.0909 along the channel. The thermal diffusivity κ is 0.002. Initially, the temperature is 1/3 everywhere except at T=4/9 at the inlet. This temperature front should then be convected undistorted to downstream locations by the uniform background fluid flow. Figure 17 shows the computed temperature front distribution across the channel at grid time step 2000. The temperature front of the LB scalar solver maintains an almost straight shape, while the temperature fronts from the two FD schemes show significant distortion in the near-wall region. It can be said that the LB scalar result shows the thinnest temperature front, which means that the numerical diffusion of the LB scalar solver is reduced.

D.レイリー-ベナール(Rayleigh-Bernard)自然対流
レイリー-ベナール(RB)自然対流は、数値ソルバの精度検証のための古典的なベンチマークである。RB自然対流は、ケース設定は単純であるが複雑な物理現象である。レイリー数Raが特定の臨界値を超えると、システムが非流から対流に移行する。図18に示すような現在の研究は、流体に作用する浮力がαρg(T-Tm)として定義されるブシネスク(Boussinesq)近似下で行われ、ここでのαは熱膨張率であり、gは重力であり、Tmは上下境界の平均温度値である。最も不安定な波数は、Raが臨界値Ra=1707.762を超えた時にκc=3.117であり、この研究では分解能101×50を使用する。ここで使用されるPrは0.71である。RBRB対流が確立されると、2つのプレート間の熱伝達が大幅に強化される。この熱伝達の強化は、Nu=1+<uyT>H/κΔTによって表される。
D. Rayleigh-Benard Natural Convection Rayleigh-Benard (RB) natural convection is a classical benchmark for the accuracy verification of numerical solvers. RB natural convection is a complex physical phenomenon, although the case setup is simple. When the Rayleigh number Ra exceeds a certain critical value, the system transitions from non-flow to convection. The current study, as shown in Figure 18, is carried out under the Boussinesq approximation, where the buoyancy force acting on the fluid is defined as αρg(T-T m ), where α is the thermal expansion coefficient, g is gravity, and T m is the average temperature value of the upper and lower boundaries. The most unstable wave number is κ c = 3.117 when Ra exceeds the critical value Ra = 1707.762, and this study uses a resolution of 101 × 50. The P r used here is 0.71. Once the R B RB convection is established, the heat transfer between the two plates is greatly enhanced. This heat transfer enhancement is expressed by Nu=1+<u y T>H/κΔT.

図19に、流体シミュレーションのスクリーンショットを示す。(従来の方法ではなく)上述した全エネルギー保存を使用した流体シミュレーションは、同様の流体シミュレーションの表現と、いずれかの慣習的な対応する計算データ出力とをもたらす。しかしながら、上述した方法を用いたこのような流体シミュレーションは、例えば実際の物理的対象などの対象をモデル化する際に他の方法よりも高速に及び/又はより少ない計算リソースを使用して流体シミュレーションを実行することができる。 Figure 19 shows a screenshot of a fluid simulation. Fluid simulation using the total energy conservation described above (rather than the conventional method) results in a similar representation of the fluid simulation and any conventional corresponding computational data output. However, such a fluid simulation using the method described above may perform the fluid simulation faster and/or using fewer computational resources than other methods when modeling an object, such as an actual physical object.

本明細書で説明した平衡分布は圧力項を含んでおらず、従ってその値が衝突演算中に常に正であり、比較的強力な安定性をもたらす。衝突状態がそのまま移流した後には、運動量に等温圧力勾配が生じ、全エネルギー方程式に圧力対流項が生じない。全Pエネルギーの保存は、停止状態を修正することによって行われ、移流後には、粒子状態に局所圧力項を加え直してからモーメントを計算して正しい圧力勾配をもたらす。 The equilibrium distribution described here does not contain a pressure term, and therefore its value is always positive during collision calculations, resulting in relatively strong stability. After the collision state is advected as is, an isothermal pressure gradient appears in the momentum, and no pressure convection term appears in the total energy equation. The conservation of the total P-energy is achieved by modifying the resting state, and after advection, the local pressure term is added back to the particle state before computing the moment to result in the correct pressure gradient.

複数の実装について説明した。それでもなお、本開示の趣旨及び範囲から逸脱することなく様々な修正を行うことができると理解されるであろう。従って、以下の特許請求の範囲には他の実装も含まれる。 Several implementations have been described. Nevertheless, it will be understood that various modifications can be made without departing from the spirit and scope of the disclosure. Accordingly, other implementations are within the scope of the following claims.

Claims (18)

全エネルギー保存を実施するシミュレーションを使用してコンピュータ上で流体流をシミュレートする方法であって、
メッシュにわたる粒子の動きをモデル化するように前記メッシュにわたる流体の活動をシミュレートするステップと、
前記メッシュ内の各メッシュ位置の、それぞれが対応するメッシュ位置における可能な運動量状態のうちの特定の運動量状態に対応する複数のエントリを含む一連の状態ベクトルをコンピュータアクセス可能メモリに記憶するステップと、
前記コンピュータが、移流する粒子の状態に、Eを比内部エネルギー、νを速度として、比全エネルギーE t =E+ν 2 /2を計算することによって得られる比全エネルギー値を加算し、時間間隔にわたって移流しない粒子の状態から前記全エネルギー値を減算することによって、前記粒子の前記一連の状態ベクトルを修正するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
1. A method of simulating a fluid flow on a computer using a simulation that implements total energy conservation, comprising:
simulating fluid activity across the mesh to model particle movement across the mesh;
storing in a computer accessible memory a set of state vectors for each mesh location within said mesh, the state vectors including a plurality of entries, each entry corresponding to a particular one of the possible momentum states at the corresponding mesh location;
the computer modifies the set of state vectors of the particles by adding to the states of the advected particles a value of specific total energy obtained by calculating the specific total energy Et = E + v2 / 2, where E is the specific internal energy and v is the velocity, and subtracting the value of specific total energy from the states of the non-advected particles over a time interval;
The method according to claim 1, further comprising:
前記修正された一連の状態に従って前記粒子が後続のメッシュ位置に移流した後に、前記方法は、前記粒子状態に局所圧力項を加え直してからモーメントを計算して正しい圧力勾配(∇p)をもたらすステップをさらに含む、
請求項1に記載の方法。
After the particles have been advected to subsequent mesh locations according to the modified set of states, the method further comprises adding back a local pressure term to the particle states and then computing moments to yield a correct pressure gradient (∇p).
The method of claim 1.
前記局所圧力項は、前記コンピュータによって計算されるθ-1項を含む、
請求項2に記載の方法。
The local pressure terms include a θ-1 term calculated by the computer.
The method of claim 2.
前記流体流の活動をシミュレートするステップは、第1の一連の離散格子速度に部分的に基づいて前記流体流をシミュレートするステップを含み、前記方法は、前記第1の一連の離散格子速度と同じ格子速度である、或いは前記第1の一連の離散格子速度とは格子速度の数が異なる第2の一連の離散格子速度に部分的に基づいて、スカラー量の時間発展をシミュレートするステップをさらに含む、
請求項2に記載の方法。
simulating the fluid flow activity includes simulating the fluid flow based in part on a first set of discrete grid velocities, the method further including simulating the time evolution of a scalar quantity based in part on a second set of discrete grid velocities that is the same grid speed as the first set of discrete grid velocities or that has a different number of grid speeds than the first set of discrete grid velocities;
The method of claim 2.
前記コンピュータが、後続のメッシュ位置への前記粒子の移流を一定の時間間隔にわたって実行するステップ、をさらに含み、
前記全エネルギーの時間発展をシミュレートするステップは、
近隣メッシュ位置からの流入分布を衝突演算子及びエネルギー演算子について収集するステップと、
前記流入分布に重み付けするステップと、
前記衝突演算子とエネルギー演算子との積として流出分布を決定するステップと、
前記決定された流出分布を伝播するステップと、
を含む、請求項1に記載の方法。
the computer performing advection of the particles to subsequent mesh locations over a period of time;
The step of simulating the time evolution of the total energy includes:
collecting inflow distributions from neighboring mesh locations for a collision operator and an energy operator;
weighting the inflow distribution;
determining an outflow distribution as a product of the collision operator and an energy operator;
propagating the determined outflow distribution;
The method of claim 1 , comprising:
任意のプラントル数のための正確な剪断応力を回復させるために、エネルギー衝突項は以下によって与えられ、
Figure 0007496049000069

Figure 0007496049000070
ここでの
Figure 0007496049000071
は、非平衡成分のフィルタ処理された2次モーメントである、
請求項1に記載の方法。
To recover the exact shear stress for any Prandtl number , the energy impingement term is given by,
Figure 0007496049000069

Figure 0007496049000070
Here
Figure 0007496049000071
is the filtered second moment of the non-equilibrium component,
The method of claim 1.
前記流入分布が、前記決定された流出分布に等しくなるように、ゼロの正味表面流束境界条件を適用するステップをさらに含む、
請求項5に記載の方法。
applying a zero net surface flux boundary condition such that the inflow distribution is equal to the determined outflow distribution;
The method according to claim 5.
活動をシミュレートするステップは、前記コンピュータが、平衡分布及び全エネルギーEtの第2の分布関数を適用するステップを含み、前記第2の分布関数は、流れ分布fiと共に移流する特定のスカラーとして定義される、
請求項1に記載の方法。
The step of simulating the activity includes the step of the computer applying a second distribution function of the equilibrium distribution and the specific total energy Et , the second distribution function being defined as a particular scalar that is advected with the flow distribution f ;
The method of claim 1.
前記第2の分布関数は、エネルギー方程式に対するfi の非平衡寄与を考慮して、境界付近の異なる格子分解能にわたる正確な流れ挙動を取得し、分布関数の衝突演算子は以下によって与えられ、
Figure 0007496049000072

Figure 0007496049000073
ここでの項Ωf、Ωqは、それぞれの衝突演算子を表し、前記方程式において使用される平衡分布は以下の通りである、
Figure 0007496049000074
Figure 0007496049000075
請求項に記載の方法。
The second distribution function takes into account the non-equilibrium contribution of f i to the energy equation to obtain accurate flow behavior over different grid resolutions near the boundary, and the collision operator of the distribution function is given by:
Figure 0007496049000072

Figure 0007496049000073
where the terms Ω f , Ω q represent the respective collision operators and the equilibrium distribution used in the above equation is:
Figure 0007496049000074
Figure 0007496049000075
The method according to claim 8 .
行時に物理的プロセス流体流をシミュレートするとともに、コンピュータシステムに、
メッシュにわたる粒子の動きをモデル化するように前記メッシュにわたる流体の活動をシミュレートし、
前記メッシュ内の各メッシュ位置の、それぞれが対応するメッシュ位置における可能な運動量状態のうちの特定の運動量状態に対応する複数のエントリを含む一連の状態ベクトルをコンピュータメモリに記憶し、
移流する粒子の状態に、Eを比内部エネルギー、νを速度として、比全エネルギーE t =E+ν 2 /2を計算することによって得られる比全エネルギー値を加算し、時間間隔にわたって移流しない粒子の状態から前記全エネルギー値を減算することによって、前記粒子の前記一連の状態ベクトルを修正する、
ことを行わせる、ことを特徴とするコンピュータプログラ
Simulating a physical process fluid flow at run -time and providing a computer system
simulating fluid activity across the mesh to model the movement of particles across the mesh;
storing in a computer memory a series of state vectors for each mesh location within the mesh, the state vectors including a plurality of entries, each entry corresponding to a particular one of the possible momentum states at the corresponding mesh location;
modifying said set of state vectors of the advected particles by adding to the states of the advected particles a value of specific total energy obtained by calculating the specific total energy Et = E + v2 / 2 , where E is the specific internal energy and v is the velocity, and subtracting said value of specific total energy from the states of the non-advected particles over a time interval;
A computer program characterized by causing a computer to perform the following:
前記全エネルギーの値は、圧力が対流するように移流前に追され追加された前記比全エネルギーの値を補正するために停止状態から前記追加された比全エネルギーの値を削除する、
請求項10に記載のコンピュータプログラ
the value of the specific total energy is added before advection so that pressure is convected, and the value of the added specific total energy is removed from the rest state to correct the value of the added specific total energy;
11. A computer program product as claimed in claim 10 .
前記追加された比全エネルギーの値を削除することによって全エネルギーが保存され、正しい圧力速度項がもたらされる、
請求項11に記載のコンピュータプログラ
Total energy is conserved by removing the added specific total energy value , resulting in the correct pressure velocity terms.
12. A computer program product as claimed in claim 11 .
前記追加された比全エネルギーの値を削除することは、前記停止状態
Figure 0007496049000076

Figure 0007496049000077
となるように修正することによって行われる、
請求項12に記載のコンピュータプログラ
The removal of the added specific total energy value is
Figure 0007496049000076
of
Figure 0007496049000077
This is done by modifying
13. A computer program product as claimed in claim 12 .
物理的プロセス流体流をシミュレートするためのコンピュータシステムであって、
1又は2以上のプロセッサ装置と、
前記1又は2以上のプロセッサ装置に結合されたコンピュータメモリと、
命令を記憶したコンピュータ可読媒体と、
を備え、前記命令は、実行時に物理的プロセス流体流をシミュレートするとともに、前記コンピュータシステムに、
メッシュにわたる粒子の動きをモデル化するように前記メッシュにわたる流体の活動をシミュレートし、
前記メッシュ内の各メッシュ位置の、それぞれが対応するメッシュ位置における可能な運動量状態のうちの固有の運動量状態に対応する複数のエントリを含む一連の状態ベクトルをコンピュータメモリに記憶し、
移流する粒子の状態に、Eを比内部エネルギー、νを速度として、比全エネルギーE t =E+ν 2 /2を計算することによって得られる比全エネルギー値を加算し、時間間隔にわたって移流しない粒子の状態から前記全エネルギー値を減算することによって、前記粒子の前記状態ベクトルを修正する、
ことを行わせる、
ことを特徴とするコンピュータシステム。
1. A computer system for simulating a physical process fluid flow, comprising:
one or more processor units;
a computer memory coupled to the one or more processor units;
A computer readable medium having instructions stored thereon;
the instructions, when executed, simulate a physical process fluid flow and provide the computer system with:
simulating fluid activity across the mesh to model the movement of particles across the mesh;
storing in a computer memory a series of state vectors for each mesh location within said mesh, said state vectors including a plurality of entries, each entry corresponding to a unique momentum state among the possible momentum states at the corresponding mesh location;
modifying said state vectors of advected particles by adding to the states of the particles a value of specific total energy obtained by calculating the specific total energy Et = E + v2 /2, where E is the specific internal energy and v is the velocity, and subtracting said value of specific total energy from the states of the particles not advected over a time interval;
To make something happen,
1. A computer system comprising:
前記システムは、前記修正された一連の状態に従って前記粒子が後続のメッシュ位置に移流した後に、前記粒子状態に局所圧力項を加え直してからモーメントを計算して正しい圧力勾配(∇p)をもたらすための命令をさらに含む、
請求項14に記載のシステム。
the system further includes instructions for adding back a local pressure term to the particle states after the particles have been advected to subsequent mesh locations according to the modified set of states, and then computing moments to result in a correct pressure gradient (∇p).
The system of claim 14 .
前記局所圧力項は、前記システムによって計算されるθ-1項を含む、
請求項15に記載のシステム。
the local pressure terms include a θ-1 term calculated by the system;
The system of claim 15 .
前記流体流の活動をシミュレートするための命令は、
後続のメッシュ位置への前記粒子の移流を実行し、
第1の一連の離散格子速度に部分的に基づいて前記流体流をシミュレートし、及び
前記第1の一連の離散格子速度と同じ格子速度である、或いは前記第1の一連の離散格子速度とは格子速度の数が異なる第2の一連の離散格子速度に部分的に基づいて、スカラー量の時間発展をシミュレートする、ための命令を含む、
請求項15に記載のシステム。
The instructions for simulating the activity of the fluid flow include:
performing advection of said particles to subsequent mesh locations;
simulating the fluid flow based in part on a first set of discrete grid velocities; and simulating the time evolution of a scalar quantity based in part on a second set of discrete grid velocities that is the same grid speed as the first set of discrete grid velocities or that has a different number of grid speeds than the first set of discrete grid velocities.
The system of claim 15 .
前記システムに、平衡分布及び全エネルギーEtの第2の分布関数を適用させるための命令をさらに含み、前記第2の分布関数、流れ分布fiと共に移流する固有のスカラーとして定義される、
請求項14に記載のシステム。
and instructions for causing the system to apply a second distribution function of the equilibrium distribution and specific total energy Et , the second distribution function being defined as a unique scalar that is advected with the flow distribution f ;
The system of claim 14.
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