KR101355997B1 - Sub-particle scale turbulence simulation method and system for SPH fluid, recording medium for the same - Google Patents

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KR101355997B1 KR1020110056908A KR20110056908A KR101355997B1 KR 101355997 B1 KR101355997 B1 KR 101355997B1 KR 1020110056908 A KR1020110056908 A KR 1020110056908A KR 20110056908 A KR20110056908 A KR 20110056908A KR 101355997 B1 KR101355997 B1 KR 101355997B1
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Abstract

SPH 유체를 위한 서브 입자 스케일 난류 시뮬레이션 방법, 시스템 및 이를 위한 기록 매체를 공개한다. 본 발명은 SPH 시스템을 위한 새로운 SPS 난류 시뮬레이션 방법으로서, 본 발명에서는 LES 기법을 기반으로, 스케일 구분을 적용하여 난류 모델을 도출한다. 대규모로 이동하는 에너지를 획득하기 위해, 분석된 속도에 로우 패스 필터를 적용한다. SPS 역학의 효과를 시뮬레이션하기 위해, SPH 포뮬레이션에서 접근되는 변형 속도 텐서를 푼다. 이후 SPS 노이즈가 분석된 SPS 역학에 따른 표면 변형을 위해 생성되어 병합된다. GPU를 사용하여 구현함으로써, 효과적으로 3차원에서 SPH 유체에 대한 세부적인 SPS에서의 난류 시뮬레이션을 시뮬레이션 할 수 있다.Disclosed are a sub-particle scale turbulent flow simulation method, system, and recording medium for the SPH fluid. The present invention is a novel SPS turbulence simulation method for an SPH system. In the present invention, a turbulence model is derived by applying scale classification based on the LES technique. In order to obtain a large amount of moving energy, a low pass filter is applied to the analyzed speed. To simulate the effects of SPS dynamics, we solve the strain rate tensor approached in SPH formulations. The SPS noise is then generated and merged for surface deformation according to the analyzed SPS dynamics. By implementing using a GPU, we can effectively simulate detailed SPS turbulence simulations of SPH fluids in three dimensions.

Description

SPH 유체를 위한 서브 입자 스케일 난류 시뮬레이션 방법, 시스템 및 이를 위한 기록 매체{Sub-particle scale turbulence simulation method and system for SPH fluid, recording medium for the same}Sub-particle scale turbulence simulation method and system for SPH fluid, recording medium for the same

본 발명은 난류 시뮬레이션 방법, 시스템 및 이를 위한 기록 매체에 관한 것으로 특히 SPH 유체를 위한 서브 입자 스케일 난류 시뮬레이션 방법, 시스템 및 이를 위한 기록 매체에 관한 것이다.
The present invention relates to a turbulent flow simulation method, a system and a recording medium therefor, and more particularly to a sub-particle scale turbulent flow simulation method, a system for a SPH fluid and a recording medium therefor.

수도꼭지에서 나오는 물의 흐름이나 강물이나 폭포의 흐름과 같은, 유체의 난류(亂流, turbulence)는 일상에서 자주 관찰된다. 유체의 난류는 보통 불안정하고, 불규칙적이며, 랜덤하고, 다양한 스케일의 움직임으로 나타난다. Turbulence of fluids, such as the flow of water from taps and the flow of rivers and waterfalls, is frequently observed in everyday life. Turbulent flows of fluid are usually unstable, irregular, random, and appear on various scales of motion.

이러한 유체의 난류를 시뮬레이션하기 위해 다양한 기법이 제안되었다. 특히, 난류 유동의 해석을 위해 도입한 오일러리안 그리드(Eulerian-grid)나 라그랑지안 파티클(Lagrangian-particle)이 공간적으로 해석이 가능한 속도장의 최대 주파수를 보다 낮은 주파수의 속도들을 대규모 속도(large scale)로, 속도장의 최대 주파수보다 높은 주파수를 가진 속도들을 (small-scale)로 구분하여, 이에 대한 개별적인 모델링 기법이 제안되어 왔다. 그러나 물의 난류를 시뮬레이션하는 것은 소규모 속도(small scale velocities) 해석에서 높은 전산 비용이 요구되는 문제가 여전히 남아있다. 수치 확산(Numerical diffusion)은 시뮬레이션 시에 소규모 컴포넌트(components)를 사라지게 하는 주요 원인이다. 소규모의 일반적인 장면(scene)을 위한 시뮬레이션 해상도(simulation resolution)의 조절은 시뮬레이션을 위한 소요 시간과 시각적 품질 사이의 균형을 유지하면서, 부자연스러운 확산을 방지할 수 있다. 반면에, 복잡하거나 대규모(large scale) 장면에 대한 직접 수치 시뮬레이션(Direct Numerical Simulation, 이하 : DNS) 기법은 고해상도의 그리드나 매우 많ㅇ느 수의 파티클이 수치해석에 사용되므로 과도한 계산 비용(computational cost)을 요구하므로, 실시간 처리가 불가능 했다.
Various techniques have been proposed to simulate turbulent flow of such fluids. In particular, the maximum frequency of the velocity field that can be interpreted spatially by the Eurrian-grid or Lagrangian particle introduced for the analysis of turbulent flows is reduced to the large scale at the lower frequencies. In addition, separate modeling techniques have been proposed, which classify velocities with frequencies higher than the maximum frequency of the velocity field (small-scale). However, simulating water turbulence remains a problem that requires high computational costs in small scale velocities analysis. Numerical diffusion is a major cause of the loss of small components during simulation. Adjustment of simulation resolution for small general scenes can prevent unnatural spreading while maintaining a balance between the time required for simulation and visual quality. On the other hand, the Direct Numerical Simulation (DNS) technique for complex or large scale scenes is a computational cost because high resolution grids or very large numbers of particles are used for numerical analysis. , Real-time processing was not possible.

본 발명의 목적은 SPH 유체를 위한 서브 입자 스케일 난류 시뮬레이션 방법을 제공하는데 있다.It is an object of the present invention to provide a sub particle scale turbulence simulation method for an SPH fluid.

본 발명의 다른 목적은 SPH 유체를 위한 서브 입자 스케일 난류 시뮬레이션 시스템을 제공하는데 있다.It is another object of the present invention to provide a sub particle scale turbulent flow simulation system for SPH fluids.

상기 목적을 달성하기 위한 완화 유체 역학(SPH) 유체를 위한 서브 입자 스케일(SPS) 난류 시뮬레이션 방법에 있어서, 상기 SPH 유체의 난류에 대해 대규모 소용돌이 시뮬레이션(LES) 기법이 적용되어 상기 SPH 유체의 대규모 속도를 분석하기 위한 SPH 유체의 운동량 방정식이 획득되는 단계, 상기 SPH 유체의 운동량 방정식이 로우 패스 필터링되어 고주파 성분이 제거되어 변환 운동량 방정식이 생성되는 단계, 상기 변환 운동량 방정식이 생성되는 과정에서 발생된 압력 텐서를 계산하기 위한 변형 속도 텐서가 근사되어 상기 변환 운동량 방정식이 계산되는 단계, 상기 노이즈 함수를 이용하여 상기 SPH 유체의 소규모 속도가 생성되는 단계, 및 상기 생성된 소규모 속도가 상기 분석된 대규모 속도와 결합되어 SPS 난류가 시뮬레이션되는 단계를 구비한다.In the sub-particle scale (SPS) turbulence simulation method for mitigating fluid dynamics (SPH) fluid to achieve the above object, a large-scale vortex simulation (LES) technique is applied to the turbulent flow of the SPH fluid so that the large velocity of the SPH fluid Obtaining a momentum equation of the SPH fluid for analyzing the equation, low-pass filtering the momentum equation of the SPH fluid to remove a high frequency component to generate a conversion momentum equation, and the pressure generated in the process of generating the conversion momentum equation A strain rate tensor for calculating a tensor is approximated to calculate the transformed momentum equation, a small velocity of the SPH fluid is generated using the noise function, and the generated small velocity is equal to the analyzed large velocity. Combined to simulate the SPS turbulence.

상기 목적을 달성하기 위한 SPH 유체의 운동량 방정식은 상기 SPH 유체의 난류에서 복수개의 입자들 각각이 질량, 밀도 및 압력을 포함하는 물리적인 양을 개별적으로 운반하는 것으로 가정하여 수학식 The momentum equation of the SPH fluid to achieve the above object is based on the assumption that each of the plurality of particles in the turbulent flow of the SPH fluid individually carries a physical quantity including mass, density and pressure.

Figure 112011044307644-pat00001
Figure 112011044307644-pat00001

(여기서, i(i는 자연수)는 입자, vi 는 속도, p 는 압력, μ는 점성 계수이고, fi ext 는 인력(gravity), 사용자 정의에 따른 힘, 또는 와류 제한력(vortices confinement forces)과 같은 외력을 나타낸다. 그리고 <ρi>, < ∇ p> 및 <Δv>는 각각 위치(xi)에서 밀도 필드(density field), 압력 필드(pressure force field), 및 점성력 필드(viscous force field)의 근사에 기반한 보간 커널(interpolation kernel)을 상징한다.)로 근사되는 것을 특징으로 한다.Where i (i is a natural number) is the particle, v i is the velocity, p is the pressure, μ is the viscosity coefficient, f i ext is the gravity, user-defined force, or vortices confinement forces And <ρ i >, <∇ p> and <Δv> are the density field, the pressure field and the viscous force field at position xi, respectively. Symbolizes an interpolation kernel based on an approximation).

상기 목적을 달성하기 위한 압력 필드는 예측 - 보정 비압축 SPH (predictive-corrective incompressible SPH : PCISPH) 기법을 적용함에 의해 수학식The pressure field to achieve the above object is calculated by applying a predictive-corrective incompressible SPH (PCISPH) technique.

Figure 112011044307644-pat00002
Figure 112011044307644-pat00002

(여기서, Wij = W(xi(t) - xj(t))이고, pi는 입자의 압력) 로 근사되는 것을 특징으로 한다.Where W ij = W (x i (t)-x j (t)) and pi is the pressure of the particle.

상기 목적을 달성하기 위한 입자의 압력은 수학식The pressure of the particles to achieve the above object is

Figure 112011044307644-pat00003
Figure 112011044307644-pat00003

(여기서 ρ* i 는 예측된 밀도이며, σ는 스케일링 변수이며, ρ0 는 잔류 밀도(rest density)) 에 따른 예측 보정 기법을 반복적으로 해결함에 의해 업데이트되는 것을 특징으로 한다.(Where ρ * i is the predicted density, σ is the scaling variable, and ρ 0 is updated by repeatedly solving the prediction correction technique according to the rest density).

상기 목적을 달성하기 위한 변환 운동량 방정식이 생성되는 단계는 수학식The step of generating a conversion momentum equation for achieving the above object is the equation

Figure 112011044307644-pat00004
Figure 112011044307644-pat00004

(여기서, k(d) = (1 - d2)3 이고, α는 완화를 위한 가중치이며, re 는 통상적으로 완화 반경의 2배인 효과적인 반경) 에 따른 로우 패스 필터를 이용하여 로우 패스 필터링이 수행되고, 상기 변환 운동량 방정식은 수학식Low pass filtering is performed using a low pass filter according to k (d) = (1-d 2 ) 3 , α is a weight for relaxation and re is an effective radius, typically twice the relaxation radius. The conversion momentum equation is

Figure 112011044307644-pat00005
Figure 112011044307644-pat00005

(여기서, τs i는 서브- 격자 규모(sub-grid scale)의 상기 압력 텐서) 로 계산되는 것을 특징으로 한다.(Where τ s i is the pressure tensor of the sub-grid scale).

상기 목적을 달성하기 위한 변형 속도 텐서가 근사되는 단계는 상기 압력 텐서(τs i)가 수학식The step of approximating the strain rate tensor to achieve the above object is the pressure tensor (τ s i )

Figure 112011044307644-pat00006
Figure 112011044307644-pat00006

으로 획득되는 단계, 상기 SPS 난류 시뮬레이션이 폐쇄 공간에서 수행되는 것으로 가정하여 서브- 격자 규모의 압력과 대규모 변형 속도 사이의 선형 관계를 수학식,Assuming that the SPS turbulence simulation is performed in a closed space, the linear relationship between the sub-grid scale pressure and the large strain rate is

Figure 112011044307644-pat00007
Figure 112011044307644-pat00007

(여기서, μT 는 맴돌이 점성이고,

Figure 112011044307644-pat00008
는 변형 속도 텐서, δij 는 Kronecker 델타) 로 표현되는 맴돌이 점성 가정이 적용되는 단계, 상기 Kronecker 델타가 수학식Where μT is the eddy viscosity,
Figure 112011044307644-pat00008
Is the strain rate tensor, and δ ij is the eddy viscosity assumption expressed by Kronecker delta), where the Kronecker delta is

Figure 112011044307644-pat00009
Figure 112011044307644-pat00009

로 계산되고, 상기 맴돌이 점성(μT)이 동적 서브- 입자 스케일 운동 에너지 기반의 모델(dynamic sub-particle scale kinetic energy based model)을 적용하여 수학식The eddy viscosity (μT) is calculated by applying a dynamic sub-particle scale kinetic energy based model

Figure 112011044307644-pat00010
Figure 112011044307644-pat00010

로 계산되는 단계, 변형 속도 텐서(

Figure 112011044307644-pat00011
)가 수학식Calculated by the strain rate tensor (
Figure 112011044307644-pat00011
)

Figure 112011044307644-pat00012
Figure 112011044307644-pat00012

로 획득되는 단계, 및 변형 속도 텐서(

Figure 112011044307644-pat00013
)의 계산 비용을 줄이기 위해, 상기 변형 속도 텐서(
Figure 112011044307644-pat00014
)가 수학식And the strain rate tensor (
Figure 112011044307644-pat00013
In order to reduce the computational cost of
Figure 112011044307644-pat00014
)

Figure 112011044307644-pat00015
Figure 112011044307644-pat00015

(여기서

Figure 112011044307644-pat00016
는 와류 텐서) 로 근사되는 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다.(here
Figure 112011044307644-pat00016
Is characterized by having a step approximated by a vortex tensor).

상기 목적을 달성하기 위한 변형 속도 텐서가 근사되는 단계는 상기 와류 텐서(

Figure 112011044307644-pat00017
)가 수학식Approximating the strain rate tensor to achieve the above object is the vortex tensor (
Figure 112011044307644-pat00017
)

Figure 112011044307644-pat00018
Figure 112011044307644-pat00018

에 의해 표현되고, 와류 텐서(

Figure 112011044307644-pat00019
)에서 ωi 가 수학식Represented by the vortex tensor (
Figure 112011044307644-pat00019
Ω i in

Figure 112011044307644-pat00020
Figure 112011044307644-pat00020

으로 계산됨에 의해 상기 변형 속도 텐서(

Figure 112011044307644-pat00021
)가By the strain rate tensor (
Figure 112011044307644-pat00021
)end

Figure 112011044307644-pat00022
Figure 112011044307644-pat00022

(여기서,

Figure 112011044307644-pat00023
) 로 계산되는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.(here,
Figure 112011044307644-pat00023
It is characterized in that it further comprises a step that is calculated by).

상기 목적을 달성하기 위한 소규모 속도가 생성되는 단계는 3 차원 Perlin 노이즈에 미세 변동을 추가하여 수학식The step of generating a small speed to achieve the above object is to add a small variation to the three-dimensional Perlin noise equation

Figure 112011044307644-pat00024
Figure 112011044307644-pat00024

(여기서, ni 는 3 차원 perlin 노이즈 벡터이고, k는 규모 변수(scaling parameter)) 에 의해 상기 소규모 속도가 생성되는 것을 특징으로 한다.Where n i is a three-dimensional perlin noise vector and k is a scaling parameter.

상기 목적을 달성하기 위한 SPS 난류가 시뮬레이션되는 단계는 SPH 입자로부터 부드럽고 얇은 표면을 구성하기 위해, 이동 평균을 기준 위치로서 사용하는 수학식The step of simulating SPS turbulence to achieve the above object is to use a moving average as a reference position to construct a smooth and thin surface from the SPH particles.

Figure 112011044307644-pat00025
Figure 112011044307644-pat00025

(여기서 λ는 평균에 대한 가중치) 로 계산되는 표면 재구성 방법이 적용되고,The surface reconstruction method is calculated, where λ is the weight for the mean,

상기 가중치(λ)는 수학식The weight λ is

Figure 112011044307644-pat00026
Figure 112011044307644-pat00026

로서 정의 되는 것을 특징으로 한다.
It is characterized by.

따라서, 본 발명의 SPH 유체를 위한 서브 입자 스케일 난류 시뮬레이션 방법, 시스템 및 이를 위한 기록 매체는 LES 기법을 기반으로, 스케일 구분을 적용하여 난류 모델을 도출하고, 대규모로 이동하는 에너지를 획득하기 위해, 분석된 속도에 로우 패스 필터를 적용한다. SPS 역학의 효과를 시뮬레이션하기 위해, SPH 포뮬레이션에서 접근되는 변형 속도 텐서를 해석. 이후 SPS 노이즈가 분석된 SPS 역학에 따른 표면 변형을 위해 생성되어 병합된다. GPU를 사용하여 구현함으로써, 효과적으로 3차원에서 SPH 유체에 대한 세부적인 SPS에서의 난류 시뮬레이션을 시뮬레이션 할 수 있다.
Therefore, the sub-particle scale turbulence simulation method, system and recording medium therefor for the SPH fluid of the present invention are based on the LES technique, in order to derive the turbulence model by applying the scale division, and to obtain a large-scale moving energy, Apply a low pass filter to the analyzed speed. To simulate the effects of SPS mechanics, the strain rate tensor approached in SPH formulations is analyzed. The SPS noise is then generated and merged for surface deformation according to the analyzed SPS dynamics. By implementing using a GPU, we can effectively simulate detailed SPS turbulence simulations of SPH fluids in three dimensions.

도1 은 본 발명의 일예에 따른 SPH 유체를 위한 서브 입자 스케일 난류 시뮬레이션 방법을 나타낸다.
도2 는 도1 에 따른 SPH 유체를 위한 서브 입자 스케일 난류 시뮬레이션 알고리즘을 나타낸다.
도3 은 본 발명에 따른 SPH 난류 시뮬레이션 방법에 따른 시뮬레이션을 캡쳐한 이미지의 일예를 나타낸다.
도4 는 본 발명에 따른 SPH 난류 시뮬레이션 방법에 따른 시뮬레이션 결과의 예를 나타낸다.
도5 는 본 발명에 따른 SPH 난류 시뮬레이션 방법에 따른 시뮬레이션 결과의 다른 예를 나타낸다.
1 illustrates a sub particle scale turbulence simulation method for an SPH fluid in accordance with an embodiment of the present invention.
FIG. 2 shows a sub particle scale turbulent flow simulation algorithm for the SPH fluid according to FIG. 1.
3 shows an example of an image captured by the simulation according to the SPH turbulence simulation method according to the present invention.
4 shows an example of simulation results according to the SPH turbulence simulation method according to the present invention.
5 shows another example of simulation results according to the SPH turbulence simulation method according to the present invention.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다. In order to fully understand the present invention, operational advantages of the present invention, and objects achieved by the practice of the present invention, reference should be made to the accompanying drawings and the accompanying drawings which illustrate preferred embodiments of the present invention.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로서, 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 설명하는 실시예에 한정되는 것이 아니다. 그리고, 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략되며, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the preferred embodiments of the present invention with reference to the accompanying drawings. However, the present invention can be implemented in various different forms, and is not limited to the embodiments described. In order to clearly describe the present invention, parts that are not related to the description are omitted, and the same reference numerals in the drawings denote the same members.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 “...부”, “...기”, “모듈”, “블록” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
Throughout the specification, when an element is referred to as &quot; including &quot; an element, it does not exclude other elements unless specifically stated to the contrary. The terms "part", "unit", "module", "block", and the like described in the specification mean units for processing at least one function or operation, And a combination of software.

최근에 난류를 시뮬레이션 하기 위한 계산 비용을 줄일 수 있는 다양한 방법들이 제안되었다. 이러한 방법들 중 일부는 미리 해석된 대규모의 흐름(large scale flow)에 모델링된 소규모의 디테일을 결합하는 방법을 이용한다. 예를 들어, 순차적 합성 방법(procedural synthesis methods)은 전체적인 흐름을 분석하기 위해 저해상도 그리드(low-resolution grid)를 이용한다. 그리고 전체적인 큰 흐름이 분석되면, 누락된 소규모 디테일들이 노이즈 함수(noise function)에 의해 생성되어 분석된 전체적인 흐름에 결합된다.Recently, various methods have been proposed to reduce the computational cost for simulating turbulence. Some of these methods use a method that combines the modeled small details into a large scale flow that has been pre-interpreted. For example, procedural synthesis methods use a low-resolution grid to analyze the overall flow. And when the overall large flow is analyzed, the missing small details are created by the noise function and combined into the analyzed overall flow.

유사하게, 난류 에너지 기반 모델들(turbulence energy based models)은 저해상도 그리드에서 에너지 전달 과정을 시뮬레이션하고, 분석된 운동 에너지 분포에 따라 서로 다른 스케일의 노이즈를 생성한다. 소용돌이 입자 방법은 수치 확산으로부터 물리적인 양을 보존하는데 장점을 가지며, 물과 연기에 대한 난류 양쪽 모두를 시뮬레이션 함에 있어서 오일러 그리드(Eulerian grid) 기법을 보완하기 위해 널리 사용되었다. 상기한 방법들은 시각적으로 설득력 있는 결과를 보여주지만, 오일러 그리드 시스템을 기반으로 하므로 완화 입자 유체 역학(Smoothed Particle Hydrodynamics, 이하 : SPH)과 같은 입자 기반 시뮬레이션 시스템에 적용하기 위해서는 알고리즘 수정이 요구되는 경우가 잦다.Similarly, turbulence energy based models simulate the energy transfer process in a low resolution grid and produce different scales of noise depending on the analyzed kinetic energy distribution. The vortex particle method has the advantage of preserving physical quantities from numerical diffusion and has been widely used to complement the Eulerian grid technique in simulating both turbulence for water and smoke. Although these methods show visually compelling results, they are based on Euler grid systems, so algorithmic modifications are often required to be applied to particle-based simulation systems such as Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). often.

그리고 전산 유체 역학 (computational fluid dynamics : CFD) 분야에서는 SPH 시스템에 그리드 기반 방식용으로 개발된 기존의 난류 모델을 적용하여 난류를 시뮬레이션하기 위한 여러 시도가 있었다. 예를 들어, 3 차원 대규모 소용돌이 시뮬레이션 (large eddy simulation, 이하 : LES) 모델은 물 기둥이 무너지는 것을 시뮬레이션하기 위해 적용되었다(Issa, R., Violeau, D., Laurence, D.: A rst attempt to adapt 3d large eddy simulation to the smoothed particle hydrodynamics gridless method. In: Proceedings of the International Conference on Computational and Experimental Engineering and Sciences, pp. 87{94 (2005)). 그리고 SPH - LES 모델은 해안 근처 파도의 전파를 시뮬레이트하기 위해 제안되었다(Shao, S., Gotoh, H.: Simulating coupled motion of progressive wave and oating curtain wall by sph-les model. Coastal Engineering Journal 46, 172{202 (2004)). 또한 잘 알려진 k-ε 모델이 난류 채널 흐름을 시뮬레이션하기 위해 적용 되었다(Violeau, D.: One and two-equations turbulent closures for smoothed particle hydrodynamics. In: Proceedings of the VIth Int. Conf. Hydroinformatics, pp. 87{94 (2004)).In the field of computational fluid dynamics (CFD), several attempts have been made to simulate turbulence by applying existing turbulence models developed for grid-based approaches to SPH systems. For example, a three-dimensional large eddy simulation (LES) model was applied to simulate the collapse of a column of water (Issa, R., Violeau, D., Laurence, D .: A rst attempt). to adapt 3d large eddy simulation to the smoothed particle hydrodynamics gridless method.In: Proceedings of the International Conference on Computational and Experimental Engineering and Sciences, pp. 87 {94 (2005)). And the SPH-LES model has been proposed to simulate wave propagation near the coast (Shao, S., Gotoh, H .: Simulating coupled motion of progressive wave and oating curtain wall by sph-les model.Coastal Engineering Journal 46, 172 (202 (2004)). A well-known k-ε model has also been applied to simulate turbulent channel flow (Violeau, D .: One and two-equations turbulent closures for smoothed particle hydrodynamics.In: Proceedings of the VIth Int. Conf. Hydroinformatics, pp. 87 (94 (2004)).

그러나 상기한 방법들은 종종 3차원에서 복잡한 모델 시뮬레이션 시에 요구되는 높은 전산 비용으로 인하여, 단순 난류 폐쇄 모델에 대한 2차원 테스트 경우로 제한된다.
However, these methods are often limited to two-dimensional test cases for simple turbulent closed models due to the high computational costs required for complex model simulations in three dimensions.

도1 은 본 발명의 일예에 따른 SPH 유체를 위한 서브 입자 스케일 난류 시뮬레이션 방법을 나타낸다.1 illustrates a sub particle scale turbulence simulation method for an SPH fluid in accordance with an embodiment of the present invention.

본 발명에서는 SPH 유체를 위한 서브 입자 스케일 난류 시뮬레이션 방법은 3차원에서 SPH 난류에 대한 SPS를 시뮬레이트하기 위해 LES 모델을 기반으로 하는 새로운 기술을 제안한다. LES 모델의 기본 개념은 운동량 전파(momentum transfer)에서 대규모의 흐름(large scale flow)의 기여도를 계산하는 것과 분석되지 않은 소규모 구조(small scale structures)의 효과를 모델링하는 것이다. 이에 본 발명에서는 완화된 대규모 속도(smoothed large scale velocities)를 획득하기 위해 로우 패스 필터를 이용하고, 분석되지 않은 소규모 모델은 SPS 모델을 활용하여 시뮬레이션 한다.In the present invention, the sub-particle scale turbulence simulation method for SPH fluid proposes a new technique based on the LES model to simulate SPS for SPH turbulence in three dimensions. The basic concept of the LES model is to calculate the contribution of large scale flow in momentum transfer and to model the effects of unscaled small scale structures. In the present invention, a low pass filter is used to obtain smooth large scale velocities, and a small model that is not analyzed is simulated using an SPS model.

도1 을 참조하면, 본 발명은 먼저 LES 모델을 기반으로 SPH 난류의 대규모 속도를 분석하여 SPH 유체의 운동량 방정식을 획득한다(S10). 이후 분석된 SPH 유체의 운동량 방정식에 로우 패스 필터를 적용하여 SPH 유체의 운동량 방정식에서 고주파 성분을 제거한다(S20). SPH 유체의 운동량 방정식에서 고주파 성분을 제거하는 과정에서 생성되는 압력 텐서(stress tensor)를 계산하기 위해 변형 속도 텐서(strain-rate tensor)를 근사한다(S30). 변형 속도 텐서가 근사되면, 대규모 속도가 분석되었으므로, 이후 노이즈 함수를 이용하여 소규모 속도를 생성한다(S40). 그리고 생성된 소규모 속도를 미리 분석된 대규모 속도에 결합하여 서브- 입자 규모(sub-particle scale : 이하 SPS) 난류를 시뮬레이션 한다(S50).
Referring to Figure 1, the present invention first obtains the momentum equation of the SPH fluid by analyzing the large velocity of the SPH turbulence based on the LES model (S10). Thereafter, a high pass component is removed from the momentum equation of the SPH fluid by applying a low pass filter to the analyzed momentum equation of the SPH fluid (S20). In order to calculate the stress tensor generated in the process of removing the high frequency components from the momentum equation of the SPH fluid, a strain-rate tensor is approximated (S30). When the strain rate tensor is approximated, a large velocity is analyzed, and then a small velocity is generated using a noise function (S40). In addition, the generated small velocity is combined with a pre-analyzed large velocity to simulate a sub-particle scale (SPS) turbulence (S50).

도1 에서 LES 모델을 기반으로 SPH 난류의 대규모 속도를 분석하는 단계(S10)를 설명하면, SPH 난류에서 유체는 움직이는 입자들을 집합체(set of moving particles)로서 고려하지 않는다. 즉 SPH 난류는 각각의 입자가 질량, 밀도 및 압력과 같은 물리적인 양을 운반하는 것으로 고려한다. 따라서 SPH 유체의 상태는 수학식 1과 같이 운동량 방정식으로 근사(approximation)하여 획득된다.Referring to the step S10 of analyzing the large velocity of the SPH turbulence based on the LES model in FIG. 1, the fluid does not consider the moving particles as a set of moving particles in the SPH turbulence. SPH turbulence is thus considered that each particle carries a physical quantity such as mass, density and pressure. Therefore, the state of the SPH fluid is obtained by approximating the momentum equation as shown in Equation (1).

Figure 112011044307644-pat00027
Figure 112011044307644-pat00027

여기서 i(i는 자연수)는 입자를 나타내며, vi 는 속도, p 는 압력, μ는 점성 계수이고, fi ext 는 인력(gravity), 사용자 정의에 따른 힘, 또는 와류 제한력(vortices confinement forces)과 같은 외력을 나타낸다. 그리고 <ρi>, < ∇ p> 및 <Δv>는 각각 위치 xi 에서 밀도 필드(density field), 압력 필드(pressure force field), 및 점성력 필드(viscous force field)의 근사에 기반한 보간 커널(interpolation kernel)을 상징한다. 본 발명에서는 필드 보간을 위한 폴리 커널(poly kernel), 물리량의 구배를 근사하기 위한 스파이키 커널(spiky kernel) 및 라플라시안 계산을 위한 점성 커널(viscosity kernel)을 포함하는 Muller의 SPH 기법(Muller, M., Charypar, D., Gross, M.: Particle-based fluid simulation for interactive applications. In: Proceedings of the 2003 ACM SIGGRAPH/Eurographics symposium on Computer animation, SCA '03, pp. 154{159. Eurographics Association, Aire-la-Ville, Switzerland, Switzerland (2003))에서 제안된 등방성 커널들(isotropic kernels)을 이용한다.Where i (i is a natural number) represents a particle, v i is velocity, p is pressure, μ is the viscosity coefficient, f i ext is gravity, user-defined force, or vortices confinement forces ) To external force. And <ρ i >, <∇ p> and <Δv> are interpolation kernels based on approximation of density field, pressure force field and viscous force field at position x i , respectively. interpolation kernel). In the present invention, Muller's SPH method (Muller, M) includes a poly kernel for field interpolation, a spikey kernel for approximating a gradient of physical quantities, and a viscosity kernel for laplacian calculation. ., Charypar, D., Gross, M .: Particle-based fluid simulation for interactive applications.In: Proceedings of the 2003 ACM SIGGRAPH / Eurographics symposium on computer animation, SCA '03, pp. 154 {159. Eurographics Association, Aire -isotropic kernels (la-Ville, Switzerland, Switzerland (2003)).

Muller의 SPH 기법은 Desbrun 과 Gascuel의 SPH를 확장한 기법으로 유체 해석에 기반하여 유체 - 유체 상호 작용, 거품 발생, 물보라와 공기의 혼합과 같은 확산 현상 및 다공성 물질(porous material)을 통한 유체의 흐름과 같은 다양한 입자를 적용하였다. 그러나 Muller의 SPH 기법은 과도한 평형 상태(equations of state : EOS) 방정식의 사용으로 인해 비압축성(incompressibility)을 강제하기 어렵다는 문제가 있다. 이에 약한 압축 가능한 SPH (weakly compressible SPH : WCSPH) 및 압력 보정 SPH(pressure corrected SPH)를 포함하는 여러 가지 방법이 제안되었다. 또한 최근 Solenthaler는 압력의 세기를 계산하기 위해 예측 - 보정 기법(prediction-correction scheme)이 적용된 예측 - 보정 비압축 SPH (predictive-corrective incompressible SPH : PCISPH) 방식을 제안하였다(Solenthaler, B., Pajarola, R.: Predictive-corrective incompressible sph. In: ACM SIGGRAPH 2009 papers, SIGGRAPH '09, pp. 40:1{40:6. ACM, New York, NY, USA (2009)). 시뮬레이션의 효율성을 위해 아담스는 변형의 기하학적 복잡도에 기반한 적응형 샘플링 방법을 제안했다(Adams, B., Pauly, M., Keiser, R., Guibas, L.J.: Adaptively sampled particle uids. In: ACM SIGGRAPH 2007 papers, SIGGRAPH '07. ACM, New York, NY, USA (2007)). 또한 GPU를 사용하는 병렬 및 실시간 시뮬레이션 방법 중에서 특히 SPH 커널이 주변의 SPH 파티클만 참조하여서 물리량을 보간하여 계산하는 특징이 GPU 상에서 구현되는데 용이한 특성에 해당되어 자주 이용되고 있다.Muller's SPH technique is an extension of Desbrun's and Gascuel's SPH, based on fluid analysis, diffusion phenomena such as fluid-fluid interaction, bubble generation, spray and air mixing, and flow of fluid through porous materials. Various particles such as were applied. Muller's SPH technique, however, has a problem that it is difficult to enforce incompressibility due to the use of excessive equations of state (EOS) equations. Several methods have been proposed, including weakly compressible SPH (WCSPH) and pressure corrected SPH. In addition, Solenthaler recently proposed a predictive-corrective incompressible SPH (PCISPH) method using a prediction-correction scheme to calculate the pressure intensity (Solenthaler, B., Pajarola, R .: Predictive-corrective incompressible sph.In: ACM SIGGRAPH 2009 papers, SIGGRAPH '09, pp. 40: 1 {40: 6. ACM, New York, NY, USA (2009)). For the efficiency of the simulation, Adams proposed an adaptive sampling method based on the geometrical complexity of the deformation (Adams, B., Pauly, M., Keiser, R., Guibas, LJ: Adaptively sampled particle uids.In: ACM SIGGRAPH 2007 papers, SIGGRAPH '07. ACM, New York, NY, USA (2007)). In addition, among the parallel and real-time simulation methods using the GPU, the SPH kernel is often used because it is easy to implement on the GPU because the SPH kernel interpolates and calculates the physical quantity by referring only to the surrounding SPH particles.

본 발명은 SPS 난류를 분석하는 것이며, SPS 난류를 시뮬레이션 하는 동안 가상의 바운싱 모션(spurious bouncing motion) 및 수치적 오류의 영향을 최소화하기 위해 PCISPH를 적용한다. 기존의 평형 상태(EOS) 기반 방식과는 대조적으로 PCISPH 방법은 압력 필드를 근사하기 위해 예측된 압력 값을 사용한다. 따라서 수학식 1의 압력 필드(< ∇ p>)는 수학식 2와 같이 근사된다.The present invention analyzes SPS turbulence and applies PCISPH to minimize the effects of virtual spurious bouncing motion and numerical error during simulation of SPS turbulence. In contrast to the existing equilibrium (EOS) based approach, the PCISPH method uses the predicted pressure values to approximate the pressure field. Therefore, the pressure field << p> of Equation 1 is approximated as Equation 2.

Figure 112011044307644-pat00028
Figure 112011044307644-pat00028

여기서 Wij = W(xi(t) - xj(t))이고, pi는 입자의 압력, m은 입자의 질량을 나타낸다. PCISPH에서 각 입자에 대한 압력 값은 수학식 3에 따른 예측 보정 기법을 예측 오류를 최소화하기 위해 기설정된 횟수(예를 들면 3회) 이상으로 반복적으로 계산하여 업데이트 된다.Where W ij = W (x i (t)-x j (t)), p i is the pressure of the particles and m is the mass of the particles. In PCISPH, the pressure value for each particle is updated by repeatedly calculating the prediction correction technique according to Equation 3 more than a predetermined number (for example, three times) in order to minimize the prediction error.

Figure 112011044307644-pat00029
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여기서 ρ* i 는 예측된 밀도이며, σ는 스케일링 변수이며, ρ0 는 잔류 밀도(rest density)이다. 본 발명은 테스트 시에, PCISPH와 유사하게 랜덤하게 선택된 내부 입자(internal particle)를 사용하여 σ를 우선 계산한다. 본 발명은 SPH 유체의 비압축성을 강제하기 위해 각 프레임에 대해 예측 - 보정 단계를 여러 번 반복한다.
Where ρ * i is the predicted density, σ is the scaling parameter, and ρ 0 is the rest density. In the present invention, sigma is first calculated during testing using randomly selected internal particles, similar to PCISPH. The present invention repeats the predictive-correction step several times for each frame to force the incompressibility of the SPH fluid.

이후 도1 에 도시된 바와 같이, 수학식 2 및 수학식 3에 의해 해석된 수학식 1의 SPH 유체의 운동량 방정식에 로우 패스 필터를 적용하여 고주파 성분을 제거한다(S20).Then, as shown in Figure 1, by applying a low-pass filter to the momentum equation of the SPH fluid of the equation (1) by the equations (2) and (3) to remove the high frequency components (S20).

LES는 특성 상 난류 속의 소규모 구조가 조화되는 더 많은 균질(homogeneous)을 갖고 있다는 가정에 기반으로 한다. 수치해석에 도입된 오일러리안 그리드(Eulerian grid)나 라그랑지안 파티클(Lagrangian particle)와 같은 이산화 도구의 해상도에서 해석될 수 없는 소규모의 움직임은 상기한 가정에 따라 모델링 될 수 있다. LES 에서 규모 분리는 공간 필터 함수(spatial filter function)에 의해 달성 될 수 있으며, LES 지배 방정식(LES governing equations)은 운영 방정식에 대해 LES 필터를 적용하여 획득될 수 있다. 이러한 필터링 작업은 본질적으로 로우 패스 필터와 같이 동작하여 LES 모델로부터 고주파수 성분의 기여를 제거한다.LES is based on the assumption that, by its nature, smaller homogenous structures in turbulence have more homogeneous. Small movements that cannot be interpreted at the resolution of discretization tools such as the Eulerian grid or Lagrangian particles introduced in the numerical simulation can be modeled according to the above assumptions. Scale separation in LES can be achieved by a spatial filter function, and LES governing equations can be obtained by applying LES filters to operating equations. This filtering operation essentially works like a low pass filter to remove the contribution of high frequency components from the LES model.

상기한 LES 필터는 특정한 필터로 한정되지 아니하며, 서브- 격자 규모 요소를 효과적으로 완화할 수 있는 어떤 공간 필터라도 이용될 수 있다. 그리고 Monaghan는 완화 커널을 제외한 XSPH 등식과 유사한 형태를 갖는 수학식 4 의 완화 필터를 제안하였다((Monaghan, J.J.: On the problem of penetration in particle methods. J. Comput. Phys. 82, 1{15 (1989). DOI 10.1016/0021-9991(89)90032-6), (Monaghan, J.J.: A turbulence model for smoothed particle hydrodynamics. eprint arXiv:0911.2523 (2009). DOI http://arxiv.org/abs/0911.2523v1)).The LES filter described above is not limited to a particular filter, and any spatial filter that can effectively mitigate sub-grid scale elements can be used. Monaghan also proposed a mitigation filter in Equation 4 that is similar to the XSPH equation except for the mitigation kernel (Monaghan, JJ: On the problem of penetration in particle methods. J. Comput. Phys. 82, 1 {15 ( DOI 10.1016 / 0021-9991 (89) 90032-6), (Monaghan, JJ: A turbulence model for smoothed particle hydrodynamics.eprint arXiv: 0911.2523 (2009) .DOI http://arxiv.org/abs/0911.2523 v1)).

Figure 112011044307644-pat00030
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여기서 ε은 일반으로 0.8의 값을 갖는 완화 파라미터이고, Gij는 운동량 보존을 위해 대칭 밀도를 사용하는 커널이다. 그리고 mj는 입자j의 질량을 나타낸다. 수학식 4는 Lagrangian Averaged Navier Stokes equations (LANS)(Geurts, B., Holm, D.: Leray and lans-alpha modeling of turbulent mixing. Journal of Turbulence 7(10), 1{33(2006). URL http://doc.utwente.nl/66861/. This paper is associated with the focus-issue Cascade Dynamics: Fundamentals and Modelling.)과 유사한 근사에 의해 유도되고, 고정 평균 밀도 가정(constant mean density assumption)에 따라 선형성과 각 운동량 모두를 보존한다. 또한, 계산 비용이 매우 낮다. 그러나 ε 값이 0.3보다 더 크게 증가하면, 입자의 일부가 시뮬레이션 영역 및 장애물의 경계 주변을 의도하지 않게 벗어나게 된다.Where epsilon is a relaxation parameter with a value of 0.8, and G ij is a kernel that uses symmetrical density to preserve momentum. And m j represents the mass of the particle j. Equation 4 is Lagrangian Averaged Navier Stokes equations (LANS) (Geurts, B., Holm, D .: Leray and lans-alpha modeling of turbulent mixing.Journal of Turbulence 7 (10), 1 {33 (2006) .URL http http://doc.utwente.nl/66861/.This paper is associated with the focus-issue Cascade Dynamics: Fundamentals and Modeling.Derived by an approximation, linearity according to a constant mean density assumption Conserve both and each momentum. In addition, the computational cost is very low. However, if the value of ε increases greater than 0.3, some of the particles will inadvertently deviate around the boundary of the simulation area and the obstacle.

이러한 문제를 방지하기 위하여, 본 발명에서는 수학식 4의 완화 필터 대신 수학식 5과 같이 속도 필드를 완화하고 고주파 부산물을 억제하기 위해 가중된 평균이 조합된 로우 패스 필터를 이용한다.In order to prevent such a problem, the present invention uses a low pass filter combined with a weighted average to relax the velocity field and suppress high frequency by-products, as shown in Equation 5, instead of the easing filter of Equation 4.

Figure 112011044307644-pat00031
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여기서 k(d) = (1 - d2)3 이고, α는 완화를 위한 가중치이며, re 는 통상적으로 완화 반경의 2배인 효과적인 반경이다.Where k (d) = (1-d 2 ) 3 , α is a weight for relaxation and r e is an effective radius that is typically twice the relaxation radius.

수학식 1의 SPH 유체의 운동량 방정식에 수학식 5의 로우 패스 필터를 적용하면 수학식 1은 수학식 6과 같이 변환 될 수 있다.  When the low pass filter of Equation 5 is applied to the momentum equation of the SPH fluid of Equation 1, Equation 1 may be converted to Equation 6.

Figure 112011044307644-pat00032
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수학식 6와 같이, 필터링된 운동량 방정식은 큰 운동 에너지 전송 스케일의 시간적 및 공간적 전개를 묘사한다. 이때 비선형성 전달(non-linearity of the convection)에 의해 필터링 이후 서브- 격자 규모(sub-grid scale)의 압력 텐서(τs i)가 유도 된다.
As in Equation 6, the filtered momentum equation describes the temporal and spatial evolution of the large kinetic energy transfer scale. At this time, a pressure tensor τ s i of a sub-grid scale is derived after filtering by non-linearity of the convection.

그리고 유도된 압력 텐서(stress tensor)를 계산하기 위해 변형 속도 텐서(strain-rate tensor)를 근사한다(S30).The strain-rate tensor is approximated to calculate the induced pressure tensor (S30).

수학식 6에 나타난 필터링된 운동량 방정식에서 압력 텐서(τs i)는 수학식 7과 같이 계산되어 에너지 전송 및 서브 격자 규모 파동의 효과를 반영한다. 수학식 7 에서 mj는 입자j의 질량을 나타낸다.In the filtered momentum equation shown in Equation 6, the pressure tensor τ s i is calculated as Equation 7 to reflect the effects of energy transfer and subgrid scale waves. M j in Equation 7 represents the mass of the particle j.

Figure 112011044307644-pat00033
Figure 112011044307644-pat00033

그러나 수학식 6의 운동량 방정식에 수학식 7의 압력 텐서(τs i)의 표현은 대칭 개념(symmetric formulation)을 사용하는 SPH의 신뢰도를 떨어뜨릴 수 있다. 즉 수학식 7의 압력 텐서(τs i)는 분석되지 않은 구성 요소를 포함하고 있으므로, 이를 해석가능한 식으로 변환하기 위해서는 폐쇄(closure)에 대한 가정이 필요하다. However, the expression of the pressure tensor (τ s i ) of Equation 7 in the momentum equation of Equation 6 may reduce the reliability of the SPH using a symmetric formulation. That is, since the pressure tensor τ s i of Equation 7 includes components that have not been analyzed, an assumption about closure is required to convert them into interpretable equations.

이에 본 발명에서는 수학식 8로 표현되는 서브- 격자 규모의 압력과 대규모 변형 속도 사이의 선형 관계를 제안하는 맴돌이 점성 가정을 적용한다.To this end, the present invention applies a eddy viscosity assumption that proposes a linear relationship between the sub-grid scale pressure and the large strain rate represented by Equation (8).

Figure 112011044307644-pat00034
Figure 112011044307644-pat00034

여기서, μT 는 맴돌이 점성이고,

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는 변형 속도 텐서이며 δij 는 수학식 9로 계산되는 Kronecker 델타이다. 그리고
Figure 112012109447912-pat00093
는 tensor notation으로서 변형속도 텐서
Figure 112012109447912-pat00094
의 행렬에서 대각 요소의 합(
Figure 112012109447912-pat00095
)을 의미한다.Where μ T is the eddy viscosity,
Figure 112012109447912-pat00035
Is the strain rate tensor and δ ij is the Kronecker delta calculated by equation (9). And
Figure 112012109447912-pat00093
Is the tensor notation and the strain tensor
Figure 112012109447912-pat00094
Sum of diagonal elements in matrix of (
Figure 112012109447912-pat00095
).

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그리고 맴돌이 점성(μT)은 Smagorinsky 모델이 적용되어, 수학식 10과 같이 계산된다.The eddy viscosity (μ T ) is calculated using Equation 10 by applying the Smagorinsky model.

Figure 112011044307644-pat00037
Figure 112011044307644-pat00037

여기서 Smagorinsky 상수인 CS 는 0.12이고, Δ는 입자 간격이며, 지역 변형 율(local strain rate)은

Figure 112011044307644-pat00038
로서 주어진다. Smagorinsky 모델은 저비용으로 쉽게 구현할 수 있지만, CS는 유일한 값으로 정의되지 않으며, 매개 변수가 없는 공간과 시간에서는 동적으로 전파되지 않는다는 단점으로 인해 복잡한 난류에 대해서는 적합하지 않다. 이에 본 발명에서는 맴돌이 점성(μT)을 수학식 11과 같이 동적 서브- 입자 스케일 운동 에너지 기반의 모델(dynamic sub-particle scale kinetic energy based model)을 적용하여 계산한다.Where the Smagorinsky constant C S is 0.12, Δ is the particle spacing, and the local strain rate is
Figure 112011044307644-pat00038
. The Smagorinsky model is easy to implement at low cost, but C S is not defined as a unique value and is not suitable for complex turbulence due to the disadvantage that it does not propagate dynamically in parameterless space and time. In the present invention, the eddy viscosity (μ T ) is calculated by applying a dynamic sub-particle scale kinetic energy based model as shown in Equation (11).

Figure 112011044307644-pat00039
Figure 112011044307644-pat00039

수학식 11에서 유체의 흐름과 완화된 입자 속도 사이의 운동 에너지의 차이는 지역 변형 속도로 대체된다. 수학식 11에 의해, 변형 속도 텐서(

Figure 112011044307644-pat00040
)는 수학식 12와 같이 주어질 수 있다.In Equation 11, the difference in the kinetic energy between the flow of fluid and the relaxed particle velocity is replaced by the local strain rate. According to equation (11), the strain rate tensor (
Figure 112011044307644-pat00040
) May be given by Equation 12.

Figure 112011044307644-pat00041
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그러나 수학식 12의 변형 속도 텐서(

Figure 112012109447912-pat00042
)를 분석하기 위한 계산 비용은 무시할 수 없는 수준이다. 변형 속도 텐서(
Figure 112012109447912-pat00043
)의 각 요소는 속도 구배(velocity gradient)의 계산을 필요로 하므로, 직접 계산을 위해 전체적으로 적어도 6번 이상의 보간(interpolation)이 요구된다. 이에 본 발명에서는 수학식 13을 활용하여 변형 속도 텐서(
Figure 112012109447912-pat00044
)를 근사한다.However, the strain rate tensor of equation (12)
Figure 112012109447912-pat00042
The computational cost for analyzing) is insignificant. Strain rate tensor (
Figure 112012109447912-pat00043
Each element of) requires the calculation of velocity gradients, and therefore requires at least six interpolations in total for direct calculations. In the present invention, the strain rate tensor (
Figure 112012109447912-pat00044
Approximate).

Figure 112011044307644-pat00045
Figure 112011044307644-pat00045

여기서

Figure 112011044307644-pat00046
는 회전 또는 와류 텐서이다. 와류 텐서(
Figure 112011044307644-pat00047
)는 스큐 - 시메트릭(skew-symmetric) 행렬과 와류 벡터 구성 요소로 수학식 14와 같이 표현될 수 있다.here
Figure 112011044307644-pat00046
Is a rotating or vortex tensor. Vortex Tensor
Figure 112011044307644-pat00047
) May be represented by the skew-symmetric matrix and the vortex vector component as shown in Equation 14.

Figure 112011044307644-pat00048
Figure 112011044307644-pat00048

여기서, ωi 는 수학식 15에 의해 용이하게 계산된다.Here, ω i is easily calculated by the equation (15).

Figure 112011044307644-pat00049
Figure 112011044307644-pat00049

유사하게, 본 발명에서는 형렬 표현에 의해 보간에 기반된 기존의 커널을 사용하여 속도 기울기를 계산한다. 최종적으로, 변형 속도 텐서(

Figure 112011044307644-pat00050
)는 수학식 16과 같이 계산된다.Similarly, the present invention computes the velocity gradient using an existing kernel based on interpolation by the matrix representation. Finally, strain rate tensor (
Figure 112011044307644-pat00050
) Is calculated as in Equation 16.

Figure 112011044307644-pat00051
Figure 112011044307644-pat00051

여기서

Figure 112011044307644-pat00052
이다.here
Figure 112011044307644-pat00052
to be.

SPS 난류 모델이 소규모에서 대규모까지 글로벌 소산 효과(global dissipative effects)를 나타낼 수 있는 반면, 텐서는 분석되지 않은 규모(scale) 사이의 상호 작용과 같은 서브- 입자 속도 및 로컬 에너지 역학을 직접 재현할 수 없다.
While SPS turbulence models can exhibit global dissipative effects from small to large, tensors can directly reproduce sub-particle velocities and local energy dynamics such as interactions between unanalyzed scales. none.

이에 도1 의 소규모 속도 생성 단계(S40)를 수행한다.Accordingly, the small speed generation step S40 of FIG. 1 is performed.

소규모 속도를 생성하기 위하여 3 차원 Perlin 노이즈(3D Perlin noise)(Perlin, K., Neyret, F.: Flow noise (2001). URL http://www-evasion.imag.fr/Publications/2001/PN01)를 적용하여 테스트 하였다. 테스트는 생성된 3 차원 소규모 속도를 사용하여, 먼저 커널 함수의 형태에 대한 섭동(perturbation) 효과를 관찰하는 것으로 진행되었다. 이 테스트에서 보간 커널(interpolation kernel)은 밀도나 속도와 같은 물리적 양의 분포를 나타내고, SPS 속도의 효과가 커널의 로컬 분포를 변형 할 것이라고 예상되었으나, 실제 테스트 결과는 융합하는 동안 누적되는 오류가 전체 시스템을 불안정하게 한다.3D Perlin noise (Perlin, K., Neyret, F .: Flow noise (2001) to generate small velocity) URL http://www-evasion.imag.fr/Publications/2001/PN01 ) Was tested. The test proceeded by first observing the effects of perturbation on the shape of the kernel function, using the generated three-dimensional small velocity. In this test, the interpolation kernel shows the distribution of physical quantities such as density and speed, and it is expected that the effect of SPS speed will modify the local distribution of the kernel, but the actual test results show that errors accumulated during fusion Make the system unstable.

이에 본 발명에서는 수학식 17과 같이 분석된 속도들에 미세 변동(subtle fluctuation)을 추가로 속도에 결합한다.Therefore, in the present invention, the subtle fluctuation is further coupled to the speeds in the analyzed speeds as shown in Equation 17.

Figure 112011044307644-pat00053
Figure 112011044307644-pat00053

여기서 ni 는 생성된 3 차원 perlin 노이즈 벡터이고, k는 규모 변수(scaling parameter)이다. 노이즈 벡터(ni)는 저밀도를 갖는 영역의 일부에서 뛰어난 효과를 보여준다. 노이즈의 효과는 크지 않은 스케일 요소를 무시할 수 있다. 반면에, 너무 큰 매개 변수 값은 시뮬레이션 동안 시뮬레이션 영역 밖으로 벗어나도록 할 수 있다. 부산물을 줄이기 위해서, 본 발명은 표면 장력(surface tension force)을 적용할 수 있도록 간단한 인력 모델을 이용할 수 있다.
Where n i is the generated three-dimensional perlin noise vector and k is the scaling parameter. The noise vector n i shows an excellent effect in the part of the region with low density. The effect of noise can be neglected to scale elements that are not large. On the other hand, too large a parameter value may cause it to move out of the simulation area during the simulation. In order to reduce by-products, the present invention can use a simple attraction model to apply surface tension force.

이후 생성된 소규모 속도를 미리 분석된 대규모 속도에 결합하여 SPS 난류를 시뮬레이션 한다(S50).Afterwards, the small velocity generated is combined with the large velocity analyzed beforehand to simulate the SPS turbulence (S50).

SPH 입자로부터 SPH 유체 표면을 구성하기 위해, 본 발명은 이동 평균을 기준 위치로서 사용하여 수학식 18로 계산되는 표면 재구성 방법을 적용한다.To construct the SPH fluid surface from the SPH particles, the present invention applies the surface reconstruction method calculated by Equation 18 using the moving average as the reference position.

Figure 112011044307644-pat00054
Figure 112011044307644-pat00054

여기서 λ는 평균에 대한 가중치이며, 수학식 19와 같이 정의된다.Λ is a weight for the mean, and is defined as in Equation 19.

Figure 112011044307644-pat00055
Figure 112011044307644-pat00055

여기서 커널(k) 및 효과 반경(re)는 수학식 5에서와 동일하다. 충분한 개수의 인접한 입자들(Ni)이 존재하는 경우, 수학식 17의 표면 재구성 방법은 이동 평균 포뮬레이션(moving average formulation)에서 완화되는 효과(smoothing effect)로 인해 매우 매끄러운 표면을 재구성할 수 있다. 본 발명에서는 먼저 SPS 규모 세부들을 직접 커널 함수에 추가하도록 수학식 20과 같은 테스트를 수행한다.Here, the kernel k and the effect radius r e are the same as in Equation 5. When the adjacent particles a sufficient number (N i) is present, the surface reconstruction method of Equation (17) can reconstruct a very smooth surface due to the effect (smoothing effect) is relaxed in the moving average formulation (moving average formulation) . In the present invention, a test as shown in Equation 20 is first performed to add SPS scale details directly to a kernel function.

Figure 112011044307644-pat00056
Figure 112011044307644-pat00056

여기서 noise1D는 1에서 -1 까지 범위의 값이 반환되는 Perlin 잡음에 따른 간단한 노이즈 함수이며, k는 본 발명에 따른 테스트에서 0.2 - 0.4의 범위를 갖는 규모 매개 변수이다. 그러나, 노이즈로부터 섭동 디테일은 이동하는 평균에 의해 쉽게 완화된다. 또한, 평균 섭동은 시뮬레이션 동안 아무 시간적 및 공간적 통일성을 갖지 않는 고주파 부수물을 나타낸다. 마찬가지로, φ(x)에 1차원 소음을 추가하는 것으로부터 테스트 결과는 종종 표면 메쉬(surface mesh)에 부자연스러운 변화를 보여준다.Where noise1D is a simple noise function according to Perlin noise that returns a value ranging from 1 to -1, and k is a scale parameter with a range of 0.2-0.4 in the test according to the present invention. However, the perturbation details from noise are easily mitigated by the moving average. In addition, the mean perturbation represents high frequency accompaniments that have no temporal and spatial coherence during the simulation. Similarly, test results from adding one-dimensional noise to φ (x) often show unnatural changes in the surface mesh.

이에 본 발명은 수학식 21을 사용하여 입자의 위치를 직접적으로 수정한다.Therefore, the present invention directly modifies the position of the particles using Equation 21.

Figure 112011044307644-pat00057
Figure 112011044307644-pat00057

여기서 xi 는 입자의 위치이다. 수정되는 양은 SPS 표면 변형에 따른 SPS 역학의 효과와 연관되는 SPS 힘의 크기에 비례하여 결정된다. 과도한 수정을 방지하기 위해, 본 발명에서는 상한 값(dmax)을 미리 정해둔다.
Where x i is the position of the particle. The amount modified is proportional to the magnitude of the SPS force associated with the effect of SPS dynamics on SPS surface deformation. In order to prevent excessive correction, in the present invention, the upper limit value d max is determined in advance.

도2 는 도1 에 따른 SPH 유체를 위한 서브 입자 스케일 난류 시뮬레이션 알고리즘을 나타낸다.FIG. 2 shows a sub particle scale turbulent flow simulation algorithm for the SPH fluid according to FIG. 1.

도 2에서 i는 입자를 나타내며, Ni는 입자(i)에 인접한 입자들을 나타낸다. 도2 를 참조하면, 본 발명에 따른 SPH 유체를 위한 서브 입자 스케일 난류 시뮬레이션 알고리즘은 먼저 i번째 입자(i)와 인접한 입자(Ni)를 찾고, 모든 입자(i)에 대해 완화된 속도(

Figure 112011044307644-pat00058
)를 획득하기 위해 로우 패스 필터를 적용한다. 이후 힘들 (Fv, Fg, Fext)과 변형 속도 텐서(
Figure 112011044307644-pat00059
)를 계산한다. 그리고 계산된 힘들과 변형 속도 텐서(
Figure 112011044307644-pat00060
)를 이용하여 SPS 힘(FSPS)를 계산하고, SPS 노이즈(noise(xi))를 생성 및 입자 위치(xi)를 수정한다. 이후 PCISPH를 이용하여 속도(vi)를 업데이트하여 시뮬레이션을 수행한다. 도2 의 알고리즘에 대한 상세한 설명은 상기한 도1 에 대한 설명과 같으므로 이하 생략한다.
In FIG. 2 i represents particles and N i represents particles adjacent to particle i. Referring to Fig. 2, the sub-particle scale turbulence simulation algorithm for the SPH fluid according to the present invention first finds the particle N i adjacent to the i th particle i, and then relaxes the velocity for all the particles i.
Figure 112011044307644-pat00058
Apply a low pass filter to get Afterwards the forces (F v , F g , F ext ) and the strain rate tensor (
Figure 112011044307644-pat00059
). And the calculated forces and strain rate tensors (
Figure 112011044307644-pat00060
) To force SPS (SPS calculate F) and, SPS noise (noise (x i) modifying a) the particle generation and the location (x i) used. Then, the speed (v i ) is updated using PCISPH to perform the simulation. Detailed description of the algorithm of FIG. 2 is the same as that of FIG.

도3 은 본 발명에 따른 SPH 난류 시뮬레이션 방법에 따른 시뮬레이션을 캡쳐한 이미지의 일예를 나타낸다.3 shows an example of an image captured by the simulation according to the SPH turbulence simulation method according to the present invention.

도3 에서 시뮬레이션은 왼쪽 상단으로부터 우측 하단의 순서로 진행되며, 각각의 입자에 대한 계산된 SPS 힘(FSPS)의 크기를 색상별로 구분하여 시각적으로 나타내었다. 도3 에서 약한 SPS 힘(FSPS)은 파란색으로 표현되었으며, 큰 SPS 힘(FSPS)은 붉은 색으로 표현되었다.
In FIG. 3, the simulation is performed in the order of the upper left to the lower right, and the size of the calculated SPS force (F SPS ) for each particle is visually represented by color. In FIG. 3, the weak SPS force (F SPS ) is represented in blue, and the large SPS force (F SPS ) is represented in red.

도4 는 본 발명에 따른 SPH 난류 시뮬레이션 방법에 따른 시뮬레이션 결과의 예를 나타낸다.4 shows an example of simulation results according to the SPH turbulence simulation method according to the present invention.

도4 에서 상단 이미지는 댐 파괴 시뮬레이션를 나타내고, 하단 이미지는 장애물이 있을때 물의 흐름을 시뮬레이션을 나타낸다. 그리고 상단 및 하단의 이미지 각각에서 (a)는 기존의 SPH 시뮬레이션 이미지이며, (b)는 SPS 난류에 대한 SPH 시뮬레이션 이미지를 나타내고, (c)는 (b)를 렌더링한 이미지를 나타낸다.In FIG. 4, the top image represents a dam destruction simulation, and the bottom image represents a simulation of water flow when there is an obstacle. In each of the upper and lower images, (a) represents an existing SPH simulation image, (b) represents an SPH simulation image for SPS turbulence, and (c) represents an image rendered (b).

표면 재구축을 위한 매개 변수는 부드럽고 얇은 표면을 표현하도록 설정될 수 있으며, 비압축성에 대한 매개 변수는 안정적인 상태에서 물 장면을 테스트하여 설정될 수 있다. 도4 의 시뮬레이션은 정육면체 모양의 도메인(domain) 내에서 실행되었다. 도4 의 상단에 나타난 댐 파괴 시뮬레이션은 4만 4천개 입자를 사용하였으며, 하단의 물의 흐름 시뮬레이션은 1만 6천개의 입자를 사용하였다. 도4 에서 확인 할 수 있듯이, 높은 변형의 영역에서 눈에 띄는 효과가 발생된다.Parameters for surface reconstruction can be set to represent smooth and thin surfaces, and parameters for incompressibility can be set by testing the water scene in a steady state. The simulation of FIG. 4 was performed in a cube-shaped domain. The dam destruction simulation shown at the top of FIG. 4 used 44,000 particles, and the water flow simulation at the bottom used 16,000 particles. As can be seen in Figure 4, a noticeable effect occurs in the region of high deformation.

물의 흐름 시뮬레이션에서 입자가 튀는 움직임은 (a)에 나타난 기존의 SPH 시뮬레이션과 다르게 나타난다. 물이 튀는 부분에서 분석된 속도와 완화된 속도 사이의 차이가 층류 영역에서 보다 크다. 본 발명에 따른 시뮬레이션 모델은 이 차이가 대규모 흐름으로부터 흩어지는 운동 에너지를 반영하는 것이라고 가정하므로, 입자의 더 큰 난류 움직임은 타당한 것으로 판단할 수 있다. 비록 흩어진 에너지가 튀는 입자의 속도를 높이기 위해 직접 사용되지는 않지만, 그것은 특정 영역에서 난류의 에 대한의 근사적 측정이 될 수 있다.
The splashing motion of the water flow simulation is different from the existing SPH simulation shown in (a). The difference between the analyzed velocity and the relaxed velocity in the water splash is greater than in the laminar flow region. Since the simulation model according to the invention assumes that this difference reflects the kinetic energy dissipated from the large flow, the larger turbulent motion of the particles can be judged as valid. Although scattered energy is not directly used to speed up the bouncing particles, it can be an approximate measure of for turbulence in a particular region.

도5 는 본 발명에 따른 SPH 난류 시뮬레이션 방법에 따른 시뮬레이션 결과의 다른 예를 나타낸다.5 shows another example of simulation results according to the SPH turbulence simulation method according to the present invention.

도5에서는 크고 작은 표면 변형을 모두 갖는 장면을 시뮬레이션 함에 의해 생성된 노이즈와 SPS 역학 사이의 관계를 표현하였다. 본 발명에서 유체의 형태는 SPS에서 역학에 의해 결정된다. 도5 에서는 하나의 장면에 층류 및 난류가 모두 존재한다. 부서지는 파도의 표면에서 소규모 디테일은 렌더링된 이미지에서 쉽게 확인 가능하다. 반대로, 보다 적은 디테일은 층류의 영역에서 볼 수 있게 된다. 본 발명에 따른 근사를 사용하면, 선택적 방식으로 세부적인 변형을 추가할 수 있다.In Fig. 5, the relationship between the noise generated by simulating a scene having both large and small surface deformations and the SPS dynamics is represented. In the present invention, the shape of the fluid is determined by mechanics in the SPS. In FIG. 5, both laminar and turbulent flows exist in one scene. Small details on the surface of the crashing wave are easily visible in the rendered image. In contrast, less detail is visible in the region of laminar flow. Using the approximation according to the invention, further modifications can be added in an optional manner.

Figure 112011044307644-pat00061
Figure 112011044307644-pat00061

표1 은 도4 및 도5 의 시뮬레이션을 수행하는데 소요된 시간을 나타낸다.Table 1 shows the time taken to perform the simulations of FIGS. 4 and 5.

모든 시뮬레이션은 인텔 제온 CPU와 8G의 RAM 및 엔비디아 GTX 480 그래픽 카드가 장착된 워크 스테이션에서 실행되었으며, 표1 에서 오프라인 렌더링 시간은 포함되어 있지 않다.All simulations were run on a workstation with an Intel Xeon CPU, 8G of RAM, and an NVIDIA GTX 480 graphics card. Table 1 does not include offline rendering times.

그리고 도4 및 도5 의 시뮬레이션은 병렬 계산의 사용을 최대화하기 위해 CUDA(Compute Unified Device Architecture)를 사용하여 구현되었다. 시뮬레이션에서 가장 빈번하게 발생하고 시간이 많이 소요되는 과정은 가장 인접한 입자를 검색하는 것이다. 효율을 위해 입자 간섭(hashing)이 기수 정렬 알고리즘(radix sort algorithm )에 의해 보조 격자(auxiliary grids)에 적용될 수 있다. 본 발명은 병렬 처리에 의한 가속(accelerations)에 의해 높은 프레임율로 시뮬레이션을 얻을 수 있다. 또한, SPS 모델과 노이즈 생성 과정은 난류 시뮬레이션의 높은 전산 비용에 대응하기 위해 GPU에서 구현될 수 있다. 우리는 또한, CUDA로 마칭 큐브 알고리즘(marching cube algorithm)을 구현하여, 시뮬레이션 사이클의 총 비용을 감소시킬 수 있다.
4 and 5 have been implemented using the Compute Unified Device Architecture (CUDA) to maximize the use of parallel computation. The most frequent and time-consuming process in simulation is to search for the nearest particle. For efficiency, particle hashing can be applied to auxiliary grids by a radix sort algorithm. According to the present invention, simulations can be obtained at high frame rates by accelerations due to parallel processing. In addition, the SPS model and noise generation process can be implemented in the GPU to cope with the high computational cost of turbulence simulation. We can also implement a marching cube algorithm with CUDA to reduce the total cost of the simulation cycle.

본 발명에 따른 장치는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
The device according to the invention can be embodied as computer readable code on a computer readable recording medium. A computer-readable recording medium includes all kinds of recording apparatuses in which data that can be read by a computer system is stored. Examples of the recording medium include a ROM, a RAM, a CD-ROM, a magnetic tape, a floppy disk, an optical data storage device, and the like, and a carrier wave (for example, transmission via the Internet). The computer readable recording medium can also be distributed over network coupled computer systems so that the computer readable code is stored and executed in a distributed fashion.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is evident that many alternatives, modifications and variations will be apparent to those skilled in the art.

따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.

Claims (11)

컴퓨터에 의해 실행되는 완화 유체 역학(SPH) 유체를 위한 서브 입자 스케일(SPS) 난류 시뮬레이션 방법에 있어서, 상기 컴퓨터가,
상기 SPH 유체의 난류에 대해 대규모 소용돌이 시뮬레이션(LES) 기법을 적용하여 상기 SPH 유체에서 오일러리안 그리드(Eulerian-grid) 및 라그랑지안 파티클(Lagrangian-particle)이 공간적으로 해석이 가능한 속도장의 최대 주파수보다 낮은 주파수의 속도들을 갖는 대규모 속도를 분석하기 위한 SPH 유체의 운동량 방정식을 획득하는 단계;
상기 SPH 유체의 운동량 방정식을 로우 패스 필터링하여 고주파 성분을 제거하여 변환 운동량 방정식을 생성하는 단계;
상기 변환 운동량 방정식이 생성되는 과정에서 발생된 압력 텐서를 계산하기 위해 변형 속도 텐서를 입사 속도와 와류 텐서로 근사하여 상기 변환 운동량 방정식을 계산하는 단계;
노이즈 함수를 이용하여 상기 SPH 유체에서 상기 대규모 속도보다 높은 속도장의 주파수를 갖는 소규모 속도를 계산하는 단계; 및
상기 계산된 소규모 속도를 상기 분석된 상기 대규모 속도와 결합하여 SPS 난류를 시뮬레이션하는 단계를 구비하며,
상기 SPH 유체의 운동량 방정식은
상기 SPH 유체의 난류에서 복수개의 입자들 각각이 질량, 밀도 및 압력을 포함하는 물리적인 양을 개별적으로 운반하는 것으로 가정하여 수학식
Figure 112013058851049-pat00099

(여기서, i(i는 자연수)는 입자, vi 는 속도, p 는 압력, μ는 점성 계수이고, fiext 는 인력(gravity), 사용자 정의에 따른 힘, 또는 와류 제한력(vortices confinement forces)과 같은 외력을 나타낸다. 그리고 <ρi>, < ∇ p> 및 <Δv>는 각각 위치(xi)에서 밀도 필드(density field), 압력 필드(pressure force field), 및 점성력 필드(viscous force field)의 커널에 기반한 근사를 상징한다.)
로 근사되는 것을 특징으로 하는 SPH 유체를 위한 SPS 난류 시뮬레이션 방법.
A computer-implemented sub-particle scale (SPS) turbulent flow simulation method for mitigating fluid dynamics (SPH) fluid, the computer comprising:
A large-scale vortex simulation (LES) technique is applied to the turbulent flow of the SPH fluid so that Eulerian-grid and Lagrangian-particles in the SPH fluid are lower than the maximum frequency of the velocity field. Obtaining a momentum equation of the SPH fluid for analyzing a large velocity with velocities of the velocity;
Low pass filtering the momentum equations of the SPH fluid to remove high frequency components to generate transformed momentum equations;
Calculating the transformed momentum equation by approximating the strain velocity tensor to the incident velocity and the vortex tensor to calculate the pressure tensor generated during the generation of the transformed momentum equation;
Calculating a small velocity having a frequency of a velocity field higher than the large velocity in the SPH fluid using a noise function; And
Combining the calculated small velocity with the analyzed large velocity to simulate SPS turbulence,
The momentum equation of the SPH fluid is
Equation assuming that each of the plurality of particles in the turbulent flow of the SPH fluid individually carries a physical quantity including mass, density and pressure
Figure 112013058851049-pat00099

Where i (i is a natural number) is the particle, vi is the velocity, p is the pressure, μ is the viscosity coefficient, fiext is the gravity, user-defined force, or vortices confinement forces And <ρi>, <∇ p> and <Δv> represent the kernel of the density field, pressure force field and viscous force field at position xi, respectively. Symbolizes based approximation.)
SPS turbulence simulation method for SPH fluid, characterized in that approximated by.
삭제delete 제1 항에 있어서, 상기 압력 필드는
예측 - 보정 비압축 SPH (predictive-corrective incompressible SPH : PCISPH) 기법을 적용함에 의해 수학식
Figure 112013058851049-pat00063

(여기서, Wij = W(xi(t) - xj(t))이고, pi는 입자의 압력, m은 입자의 질량)
로 근사되는 것을 특징으로 하는 SPH 유체를 위한 SPS 난류 시뮬레이션 방법.
The method of claim 1 wherein the pressure field is
Equation by applying predictive-corrective incompressible SPH (PCISPH) technique
Figure 112013058851049-pat00063

(Where W ij = W (x i (t)-x j (t)), p i is the pressure of the particle, m is the mass of the particle)
SPS turbulence simulation method for SPH fluid, characterized in that approximated by.
제3 항에 있어서, 상기 입자의 압력은
수학식
Figure 112012109447912-pat00064

(여기서 ρ* i 는 예측된 밀도이며, σ는 스케일링 변수이며, ρ0 는 잔류 밀도(rest density))
에 따른 예측 보정 기법을 기설정된 횟수로 반복 수행하여 상기 예측된 밀도에 대한 오류를 최소화하도록 업데이트하는 것을 특징으로 하는 SPH 유체를 위한 SPS 난류 시뮬레이션 방법.
The method of claim 3, wherein the pressure of the particles
Equation
Figure 112012109447912-pat00064

(Where ρ * i is the predicted density, σ is the scaling variable, and ρ 0 is the rest density)
SPS turbulence simulation method for SPH fluid, characterized in that to repeat the prediction correction method according to the predetermined number of times to minimize the error for the predicted density.
제4 항에 있어서, 상기 변환 운동량 방정식을 생성하는 단계는
수학식
Figure 112013058851049-pat00065

(여기서, k(d) = (1 - d2)3 이고, d는
Figure 112013058851049-pat00100
이고, α는 완화를 위한 가중치이며, re 는 통상적으로 완화 반경의 2배인 효과 반경)
에 따른 로우 패스 필터를 이용하여 로우 패스 필터링을 수행하고,
상기 변환 운동량 방정식은
수학식
Figure 112013058851049-pat00066

(여기서, τs i는 서브- 격자 규모(sub-grid scale)의 상기 압력 텐서)
로 계산되는 것을 특징으로 하는 SPH 유체를 위한 SPS 난류 시뮬레이션 방법.
5. The method of claim 4, wherein generating the transformed momentum equation is
Equation
Figure 112013058851049-pat00065

Where k (d) = (1-d 2 ) 3 and d is
Figure 112013058851049-pat00100
And, α is the weight for the mitigation, r e is typically two times the effective radius of the relaxation radius)
Performs low pass filtering using a low pass filter according to
The conversion momentum equation is
Equation
Figure 112013058851049-pat00066

(Where τ s i is the pressure tensor of the sub-grid scale)
SPS turbulence simulation method for SPH fluid, characterized in that calculated by.
제5 항에 있어서, 상기 변환 운동량 방정식을 계산하는 단계는
상기 압력 텐서(τs i)를 수학식
Figure 112012109447912-pat00067

(여기서, mj는 입자j의 질량)
으로 획득하는 단계;
상기 SPS 난류 시뮬레이션이 폐쇄 공간에서 수행되는 것으로 가정하여 서브- 격자 규모의 압력과 제1 규모의 변형 속도 사이의 선형 관계를 수학식
Figure 112012109447912-pat00068

(여기서, μT 는 맴돌이 점성이고,
Figure 112012109447912-pat00069
는 변형 속도 텐서, δij 는 Kronecker 델타,
Figure 112012109447912-pat00096
는 tensor notation으로서 변형속도 텐서
Figure 112012109447912-pat00097
의 행렬에서 대각 요소의 합(
Figure 112012109447912-pat00098
)을 의미한다.)
로 표현되는 맴돌이 점성 가정을 적용하는 단계;
상기 Kronecker 델타를 수학식
Figure 112012109447912-pat00070

로 계산하고, 상기 맴돌이 점성(μT)이 동적 서브- 입자 스케일 운동 에너지 기반의 모델(dynamic sub-particle scale kinetic energy based model)을 적용하여 수학식
Figure 112012109447912-pat00071

로 계산하는 단계;
변형 속도 텐서(
Figure 112012109447912-pat00072
)를 수학식
Figure 112012109447912-pat00073

로 획득하는 단계; 및
변형 속도 텐서(
Figure 112012109447912-pat00074
)의 계산 비용을 줄이기 위해, 상기 변형 속도 텐서(
Figure 112012109447912-pat00075
)를 수학식
Figure 112012109447912-pat00076

(여기서
Figure 112012109447912-pat00077
는 와류 텐서)
로 근사하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 SPH 유체를 위한 SPS 난류 시뮬레이션 방법.
6. The method of claim 5, wherein calculating the transformed momentum equation
The pressure tensor (τ s i ) is expressed as
Figure 112012109447912-pat00067

Where m j is the mass of the particle j)
Acquiring with;
Assuming that the SPS turbulence simulation is performed in a closed space, the linear relationship between the sub-grid scale pressure and the first scale strain rate is
Figure 112012109447912-pat00068

Where μ T is the eddy viscosity,
Figure 112012109447912-pat00069
Is the strain rate tensor, δ ij is the Kronecker delta,
Figure 112012109447912-pat00096
Is the tensor notation and the strain tensor
Figure 112012109447912-pat00097
Sum of diagonal elements in matrix of (
Figure 112012109447912-pat00098
Means.)
Applying a eddy viscous assumption expressed as;
The Kronecker Delta Equation
Figure 112012109447912-pat00070

The eddy viscosity (μ T ) is calculated by applying a dynamic sub-particle scale kinetic energy based model
Figure 112012109447912-pat00071

Calculating as;
Strain rate tensor (
Figure 112012109447912-pat00072
) Equation
Figure 112012109447912-pat00073

Obtaining with; And
Strain rate tensor (
Figure 112012109447912-pat00074
In order to reduce the computational cost of
Figure 112012109447912-pat00075
) Equation
Figure 112012109447912-pat00076

(here
Figure 112012109447912-pat00077
Vortex tensor)
SPS turbulence simulation method for SPH fluid, characterized in that it comprises the step of approximating.
제6 항에 있어서, 상기 변환 운동량 방정식을 계산하는 단계는
상기 변형 속도 텐서(
Figure 112013058851049-pat00101
)에 행렬 방식으로 표현되는
Figure 112013058851049-pat00102
Figure 112013058851049-pat00103
을 적용하여,
상기 변형 속도 텐서(
Figure 112013058851049-pat00104
)의 수학식을
Figure 112013058851049-pat00105

(여기서,
Figure 112013058851049-pat00106
,
Figure 112013058851049-pat00107
)로 변환하고,
상기 변환된 수학식을 기반으로 상기 변형 속도 텐서(
Figure 112013058851049-pat00108
)를 계산하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 SPH 유체를 위한 SPS 난류 시뮬레이션 방법.
7. The method of claim 6, wherein calculating the transformed momentum equation is
The strain rate tensor (
Figure 112013058851049-pat00101
Expressed in a matrix fashion
Figure 112013058851049-pat00102
Wow
Figure 112013058851049-pat00103
By applying
The strain rate tensor (
Figure 112013058851049-pat00104
)
Figure 112013058851049-pat00105

(here,
Figure 112013058851049-pat00106
,
Figure 112013058851049-pat00107
),
The strain rate tensor (based on the converted equation)
Figure 112013058851049-pat00108
SPS turbulence simulation method for SPH fluid, characterized in that it further comprises the step of calculating).
제7 항에 있어서, 상기 소규모 속도를 계산하는 단계는
3 차원 Perlin 노이즈에 미세 변동을 추가하여 수학식
Figure 112012109447912-pat00085

(여기서, ni 는 3 차원 perlin 노이즈 벡터이고, k는 규모 변수(scaling parameter))
에 의해 상기 소규모 속도를 계산하는 것을 특징으로 하는 SPH 유체를 위한 SPS 난류 시뮬레이션 방법.
8. The method of claim 7, wherein calculating the small velocity
Equation by adding fine variation to 3D Perlin noise
Figure 112012109447912-pat00085

Where n i is a three-dimensional perlin noise vector and k is a scaling parameter
SPS turbulence simulation method for SPH fluid, characterized in that for calculating the small velocity.
제8 항에 있어서, 상기 SPS 난류를 시뮬레이션하는 단계는
SPH 입자로부터 상기 SPH 유체의 표면을 구성하기 위해, 이동 평균을 기준 위치로서 사용하는 수학식
Figure 112012109447912-pat00086

(여기서 λ는 평균에 대한 가중치)
로 계산되는 표면 재구성 방법을 적용하고,
상기 가중치(λ)는 수학식
Figure 112012109447912-pat00087

로서 정의되는 것을 특징으로 하는 SPH 유체를 위한 SPS 난류 시뮬레이션 방법.
9. The method of claim 8, wherein simulating the SPS turbulence
Equation using a moving average as a reference position to construct the surface of the SPH fluid from the SPH particles
Figure 112012109447912-pat00086

Where λ is the weight for the mean
Apply the surface reconstruction method calculated by
The weight λ is
Figure 112012109447912-pat00087

SPS turbulence simulation method for SPH fluid, characterized in that defined as.
제1항, 제3항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 SPH 유체를 위한 SPS 난류 시뮬레이션 방법을 이용하여 상기 SPS 난류를 시뮬레이션하기 위한 프로그램 명령어가 기록된, 컴퓨터가 판독 가능한 기록매체.
10. The computer readable medium according to any one of claims 1 to 3, wherein program instructions for simulating the SPS turbulence are recorded using the SPS turbulence simulation method for the SPH fluid.
제1항, 제3항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 디스플레이부를 구비하여 상기 SPH 유체를 위한 SPS 난류 시뮬레이션 방법이 기록된 프로그램이 구동되어 시뮬레이션 결과를 디스플레이 및 저장하는 컴퓨터 시스템.10. A computer system according to any one of claims 1 and 3 to 9, comprising a display unit for driving a program in which the SPS turbulence simulation method for the SPH fluid is recorded to display and store the simulation results.
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