JPH03229156A - Batch simulation system for navier-stokes' equation - Google Patents

Batch simulation system for navier-stokes' equation

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Publication number
JPH03229156A
JPH03229156A JP2196090A JP2196090A JPH03229156A JP H03229156 A JPH03229156 A JP H03229156A JP 2196090 A JP2196090 A JP 2196090A JP 2196090 A JP2196090 A JP 2196090A JP H03229156 A JPH03229156 A JP H03229156A
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JP
Japan
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block
equations
matrix
equation
navier
Prior art date
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Pending
Application number
JP2196090A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yasunori Ushiro
後 保範
Kenji Araki
憲司 荒木
Nobuhiro Iogi
五百木 伸洋
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To obtain a stable numeric solution and to enable fast calculation by performing numeric simulation while the Navier-Stokes' equation and continu ous equations are made discrete at a time, and making the continuous equations hold at each time for calculation. CONSTITUTION:The Navier-Stokes' equation and continuous equations are made simultaneously discrete in units of a 4X4 block matrix containing a speed and pressure as unknowns to generate a block matrix A. Then block incomplete triangular decomposition is performed as to the block matrix A. An inverse matrix is an approximate matrix. Simultaneous linear equations including the matrix A as a coefficient are solved by the method of reciprocal solution of a conjugate gradient method system for asymmetry which uses said block incom plete triangular decomposition as processing. In this method, the Navier-Stokes' equation and continuous equations are only described as they are, so the easiness of use is improved. Further, the calculation is carried out while the continuous equations are made to hold at each time, so the calculation becomes fast and stability to time step-size is increased.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は非圧縮性粘性流体の数値シミュレーションにお
いて、原式のままの離散化と、時間きざみ幅及び領域の
分割方法にあまり左右されず安定に数値解を求めるため
のコンピュータによる数値計算に関するものである。
[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention is applicable to numerical simulations of incompressible viscous fluids. It is concerned with numerical calculations using computers to find numerical solutions to problems.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

従来の非圧縮粘性流れに関しては、日本機械学会編コロ
ナ社発行の「数値シミュレーション」P197〜P19
8に記載のようにSMAC法(Simplifiedm
arker and cellmethod)が使用さ
れていた。本文献では2次元でRe数による基準化がな
されていないので、ここでは3次元でRe数による基準
化した式、本願実施例の(1)から(4)式に対応する
SMAC法を示す。上付けのnはt=nΔを時間での計
算値を、n+1はt= (n+1)Δtの計算値を示す
。ここでΔtは時間きざみ幅である。
Regarding conventional incompressible viscous flow, see "Numerical Simulation" edited by Japan Society of Mechanical Engineers and published by Corona Publishing, pages 197 to 19.
8, the SMAC method (Simplified m
Arker and cell method) were used. Since this document does not perform two-dimensional scaling using the Re number, here we will show equations that are three-dimensional scaling based on the Re number, and the SMAC method corresponding to equations (1) to (4) of the embodiment of the present application. The superscript n indicates the calculated value of t=nΔ in time, and n+1 indicates the calculated value of t=(n+1)Δt. Here, Δt is the time step width.

W=W −Δt・(VV’grad(Wn)+を一±2
wnaz  Re 第2ステップ: 補助変数φを使用して次のポアソン方程式をφについて
解く。
W=W −Δt・(VV'grad(Wn)+−±2
wnaz Re Second step: Solve the following Poisson equation for φ using the auxiliary variable φ.

第3ステップ: 上記で求めたφを使用してU°゛1 P0+1 を求める。Third step: Using φ obtained above, U°゛1 Find P0+1.

、■ n+1 、W n+1 コ:テVV0= (U’、V’、Wo) トLV”はラ
プラシアンを示す。
, ■ n+1 , W n+1 KO:TEVV0= (U', V', Wo) LV'' indicates the Laplacian.

この方式の欠点は連続の式をそのまま解かず、補助変数
φを使用して次の時刻で連続の式をみたすよう修正する
点にある。そのため同時刻において連続の式を満たして
いないため解が不安定となる場合があり、時間きざみ幅
Δtをあまり大きくできないという欠点がある。
The drawback of this method is that the equation of continuity is not solved as is, but is modified using the auxiliary variable φ so that the equation of continuity is satisfied at the next time. Therefore, since the equation of continuity is not satisfied at the same time, the solution may become unstable, and there is a drawback that the time step width Δt cannot be made very large.

〔発明が解決しようとする課題〕 従来技術には上記のような問題があった。[Problem to be solved by the invention] The conventional technology has the above-mentioned problems.

本発明の目的は非圧縮性流体の支配方程式であるナビエ
ストークス方程式と連続の式を一括離散化して数値シミ
ュレーションを行うことにより、従来方式より高速でか
っ、時間きざみ輻及び領域の分割方式にあまり左右され
ない安定な数値解法を提供することにある。またこのと
き使用する不完全三角分解付きブロック共役勾配性系の
計算手法において5連続の式から発生する対角ブロック
にオールゼロの行がある場合の処理に工夫をこらし、ブ
ロック行列を係数とする連立一次方程式の反復解を求め
ることにある。
The purpose of the present invention is to simultaneously discretize the Navier-Stokes equations and continuity equations, which are the governing equations of incompressible fluids, and perform numerical simulations, thereby achieving faster speeds than conventional methods and being less sensitive to time-step convergence and domain division methods. The objective is to provide a stable numerical solution method that is not influenced by In addition, in the calculation method of the block conjugate gradient system with incomplete triangular decomposition used at this time, we have devised a method for handling cases where there is an all-zero row in the diagonal block generated from five consecutive equations, and we The purpose is to find iterative solutions to linear equations.

〔課題を解決するための手段〕[Means to solve the problem]

上記目的を達成するために、流れの基礎方程式であるナ
ビエストークスの方程式と連続の式に対して、同じ長さ
のブロック長に保った連立離散化方式とそれを係数とす
る連立一次方程式を不完全三角分解付き共役勾配性基の
解法で数値解を求めることができるようにしたものであ
る。
In order to achieve the above objective, for the Navier-Stokes equation and the continuity equation, which are the basic equations of flow, we created a simultaneous discretization method that kept the block length the same and a system of simultaneous linear equations using the same block length as coefficients. This allows numerical solutions to be obtained using a solution method for conjugate gradient groups with complete triangular decomposition.

同じ長さのブロック長に保った連立離散化方式にするた
めには、固定点(値が定まっている点)では固定した変
数に対応する対角ブロック上の対角要素を1にセットし
、同じ行の行列要素の値をすべてゼロにセットする。ま
たスタガードメツシュ(変数ごとに定義される位置が異
なる。流れでは3次元の場合、速度は面上に、圧力は中
心点に置く)を使用した場合、x、y、z方向の速度U
In order to use a simultaneous discretization method that keeps the block length the same, set the diagonal elements on the diagonal block corresponding to the fixed variable to 1 at fixed points (points where the value is fixed), Set all values of matrix elements in the same row to zero. In addition, when using a staggered mesh (the position defined for each variable is different; in the case of a three-dimensional flow, velocity is placed on a surface and pressure is placed at the center point), the velocity U in the x, y, and z directions is
.

v、Wと圧力Pでは定義点の数が異なる。この場合はダ
ミーの点をもうけて、各変数の数を同じにし、同じ長さ
のブロック長に保つ。
The number of definition points is different for v, W and pressure P. In this case, we create dummy points to keep the number of variables the same and the block length the same.

不完全三角分解は次のような手法な用いて三角分解後の
対角ブロックの近似逆行列を求める。そのためσを対角
ブロックの行ノルムとしたとき。
Incomplete triangular decomposition uses the following method to obtain an approximate inverse matrix of a diagonal block after triangular decomposition. Therefore, when σ is the row norm of the diagonal block.

σ=0ならこれは連続の式より発生したもので値はメツ
シュ分解だけに依存するためσは非対角を含めた行ノル
ムに変更する。さらに、分解後の対角ブロックの逆行列
を求めるとき、ピボット値PがP/σ〈εのときはP=
σ×εx(pの符号)に置き換えて特異性をなくした近
似逆行列を求める。また対角ブロックを非対角に対して
優位に近づけるため、不完全三角分解では対角ブロック
×(1+α)とし、パラメータεとαは数値実験より求
めておく。但し多くの場合i=0.1.α;1.0の値
で十分対応できる。
If σ=0, this is generated from the continuity equation and the value depends only on the mesh decomposition, so σ is changed to the row norm including off-diagonals. Furthermore, when calculating the inverse matrix of the diagonal block after decomposition, if the pivot value P is P/σ<ε, then P=
Obtain an approximate inverse matrix that eliminates singularity by replacing it with σ×εx (sign of p). Furthermore, in order to make the diagonal block more dominant than the off-diagonal block, the diagonal block x (1+α) is used in the incomplete triangular decomposition, and the parameters ε and α are determined by numerical experiments. However, in many cases i=0.1. α; A value of 1.0 is sufficient.

〔作用〕[Effect]

同じ長さのブロック長に保った連立m紋化方式にするの
は、ブロック不完全三角分解が容易にでき、スーパーコ
ンピュータ用の計算方式が採用できるためである。
The reason for using the simultaneous m-patterning method that maintains the same block length is that block incomplete triangular decomposition can be easily performed and a calculation method for supercomputers can be adopted.

不完全三角分解で分解後の対角ブロック行列の近似逆行
列を求めるのは、対角ブロック行列が特異となり正確な
逆行列は求められないことと、共役勾配性基の前処理に
使用する不完全三角分解はそれ自身がすでに近似分解で
あり、共役勾配性基の解法の収束を速める効果を発揮す
ればよいためである。
Obtaining an approximate inverse matrix of a diagonal block matrix after decomposition using incomplete triangular decomposition is because the diagonal block matrix is singular and an accurate inverse matrix cannot be obtained, and the inverse matrix used for preprocessing of the conjugate gradient group This is because the complete triangular decomposition itself is already an approximate decomposition, and it is only necessary to exhibit the effect of accelerating the convergence of the solution method for conjugate gradient groups.

〔実施例〕〔Example〕

非圧縮性流体をRe数(レイノルズ数)で基準化し、直
交座標系において各軸方向の速度をU。
The incompressible fluid is standardized by the Re number (Reynolds number), and the velocity in each axial direction is U in the Cartesian coordinate system.

v、Wと書くと体力の働かない場合はナビエストークス
方程式と連続の式は次のように表すことがテキル。コ、
::1’Pは圧力、VV= (U、V、W)とし、連続
の式は(4)式である。
When written as v and W, if physical strength does not work, the Navier-Stokes equation and the equation of continuity can be expressed as follows. Ko,
::1'P is pressure, VV= (U, V, W), and the continuity equation is equation (4).

甚十B+バ=O(4) ax   ay    az 以下この式に対して1本発明の一実施例を第1図で説明
する。第1図は非圧縮粘性流体の前処理付きブロック共
役勾配性基による一括解法を示したPAD図である。1
05は時間tmaxまで流れ解析をすることを示す。1
01は上記(1)式から(4)式まで連立して離散化す
ることを示す。その結果4×4を単位とするブロック行
列Aが作成される。
Jinju B+B=O(4) ax ay az An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG. 1 for this equation. FIG. 1 is a PAD diagram showing a batch solution method using a pretreated block conjugate gradient group for an incompressible viscous fluid. 1
05 indicates that flow analysis is performed until time tmax. 1
01 indicates that equations (1) to (4) above are simultaneously discretized. As a result, a block matrix A of 4×4 units is created.

102及び1σ3は行列Aを係数とする連立一次方程式
Ax=bの解Xを求めるための反復解法である。
102 and 1σ3 are iterative solutions for finding the solution X of simultaneous linear equations Ax=b with matrix A as a coefficient.

102では行列Aをブロック不完全分解して、反復計算
の準備をする。ブロック不完全三角分解後の対角ブロッ
クの逆行列は第4図の手順で近似逆行列にする。103
ではこの不完全三角分解を前処理に使用してブロック非
対称用共役勾配性基の反復解法で当該時間のU、V、W
、Pを同時に求める。ここで非対称用共役勾配法として
はBCG法(Bi Conjugate Gradie
nt Method)やCGS法(Conjugate
 Gradient 5quared Method)
等がある。104では時間りをΔt(時間きざみ幅)だ
け進める。
At 102, the matrix A is subjected to incomplete block decomposition to prepare for iterative calculation. The inverse matrix of the diagonal block after block incomplete triangular decomposition is approximated as an inverse matrix using the procedure shown in FIG. 103
Now, using this incomplete triangular decomposition in preprocessing, we can calculate U, V, W at the relevant time by iterative solution of the conjugate gradient group for block asymmetry.
, P at the same time. Here, the BCG method (Bi Conjugate Gradie method) is used as the conjugate gradient method for asymmetry.
nt Method) and CGS method (Conjugate
Gradient 5 squared Method)
etc. At 104, the time is advanced by Δt (time step width).

第2図は3次元差分法を用いて(1)式から(4)式で
示すナビエストークス方程式と連続の式を連立離散化し
て作成した行列の形である。201は対角ブロック行列
を、202と203は前後の節点との関係で発生するブ
ロック行列である。これらはブロックを単位とすると一
つだけ対角からずれた位置に発生する。204と205
は一つ離れた辺上の節点との関係で発生するブロック行
列である。このブロック行列は対角よりブロックを単位
としてmlだけ下及び上にずれている。206と207
は一つ離れた面上の節点との関係で発生するブロック行
列である。
FIG. 2 shows the form of a matrix created by simultaneously discretizing the Navier-Stokes equations and continuity equations shown in equations (1) to (4) using the three-dimensional difference method. 201 is a diagonal block matrix, and 202 and 203 are block matrices generated in relation to the preceding and following nodes. These occur at a position offset from the diagonal by one block. 204 and 205
is a block matrix generated in relation to nodes on one side away. This block matrix is shifted downward and upward by ml from the diagonal in units of blocks. 206 and 207
is a block matrix generated in relation to nodes on one plane apart.

このブロック行列は対角よりブロックを単位としてm2
だけ下及び上にずれている。ここでm2はmlの倍数と
なる。208は行列中に表れた印が4×4のブロック行
列であることを示している。このブロック行列は1,2
,3.4列がそれぞれ変数U、V、W及びPに対応し、
1,2,3.4行はそれぞれ(1)、 (2)、 (3
)、 (4)の方程式に対応するものである。
This block matrix is m2 in blocks from the diagonal.
It is shifted downward and upward. Here, m2 is a multiple of ml. 208 indicates that the mark appearing in the matrix is a 4×4 block matrix. This block matrix is 1,2
, 3.4 columns correspond to variables U, V, W and P, respectively,
Lines 1, 2, 3.4 are (1), (2), (3
), which corresponds to the equation (4).

第3図は2次元差分法を用いて、2次元のナビエストー
クス方程式と連続の式を連立離散化して作成した行列の
具体的な形と節点に番号付けした解析対象領域を示した
ものである。301は解析対象領域であり、左辺より一
定の速度で流入し、右辺より流呂するものとする。30
2は流速U、Vを固定した節点を示し、303は流速U
、■が未知数となる内点である。304は上の領域の節
点番号を示す。スペースの都合で行列は一部分を示した
Figure 3 shows the concrete form of the matrix created by simultaneously discretizing the two-dimensional Navier-Stokes equation and the continuity equation using the two-dimensional difference method, and the analysis target area with numbered nodes. . Reference numeral 301 denotes an analysis target area, in which water flows in from the left side at a constant speed and flows from the right side. 30
2 indicates a node where the flow velocities U and V are fixed, and 303 indicates a node where the flow velocity U is fixed.
, ■ are interior points that are unknowns. 304 indicates the node number of the upper region. Due to space limitations, only a portion of the matrix is shown.

305は流速U、■が固定されているため対応する対角
ブロックの対角要素を1にセットする。また306は同
様の理由で対角要素以外の対応する行要素はすべてOと
する。ここで*はO以外の値が入り、空白はオールゼロ
を示す。307は内点に対応する対角ブロックの連続の
式を離散化して発生した値である。この部分は式の性質
によりオールゼロとなる。これがブロク不完全三角分解
を困難番こしている最大の原因である。
In 305, since the flow velocity U and ■ are fixed, the diagonal elements of the corresponding diagonal block are set to 1. Also, for 306, all corresponding row elements other than diagonal elements are set to O for the same reason. Here, * enters a value other than O, and blanks indicate all zeros. 307 is a value generated by discretizing the equation of continuity of diagonal blocks corresponding to interior points. This part is all zero due to the nature of the equation. This is the biggest reason why block incomplete triangular decomposition is difficult.

第4図は連立離散化されたブロック行列Aの不完全三角
分解を行うPAD図である。406は対角ブロックの数
nまでiが1から1ずつ増加して401から405の処
理を繰り返すことを示す。401はi番目の対角ブロッ
クのj行目の行ノルムがゼロとなるかどうかの判定をす
る。この行ノルムがゼロでないときはσLJはi番目の
対角ブロックのj行目の行ノルムをセットする。一方こ
の行ノルムがゼロとなるのは、連続の式を離散化した場
合なのでσ1Jはi番目の対角ブロックのj行目に対応
する全体行列Aの行ノルムをセットする。さらにパラメ
ータεとαを数値実験より求めており)でセットする。
FIG. 4 is a PAD diagram for performing incomplete triangular decomposition of the simultaneously discretized block matrix A. 406 indicates that i is increased by 1 from 1 until the number n of diagonal blocks is reached, and the processes 401 to 405 are repeated. Step 401 determines whether the row norm of the j-th row of the i-th diagonal block is zero. When this row norm is not zero, σLJ sets the row norm of the j-th row of the i-th diagonal block. On the other hand, this row norm becomes zero when the continuity equation is discretized, so σ1J sets the row norm of the entire matrix A corresponding to the j-th row of the i-th diagonal block. Furthermore, the parameters ε and α are obtained from numerical experiments and are set as follows.

多くの場合、εは0.1でα=1.0をセットすればよ
い。404はブロック不完全分解結果の対角ブロック行
列を計算する部分である。ここでは記憶容量節約のため
に、不完全分解した下三角行列と上三角行列は対角ブロ
ックを除き元の行列Aと同一のものを使用する。その結
果対角ブロックだけ計算すればよくなる。ここで示した
Wiの計算式は第2図の行列の形に連立離散化されたも
のを対象としている。405は、いま計算したWiの近
似逆行列Diを計算する。Wlは特異行列となっている
場合が多いため、軸交換によりピボット値PiJを求め
、Pij/σ1.<εとなる場合は、特異性を除くため
Pijをσ、xεX(Pijの符号)で置き換える。
In many cases, it is sufficient to set ε to 0.1 and α=1.0. 404 is a part that calculates a diagonal block matrix as a result of incomplete block decomposition. Here, in order to save storage capacity, the incompletely decomposed lower triangular matrix and upper triangular matrix are the same as the original matrix A except for the diagonal blocks. As a result, only the diagonal blocks need to be calculated. The calculation formula for Wi shown here is intended for simultaneous discretization in the form of a matrix shown in FIG. Step 405 calculates an approximate inverse matrix Di of the just calculated Wi. Since Wl is often a singular matrix, the pivot value PiJ is obtained by exchanging the axes, and Pij/σ1. If <ε, Pij is replaced by σ, xεX (sign of Pij) to eliminate singularity.

第5図は3次元の非圧縮粘性流体をブロック共役勾配法
の一つである連立I LUCGS法(I ncol]I
plete  L  U  decompot、1ti
on  Conjugat、eGradient 5q
uared Method)で解く手順を示す。
Figure 5 shows a three-dimensional incompressible viscous fluid using the simultaneous I LUCGS method (I ncol) I
plete L U decompot, 1ti
on Conjugat, eGradient 5q
The procedure for solving the problem using the UARED Method is shown below.

501は時間tmaxまて流れ解析をすることを示す。501 indicates that flow analysis is to be performed until time tmax.

502は(1)から(4)式に対応するナビエストーク
ス方程式と連続の式であるが、異なるのはvvの代りに
VVOと一つ前の値を使用してナビエストークス方程式
の非線形性を取り除いた点にある。
502 is the Navier-Stokes equation and continuity equation corresponding to equations (1) to (4), but the difference is that the nonlinearity of the Navier-Stokes equation is removed by using VVO and the previous value instead of vv. The point is that

503は502の式を連立離散化して、各節点で4×4
のブロック行列を作成する処理を示す。504では第4
図で示した不完全三角分解を使用して、503で作成し
た行列を係数とする連立一次方程式を連立I LUCG
S法で解き、U、V、W、P(7)値を同時に求める。
503 is a simultaneous discretization of the equation of 502, and 4×4 at each node.
The process of creating a block matrix of is shown below. In 504, the fourth
Using the incomplete triangular decomposition shown in the figure, create a system of simultaneous linear equations whose coefficients are the matrices created in step 503.
Solve using the S method to obtain U, V, W, and P(7) values simultaneously.

505では時間tを△tだけ進めること及びvv0に新
しく求めたvvの値を代入するここでvvは(U、V、
W)を、VVOは(UOVO,WO)なるベクトルであ
る。
In step 505, time t is advanced by △t and the newly obtained value of vv is assigned to vv0. Here, vv is (U, V,
W), and VVO is a vector (UOVO, WO).

第6図は連立ILUCGS法の計算手順を示したもので
ある。英大文字は行列を、英子文字はベクトルを、ギリ
シャ文字はスカラ値を示す。また(q、 s)はベクト
ルqとSの内積計算を示す。
FIG. 6 shows the calculation procedure of the simultaneous ILUCGS method. Uppercase letters indicate matrices, lowercase letters indicate vectors, and Greek letters indicate scalar values. Also, (q, s) indicates the calculation of the inner product of vectors q and S.

601は第4図で示したブロック不完全三角分解を示し
、その結果をLDUの形の行列積て示す。
601 shows the block incomplete triangular decomposition shown in FIG. 4, and shows the result as a matrix product in the form of LDU.

602は残差ベクトルb−Axに対し、LDUの前進・
後退代入を適用し、(LDU)  (b−Ax)の計算
をする。603は反復計算の準備である。604は反復
計算の計算手順である。ベクトルXが反復計算によりだ
んだん解ベクトルに近ずく。ベクトルrは残差を計算し
ているので反復計算の打ち切りはrのノルムを使用して
行なえる。
602 is the forward direction of the LDU for the residual vector b-Ax.
Apply backward substitution and calculate (LDU) (b-Ax). 603 is preparation for iterative calculation. 604 is a calculation procedure for iterative calculation. Vector X gradually approaches the solution vector through repeated calculations. Since the vector r is used to calculate the residual, iterative calculations can be aborted using the norm of r.

本計算例は直交座標系の差分法で離散化した行列に対し
て示したが、バウンダリーフィツト法(一般座標系の差
分法)や有限要素法にも適用できる。バウンダリーフィ
ツト法では非ゼロブロックの位置が異なるだけである。
Although this calculation example was shown for a matrix discretized by the finite difference method in an orthogonal coordinate system, it can also be applied to the boundary fit method (the finite difference method in a general coordinate system) and the finite element method. In the boundary fit method, only the positions of non-zero blocks are different.

有限要素法では非ゼログロックの位置が異なると共に速
度U、V。
In the finite element method, the positions of the non-zero glocks are different and the velocities U, V.

Wと圧力Pは次数の異なる要素(Pの方が一次低い)を
使用するのが一般的であるため、Pは不足している節点
に対してダミー要素を作成する。また本計算例はスタガ
ードメツシュにも適用できる。
Since W and pressure P generally use elements of different orders (P is one order lower), dummy elements are created for the missing nodes. This calculation example can also be applied to staggered meshes.

この場合不足した変数はダミー要素を使用して同し長さ
のブロック長にそろえたブロック行列を作成する。最も
問題となる不完全三角分解に対しては差分法で行なった
対策がそのまま使用できる。
In this case, for missing variables, dummy elements are used to create a block matrix with block lengths of the same length. For incomplete triangular decomposition, which is the most problematic problem, the measures taken using the finite difference method can be used as is.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

本発明によれば、偏微分方程式がほぼそのままの形で記
述できる超高級言語、例えば日立のDEQSOL (偏
微分方程式向きシミュレーション言語)では、ナビエス
トークス方程式と連続の式をそのまま記述すればよいた
め、従来のSMAC法等に比較して流体解析での使い勝
手が大幅に向上する。
According to the present invention, in ultra-high-level languages that can describe partial differential equations almost as they are, such as Hitachi's DEQSOL (simulation language for partial differential equations), the Navier-Stokes equations and continuity equations can be written as they are. The ease of use in fluid analysis is greatly improved compared to the conventional SMAC method.

さらに、本発明によれば連続の式を各時間ごとに成立さ
せながら計算しているために、時間きざみ幅をS M 
A C法に比較して10倍から100倍大きくとること
ができ、高速計算が可能になり、また時間きざみ幅の変
化は連立ILUCGS法内の反復回数の変化で吸収する
ことができ1時間きざみ幅に対して安定性が増す。
Furthermore, according to the present invention, since the calculation is performed while establishing the equation of continuity for each time, the time step width is S M
It can be 10 to 100 times larger than the AC method, enabling high-speed calculation, and changes in the time step width can be absorbed by changes in the number of iterations in the simultaneous ILUCGS method, making it possible to calculate in 1 hour steps. Increased stability relative to width.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明の処理手順の一実施例を示すPAD図、
第2図は3次元のナビエストークスと連続の式を連立離
散化したときの行列の全体的な形の例を示す図、第3図
は2次元での具体的な行列の部分的な形の例を示す図、
第4図は本発明のキーポイントとなるブロック不完全三
角分解の方法の例を示す図、第5図は共役勾配性基の一
つであるCO5法(Conjugate G radi
ent S quaredMethod)を使用して連
立ILUCGS法を本発明に適用した例を示す図、第6
図は連立I LUCGS法の計算手順例を示す図である
。 101・・・連立離散化によるブロック行列の作成、1
02  ブロック不完全三角分解、103  ブロック
行列Aを係数とする連立一次方程式の反復解法、+04
・時間りを時間きざみ幅△tたけ進める、105t m
axまての非定常計算、201・・対角ブロック行列、
203から207・・非対角ブロック行列、208・・
・ブロック行列を構成する1ブロツクの形、301・解
析対象領域、302・値が決まっている節点、303・
・内部節点、304  節点番号、305・値が決まっ
ている節点の対角要素、306・305の節点に対する
非対角要素、307・内部節点の連続の式を離散化して
発生する対角ブロックの値、401・・1対角ブロツク
の行ノルムのゼロ判定、402・・対角ブロックの行ノ
ルムの設定、403・・・対角ブロックの行ノルムがゼ
ロの場合の処理、404・・・不完全三角分解による対
角ブロックの計算方式、405・・404で計算した対
角ブロックの近似逆行列の計算、406・全ブロックの
計算のための反復、501・・j 1QaXまでの非定
常計算、502・・Re数で標準化したナビエストーク
スの方程式と連続の式、503・・連立離散化とそのと
きの1ブロツクの形、504・・連立一次方程式Ax=
bの反復解法、505・・時間tの更新と流速ベクトル
の更新、60ドブロック行列Aのブロック不完全分解、
602  残差ベクトルの計算、603・・反復計算の
ための準備、604・ILUCGS法(不完全三角分解
付きConjugate GradientS qua
red Method)反復計算の内部計算方式。 第 口 第 虐 第 す 凶 第 凶 第 呂 Il / 第 喝
FIG. 1 is a PAD diagram showing an example of the processing procedure of the present invention;
Figure 2 shows an example of the overall form of a matrix when the three-dimensional Navier-Stokes and continuity equations are simultaneously discretized, and Figure 3 shows the partial form of a two-dimensional matrix. A diagram showing an example,
FIG. 4 is a diagram showing an example of a block incomplete triangular decomposition method, which is a key point of the present invention. FIG.
Figure 6 shows an example of applying the simultaneous ILUCGS method to the present invention using
The figure shows an example of the calculation procedure of the simultaneous I LUCGS method. 101... Creation of block matrix by simultaneous discretization, 1
02 Block incomplete triangular decomposition, 103 Iterative solution of simultaneous linear equations with block matrix A as a coefficient, +04
・Advance the time by the time step width △t, 105t m
Unsteady calculation for ax, 201...diagonal block matrix,
203 to 207...off-diagonal block matrix, 208...
- Shape of one block constituting the block matrix, 301 - Area to be analyzed, 302 - Nodes with fixed values, 303 -
・Internal nodes, 304 Node number, 305・Diagonal elements of nodes whose values are fixed, 306・Off-diagonal elements for nodes in 305, 307・Diagonal blocks generated by discretizing the continuity equation of internal nodes Value, 401... Zero determination of row norm of 1 diagonal block, 402... Setting of row norm of diagonal block, 403... Processing when the row norm of diagonal block is zero, 404... Invalid Diagonal block calculation method using complete triangular decomposition, 405...Calculation of approximate inverse matrix of the diagonal block calculated in 404, 406.Repetition for calculation of all blocks, 501...j Unsteady calculation up to 1QaX, 502...Navier-Stokes equation and continuity equation standardized by Re number, 503...Simultaneous discretization and the form of one block at that time, 504...Simultaneous linear equation Ax=
Iterative solution of b, 505... Update of time t and update of flow velocity vector, incomplete block decomposition of 60 block matrix A,
602 Calculation of residual vector, 603... Preparation for iterative calculation, 604, ILUCGS method (Conjugate GradientSqua with incomplete triangular decomposition)
red Method) An internal calculation method for iterative calculations. The first episode of the first episode of the first episode / The first episode of the first episode

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1、流体現象の数値シミュレーション方式において、そ
の支配方程式であるナビエストークス方程式と連続の式
をそのまま記述し、直交座標及び曲線座標系の差分法と
有限要素法で離散化し、三方向の流速及び圧力を一組の
ブロックとして固定点も含め同じ長さのブロック長に保
って連立離散化した連立一次方程式を作成するステップ
、及び前記連立一次方程式を前処理付き共役勾配法系の
計算手法を使用して数値的に解くため、対角ブロックに
オールゼロの行が存在しても不完全三角分解時に発生す
る対角ブロックの逆行列をその近似逆行列に置き換える
ステップを有することを特徴とするナビエストークス方
程式の一括シミュレーション方式。
1. In the numerical simulation method of fluid phenomena, the Navier-Stokes equations and continuity equations, which are the governing equations, are written as they are, and the flow velocity and pressure in three directions are discretized using the finite element method and the finite element method in Cartesian and curved coordinate systems. A step of creating simultaneous linear equations that are discretized as a set of blocks by keeping the block length of the same length including fixed points, and using a calculation method of a conjugate gradient method system with preprocessing for the simultaneous linear equations. The Navier-Stokes equation is characterized by a step of replacing the inverse matrix of the diagonal block that occurs during incomplete triangular decomposition with its approximate inverse matrix even if there is an all-zero row in the diagonal block in order to solve it numerically. Batch simulation method.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014506327A (en) * 2011-01-05 2014-03-13 レオスフェール Method and apparatus for determining fluid movement from telemetry of radial velocity of fluid movement

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JP2014506327A (en) * 2011-01-05 2014-03-13 レオスフェール Method and apparatus for determining fluid movement from telemetry of radial velocity of fluid movement

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