KR101562863B1 - Method for simulating fluid flow by using the lattice Boltzmann theory and recording medium for performing the method - Google Patents

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KR101562863B1 KR1020140012006A KR20140012006A KR101562863B1 KR 101562863 B1 KR101562863 B1 KR 101562863B1 KR 1020140012006 A KR1020140012006 A KR 1020140012006A KR 20140012006 A KR20140012006 A KR 20140012006A KR 101562863 B1 KR101562863 B1 KR 101562863B1
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Abstract

유체 유동 시뮬레이션 방법 및 이를 수행하기 위한 기록 매체에 대한 것으로, 보다 상세하게는 래티스 볼츠만(Lattice Boltzmann) 이론 또는 래티스 볼츠만 방법을 이용하는 유체 유동 시뮬레이션 방법 및 이를 수행하기 위한 기록 매체에 관한 것이다. 가상의 입자가 규격화된 격자점을 건너 다니며 이동하는 방식으로 실제의 유체 흐름을 시뮬레이션하는 래티스 볼츠만 이론은 일례로 나비에-스톡스(Navier-Stokes) 방정식의 해를 구하는데 이용할 수 있다. 가상 입자는 단위 시간 간격마다 격자점을 건너 다니는데, 마찬가지로 단위 시간 간격마다 입자의 충돌을 가정하여, 충돌 전후 입자 속도의 재배치 방법을 정하는 규칙이 래티스 볼츠만 방법의 핵심이라 할 수 있다. 종래의 불안정한 재배치 규칙을 개선하기 위해 상기 이산 속도를 매개 변수로 갖는 재배치 규칙을 구하고, 시뮬레이션에서 요구되는 거시적 속도와 온도의 변화에 대해 음이 아닌 값을 유지하도록 매개 변수를 정하여 보다 시뮬레이션 적용 가능한 범위가 넓은 재배치 규칙을 발명하였다.More particularly, the present invention relates to a fluid flow simulation method using a Lattice Boltzmann theory or a Lattice Boltzmann method and a recording medium for carrying out the method. The Lattice Boltzmann theory of simulating actual fluid flow in such a way that fictitious particles move across normalized lattice points can be used, for example, to solve the Navier-Stokes equations. The virtual particles cross the lattice points at unit time intervals. Likewise, the rule for determining the method of rearrangement of the particle velocities before and after the collision, assuming collision of particles at every unit time interval, is the core of the Lattice Boltzmann method. In order to improve the conventional unstable rearrangement rule, a rearrangement rule having the discrete velocity as a parameter is obtained, and a parameter is set to maintain a non-negative value with respect to a change in the macroscopic velocity and temperature required in the simulation. Invented a wide relocation rule.

Description

래티스 볼츠만 이론을 이용한 유체 유동 시뮬레이션 방법 및 이를 실현하기 위한 기록 매체 {Method for simulating fluid flow by using the lattice Boltzmann theory and recording medium for performing the method}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a fluid flow simulation method using a Lattice Boltzmann theory and a recording medium for realizing the method.

유체 유동 시뮬레이션 방법 및 이를 수행하기 위한 기록 매체에 대한 것으로, 보다 상세하게는 래티스 볼츠만(Lattice Boltzmann) 이론 또는 래티스 볼츠만 방법을 이용하는 유체 유동 시뮬레이션 방법 및 이를 수행하기 위한 기록 매체에 관한 것이다.More particularly, the present invention relates to a fluid flow simulation method using a Lattice Boltzmann theory or a Lattice Boltzmann method and a recording medium for carrying out the method.

유체의 물리량은 수학방정식으로 기술하고 예측할 수 있다. 어떤 주어진 시간 및 위치에서 유체의 밀도, 압력, 속도, 온도와 같은 물리량을 예측하는 것은 여러 과학 및 공학 분야에서 요구된다. 일기 예보나 자동차, 선박 및 항공기 주위의 유동을 분석하는 것 등이 많은 응용 분야 중에서 일부 예에 해당한다. 상기 물리량을 변수로 하는 미분방정식으로는 나비에-스톡스(Navier-Stokes) 방정식을 예로 들 수 있다. 가상의 입자가 규격화된 격자점을 건너 다니며 이동하는 방식으로 실제의 유체 흐름을 시뮬레이션하는 래티스 볼츠만 이론은 상기 방정식의 해를 구하는 데에도 이용할 수 있다. 상기 물리량을 포함한 거시적 물리량은 유체를 구성하는 분자 각각의 미시적 움직임이 평균되어 표현되는 것임을 염두에 두면, 래티스 볼츠만 방법으로 얻는 방정식의 해는 그 풀이에 적용하는 세부 조건에 따라 매우 정확하고 효율적임을 생각할 수 있다. 이 방법을 구체적으로 살펴보자. 효율성이 높은 표준 모델에서 가상 입자는 격자를 건너 다니는 방식으로 이동하여 격자점 위에서만 존재할 수 있는데, 임의의 단일 입자가 가질 수 있는 속도 - 벡터량이며 일상적 의미에서의 속도인 바람의 속도나 자동차의 속도 같은 거시적 속도와 구별되는 미시적 속도 - 를 몇 개로 제한하느냐에 따라, 시뮬레이션 결과의 정확도와 효율성에 차이가 있다. 또한 어떤 주어진 시간 및 위치에서 어떤 주어진 속도를 가지는 입자가 존재할 확률은 부동소수점으로 표현된다. 입자는 단위 시간 간격마다 격자점을 건너 다니는데, 마찬가지로 단위 시간 간격마다 입자의 충돌을 가정하여, 매 충돌 후 입자 속도의 확률 분포를 충돌 전 분포를 고려하여 다시 정하는 재배치 규칙이 래티스 볼츠만 방법의 핵심이라 할 수 있다. 만일, 충돌 후의 재배치 단계 없이 이동만을 계속하면, 그 가상 유체는 점성이 무한한 유체가 된다. 재배치 규칙의 값은 확률에 관계되는 값으로서 앞으로 설명할 래티스 볼츠만 방정식과 재배치 규칙의 정의에 따를 때, 음의 값을 갖는 경우에는 올바른 시뮬레이션 결과를 기대하기 어렵다. 래티스 볼츠만 방법에서 임의의 가상 입자가 움직일 수 있는 방향과 크기는 효율성을 극대화하기 위해 제한되므로, 시뮬레이션의 대상이 되는 유체가 갖는 예상 거시적 속도와 온도 범위가 주어질 때, 이 범위에서 충돌 전후의 질량, 운동량, 및 에너지 보존을 반드시 유지하면서 반드시 음이 아닌 값을 갖는 재배치 규칙을 만드는 것은 까다롭다. 따라서, 보다 넓은 범위에서 적용가능한 재배치 규칙을 찾는 것이 당면한 과제이다.The physical quantity of fluid can be described and predicted by mathematical equations. Predicting physical quantities such as density, pressure, velocity, and temperature of a fluid at any given time and location is required in many scientific and engineering fields. Some examples include weather forecasts, analysis of flows around automobiles, ships and aircraft, and many others. The differential equation using the physical quantity as a variable is a Navier-Stokes equation. The Lattice Boltzmann theory of simulating actual fluid flow in such a way that fictitious particles move across normalized lattice points can also be used to solve the above equations. Considering that the macroscopic physical quantities including the physical quantities are expressed by averaging the microscopic movements of each of the molecules constituting the fluid, the solution of the equation obtained by the Lattice Boltzmann method is very accurate and efficient according to the detailed conditions applied to the solution . Let's look at this method in detail. In a highly efficient standard model, virtual particles travel in a grid-wise fashion and can only exist on lattice points, where the velocity-vector quantity that any single particle can have, and the speed of the wind in the ordinary sense, There are differences in the accuracy and efficiency of the simulation results, depending on how many are limited to the same macroscopic speed and micro speed. Also, the probability that a particle with a given velocity exists at any given time and position is expressed as a floating point. Particles cross the lattice points at every unit time interval. Likewise, the rearrangement rule that assumes the collision of particles at every unit time interval and re-determines the probability distribution of the particle velocity after each collision considering the pre-collision distribution is the core of the Lattice Boltzmann method can do. If the movement is continued without a rearrangement step after the collision, the virtual fluid becomes infinitely viscous. The value of the relocation rule is a probability related value, and it is difficult to expect the correct simulation result when the definition of the Lattice Boltzmann equation and relocation rule to be described later is negative. The direction and size of any virtual particle in the Lattice Boltzmann method is limited to maximize efficiency, so that given the expected macroscopic velocity and temperature range of the fluid to be simulated, the mass, It is tricky to make relocation rules that have nonnegative values while maintaining the momentum and energy conservation. Therefore, finding a relocation rule that can be applied to a wider range is a challenge.

이에, 보다 넓은 거시적 속도와 온도 범위에서 적용가능한 재배치 규칙을 제공하는 것이다.Thus, it is possible to provide a rearrangement rule applicable at a wider macroscopic speed and temperature range.

상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 유체 유동 시뮬레이션 방법은, 유체가 유동하는 공간을 규칙적인 간격의 격자로 이산화하는 단계; 상기 유체 입자들이 상기 격자 상에서 반복적으로 이동 및 충돌하는 것을 가정하는 단계; 상기 입자가 가질 수 있는 이산(discrete) 입자 속도 집합을 유한집합으로 가정하는 단계; 상기 이산 속도를 매개 변수로 갖는 재배치 규칙을 구하는 단계; 시뮬레이션에서 요구되는 거시적 속도와 온도의 변화에 대해 음이 아닌 값을 유지하도록 매개 변수를 정하는 단계; 이를 이용하여 래티스 볼츠만 모델을 도출하는 단계를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a fluid flow simulation method comprising: discretizing a space in which a fluid flows into a grid at regular intervals; Assuming that the fluid particles repeatedly move and collide on the grating; Assuming that the discrete particle velocity set that the particle may have is a finite set; Obtaining a relocation rule having the discrete rate as a parameter; Determining a parameter to maintain a non-negative value for changes in the macroscopic speed and temperature required in the simulation; And deriving a Lattice Boltzmann model using this.

본 발명의 실시예에서, 상기 래티스 볼츠만 모델을 기초로 시간에 따른 상기 유체의 온도, 밀도, 압력, 속도를 포함하는 물리량 중 적어도 하나를 측정하는 단계를 더 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the method may further comprise measuring at least one of a physical quantity including temperature, density, pressure, and velocity of the fluid over time based on the Lattice Boltzmann model.

본 발명의 실시예에서, 상기 격자의 규칙적인 간격은 평균자유행로(mean free path)에 대응할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the regular spacing of the gratings may correspond to a mean free path.

본발명의 실시예에서, 상기 유체의 입자들은 상기 격자 상의 격자점들에만 존재할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the particles of the fluid may be present only at the lattice points on the lattice.

본 발명의 실시예에서, 상기 재배치 규칙의 확률 분포는 소수점 자리에서 반올림하여 근삿값을 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the probability distribution of the relocation rule may further comprise rounding off the decimal place to determine the approximate value.

본 발명의 실시예에서, 상기 가상 입자의 이산 속도(υ i )를 정의함에 있어서 대칭을 이루도록 정의하는 단계를 더 포함할 수 있다. 일례로, 다음과 같이 일차원 공간에서 정의된 이산 속도는 원점에 대하여 대칭이다.In an embodiment of the present invention, it may further comprise the step of defining the discrete rate ( v i ) of the virtual particles to be symmetric in defining the discrete rate ( v i ). For example, the discrete velocity defined in one-dimensional space is symmetric about the origin as follows.

υ 1 = 0, υ 2 i = -υ 2 i +l. 단, i = 1,2,...이다. υ 1 = 0, υ 2 i = - υ 2 i + 1 . However, i = 1, 2, ....

상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체에는 전술한 유체 유동 시뮬레이션 방법을 수행하는 컴퓨터 프로그램이 기록되어 있다.A computer program for performing the fluid flow simulation method described above is recorded in a computer-readable storage medium according to an embodiment for realizing the above-mentioned other object of the present invention.

종래의 방법이 제공하는 래티스 볼츠만 모델의 재배치 규칙은 그 유도 방법의 특성상 이미 확정되어, 매개 변수를 조절할 여지가 없으나, 본 발명이 제공하는 재배치 규칙은 유도 방법을 달리하여, 매개 변수를 조절할 수 있고, 그 결과 기존의 방법보다 적용 가능한 시뮬레이션 영역이 확대 된다.The relocation rules of the Lattice Boltzmann model provided by the conventional method are already determined on the basis of the characteristics of the induction method, and there is no room for the parameters to be adjusted. However, the relocation rules provided by the present invention can control parameters by different induction methods As a result, the applicable simulation area is wider than the existing method.

도 1은 이산 입자 속도를 각각

Figure 112014500353218-pat00058
로 갖는 - 단, θ 0는 상수이고
Figure 112014500353218-pat00006
는 변수인 - 일차원 공간 모델의 재배치 규칙
Figure 112014500353218-pat00059
이 음이 아닌 값을 갖는 구역을 음영으로 표현한 그래프이다. 가로축은
Figure 112014500353218-pat00060
이고, 세로축은
Figure 112014500353218-pat00082
이다. 단, u 는 거시적 속도이다.
특히
Figure 112014500353218-pat00102
일 때, 재배치 규칙이 음이 아닌 값을 갖는
Figure 112014500353218-pat00062
의 범위가 가장 크다. 또한, 재배치 규칙
Figure 112014500353218-pat00012
가 0이 되는
Figure 112014500353218-pat00063
의 값을 z i 라고 할 때, 음영 부분의 경계를 이루는 세개의 곡선은 각각 z 1 , z 2 , z 3에 해당한다.Figure 1 shows the discrete particle velocities
Figure 112014500353218-pat00058
Having a - stage, θ 0 is a constant and
Figure 112014500353218-pat00006
Is a variable - a relocation rule for one-dimensional spatial models
Figure 112014500353218-pat00059
This is a graph in which shaded regions have non-negative values. The horizontal axis
Figure 112014500353218-pat00060
And the vertical axis indicates
Figure 112014500353218-pat00082
to be. However, u is the macroscopic speed.
Especially
Figure 112014500353218-pat00102
, The relocation rule has a non-negative value.
Figure 112014500353218-pat00062
Is the largest. In addition,
Figure 112014500353218-pat00012
Becomes zero
Figure 112014500353218-pat00063
And z i , the three curves forming the boundary of the shadow part correspond to z 1 , z 2 and z 3 , respectively.

본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세히 설명한다. 수학식에 사용되는 상징 문자의 정의는 별다른 설명이 없을 경우, 그 문자의 이전 출현 시 정의를 인용한다.Preferred embodiments of the present invention will be described in more detail. The definition of symbolic characters used in the mathematical expressions, unless otherwise stated, quotes the definition of the preceding occurrence of the character.

가상 입자의 이동은 앞으로 정의될 재배치 규칙을 이용하여 수학식 1에 따른다.The movement of the virtual particle follows Equation 1 using the rearrangement rule to be defined in the future.

[수 1][Number 1]

Figure 112014500353218-pat00052
Figure 112014500353218-pat00052

단, f i (x,t)는 어떤 주어진 위치 х와 시간 t에서 가상 입자 한 개가 i번째 이산 속도 υ i 를 가질 확률에 물리량인 밀도를 곱한 값이고, R i (x,t)는 хt에서의 υ i 에 대한 재배치 규칙, △t는 시간 간격, ω i 는 상수이다. 상설하면, 시간 t + △t이고 위치 х + υ i 일 때, υ i 를 갖는 가상 입자의 밀도는

Figure 112014500353218-pat00091
이며, 이 값은 시간 t와 위치 х에서 υ i 를 갖는 가상 입자의 밀도 f i (x,t)와 재배치 규칙 R i (x,t)의 값으로부터 관계식
Figure 112014500353218-pat00092
으로 얻어진다. 거시적 물리량은 f i (x,t)로부터 구할 수 있는데, 예를 들면, 어떤 주어진 х, t에서 밀도 ρ(x,t)는
Figure 112014500353218-pat00083
이고, 속도 u(x,t)는
Figure 112014500353218-pat00084
이고, 온도 T(x,t)는
Figure 112014500353218-pat00085
이다. 단, q는 가상 입자가 가질 수 있는 이산 입자 속도의 갯수이고, m은 입자 질량, k는 볼츠만 상수이다. 래티스 볼츠만 방법의 성능을 결정하는 중요한 요소 중 하나는 재배치 규칙 R i (x,t)이다. 앞으로 혼동의 여지가 없는 한, 어떤 주어진 위치 х와 시간 t는 생략한다. 예를 들면, R i (x,t)는 R i 로 간략하게 쓴다.However, f i (x, t) is multiplied by the quantity of density in the probability that the virtual particles dog i th discrete velocity υ i at a given location х and time t, R i (x, t ) is х and The relocation rule for υ i at t , Δt is the time interval, and ω i is a constant. If permanent, and the time t + △ t when position х + υ i, the density of the virtual particles having υ i is
Figure 112014500353218-pat00091
And, the value of relation from the value of time t, and density of the virtual particles having υ i in position х f i (x, t) and the relocation rule R i (x, t)
Figure 112014500353218-pat00092
. The macroscopic physical quantity can be obtained from f i ( x , t ), for example, density ρ ( x , t ) at any given х , t
Figure 112014500353218-pat00083
, And the velocity u ( x , t ) is
Figure 112014500353218-pat00084
, And the temperature T ( x , t ) is
Figure 112014500353218-pat00085
to be. Where q is the number of discrete particle velocities that the hypothetical particle can have, m is the particle mass, and k is the Boltzmann constant. One of the important factors determining the performance of the Lattice Boltzmann method is the relocation rule R i ( x , t ). As long as there is no confusion in the future, any given position х and time t are omitted. For example, R i ( x , t ) is abbreviated as R i .

본 발명이 제시하는 재배치 규칙은 일 실시예로서 다음과 같이 구할 수 있다. 먼저 논의의 편의를 위해 1차원 공간으로 제한한다. 2차원 및 3차원 공간에서의 재배치 규칙은 직접 구하는 방법 이외에, 1차원 공간에서 얻은 재배치 규칙의 텐서곱으로도 나타낼 수 있다. 우선 매개 변수가 포함된 재배치 규칙은 수학식 2를 만족하는 R i 이다.The relocation rule proposed by the present invention can be obtained as an embodiment as follows. For the convenience of discussion, we limit it to one-dimensional space. The relocation rules in two-dimensional and three-dimensional spaces can be represented by the tensor product of the relocation rule obtained in the one-dimensional space, in addition to the method of direct retrieval. First, the relocation rule including the parameter is R i satisfying the equation (2).

[수 2][Number 2]

Figure 112014500353218-pat00053
Figure 112014500353218-pat00053

단,

Figure 112014500353218-pat00054
, 즉, 입자 속도 υ에 대한 d차원 공간에서의 맥스웰-볼츠만(Maxwell-Boltzmann) 속도 분포이고, θ = kT/m, ρ는 밀도, nq보다 작거나 같은 자연수를 가지며(i = 1,2,...,q), 입자 속도 υ와 이산 입자 속도 υ i 는 텐서량으로서 임의의 d차원 공간에서 직교 좌표계의 j번째 방향(j = 1,2,...,d)을 х j 라고 하고 그 방향 속도 성분을 υ хj 라고 하면,
Figure 112014500353218-pat00086
이고 n = n 1 + n 2 + … +n d 이며 n j 는 음이 아닌 정수이다. 따라서, 위의 정의의 이해를 돕고자 예를 들면, 2차원 공간에서
Figure 112014500353218-pat00087
의 세가지 경우를 모두 나타낸다.only,
Figure 112014500353218-pat00054
Boltzmann velocity distribution in the d- dimensional space with respect to the particle velocity v , θ = kT / m , ρ is density, n is a natural number less than or equal to q ( i = 1, 2, ..., q), particle velocity υ and discrete particle velocity υ i is the j-th direction of the Cartesian coordinate system at an arbitrary d-dimensional space as a tensor quantity (j = 1,2, ..., d ) to j х Speaking of the its velocity component that υ хj,
Figure 112014500353218-pat00086
N = n 1 + n 2 + + n d and n j is a non-negative integer. Therefore, to help understand the definition above, for example, in a two-dimensional space
Figure 112014500353218-pat00087
Of all three cases.

하나의 실시예로서 1차원 공간에서 q = 3일 때, 등온 유체의 경우를 생각하면, 온도는 어떤 상수 θ 0로 고정되어, θ = θ 0이고, υ i

Figure 112014500353218-pat00101
로 정의하면, 재배치 규칙은 수학식 3과 같다.As an example, when q = 3 in a one-dimensional space, considering the case of an isothermal fluid, the temperature is fixed to some constant θ 0 , θ = θ 0 , and υ i
Figure 112014500353218-pat00101
, The rearrangement rule is expressed by Equation (3).

[수 3][Number 3]

Figure 112014500353218-pat00055
Figure 112014500353218-pat00055

단,

Figure 112014500353218-pat00093
이다. 이 예에서와 달리 일반적으로는 비등온 유체의 경우에 사용 가능하다. 예를 들어, 이산 입자 속도 υ i υ 1 = 0, υ 2 = a, υ 3 = -a, υ 4 = b, υ 5 = -b 같은, 단, ab, 경우이다.only,
Figure 112014500353218-pat00093
to be. Unlike in this example, it is generally usable for non-isothermal fluids. For example, the discrete particle velocity υ i is such that υ 1 = 0, υ 2 = a, υ 3 = - a , υ 4 = b , υ 5 = - b , where ab .

다음으로, 매개 변수

Figure 112014500353218-pat00067
를 정하는 하나의 방법이다. 편의를 위해서 무차원 변수
Figure 112014500353218-pat00024
를 정의한다. 재배치 규칙을
Figure 112014500353218-pat00068
에 대한 함수로 보고 매개 변수를
Figure 112014500353218-pat00069
로 하면, 모든 i에 대하여
Figure 112014500353218-pat00027
를 만족하는 영역에서
Figure 112014500353218-pat00070
의 범위가 최대일 때의
Figure 112014500353218-pat00071
값을 사용하여 재배치 규칙을 만드는 것이다. 도면 1에서 회색 음영에 해당 하는 부분이
Figure 112014500353218-pat00088
인 영역이다. 살피건데,
Figure 112014500353218-pat00094
일 때, 모든 i에 대하여
Figure 112014500353218-pat00032
Figure 112014500353218-pat00073
의 범위가 가장 넓음을 알 수 있다. 재배치 규칙
Figure 112014500353218-pat00034
의 해를 z i 라고 하자. 이를 구하면 z i
Figure 112014500353218-pat00074
에 대한 함수
Figure 112014500353218-pat00095
로 표현되는데, 도면 1에서
Figure 112014500353218-pat00096
는 각각 음영 부분의 경계를 이루는 얇은 실선(검정), 굵은 실선(파랑), 점선(빨강) 곡선에 해당한다. 결국, 매개 변수를
Figure 112014500353218-pat00097
로 정하면 가장 넓은 범위의
Figure 112014500353218-pat00080
에서 재배치 규칙은 음이 아닌 값을 갖고, 따라서 시뮬레이션 적용 가능한 범위가 확대되고, 안정적인 래티스 볼츠만 모델이 된다. 종래의 기술은, 예를 들면, 그 유도 방법의 특성상
Figure 112014500353218-pat00098
으로 결정된 채로 도출된 재배치 규칙을 사용한다.Next, the parameters
Figure 112014500353218-pat00067
. For convenience, dimensionless variables
Figure 112014500353218-pat00024
. Relocation rules
Figure 112014500353218-pat00068
See the function as a parameter
Figure 112014500353218-pat00069
For all i,
Figure 112014500353218-pat00027
Lt; RTI ID = 0.0 >
Figure 112014500353218-pat00070
When the range of
Figure 112014500353218-pat00071
Value to create a relocation rule. In Figure 1, the portion corresponding to the gray shade
Figure 112014500353218-pat00088
Lt; / RTI > Look,
Figure 112014500353218-pat00094
, For all i
Figure 112014500353218-pat00032
sign
Figure 112014500353218-pat00073
Is the largest. Relocation rule
Figure 112014500353218-pat00034
Let z i be the solution. If we obtain this, z i
Figure 112014500353218-pat00074
Functions for
Figure 112014500353218-pat00095
1, < / RTI >
Figure 112014500353218-pat00096
Corresponds to a thin solid line (black), a thick solid line (blue), and a dotted line (red) curve, which form the boundary of each shading portion. After all,
Figure 112014500353218-pat00097
The largest range of
Figure 112014500353218-pat00080
, The relocation rule has a nonnegative value, so that the applicable range of the simulation is expanded and becomes a stable Lattice Boltzmann model. The prior art is, for example,
Figure 112014500353218-pat00098
And the reallocation rule derived from the decision.

2차원 및 3차원 공간에서 작동하는 모델도 수학식 2를 통하여 직접 구할 수 있으나, 일차원 공간에서 작동하는 상기 모델의 텐서곱을 이용하여 확장하는 방법으로 얻을 수도 있다. 예를 들어, 상기 1차원 q = 3인 모델을 이용해서, 2차원 q = 9인 모델을 도출해 보면, 이산 입자 속도는 c 1 = (υ 1,υ 1), c 2 = (υ 1,υ 2), c 3 = (υ 1,υ 3), c 4 = (υ 2,υ 1), c 5 = (υ 2,υ 2), c 6 = (υ 2,υ 3), c 7 = (υ 3,υ 1), c 8 = (υ 3,υ 2), c 9 = (υ 3,υ 3)이다. 같은 방법으로, q = 27인 3차원 이산 입자 속도는 (υ i ,υ j ,υ k )과 같은 형식으로 얻을 수 있다. 2차원 모델의 해당 재배치 규칙은

Figure 112014500353218-pat00043
로 표현되고, 3차원 모델의 해당 재배치 규칙은
Figure 112014500353218-pat00089
과 같다. 2차원 모델 설명에서 속도 c l의 아랫첨자 l이 재배치 규칙
Figure 112014500353218-pat00045
아랫첨자 l에 상응하고, 영문자 c
Figure 112014500353218-pat00046
는 편의상 도입한 것이며, 일반적으로 차원에 관계없이 υ
Figure 112014500353218-pat00047
로 나타낼 수 있음을 강조하기 위하여 순서쌍을 단일 문자로 표현하기 위해 도입하였다.A model operating in two-dimensional and three-dimensional space can also be directly obtained through Equation (2), but can also be obtained by extending by using a tensor product of the model operating in a one-dimensional space. For example, the 1-D using a q = 3 model, look derive a two-dimensional q = 9 model, the discrete particle velocity is c 1 = (υ 1, υ 1), c 2 = (υ 1, υ 2), c 3 = (υ 1, υ 3), c 4 = (υ 2, υ 1), c 5 = (υ 2, υ 2), c 6 = (υ 2, υ 3), c 7 = a (υ 3, υ 1), c 8 = (υ 3, υ 2), c 9 = (υ 3, υ 3). In the same way, the three-dimensional discrete particle velocities q = 27 can be obtained in the same way as ( υ i , υ j , υ k ). The corresponding relocation rule of the two-dimensional model is
Figure 112014500353218-pat00043
And the corresponding relocation rule of the three-dimensional model is expressed as
Figure 112014500353218-pat00089
Respectively. In the two-dimensional model description, the subscript l of the velocity c l is replaced by the relocation rule
Figure 112014500353218-pat00045
Corresponds to the subscript l, and the letters c and
Figure 112014500353218-pat00046
Is generally introduced for convenience, and regardless of dimension, υ and
Figure 112014500353218-pat00047
In order to emphasize that it can be expressed as a single character.

Claims (4)

유체가 유동하는 공간을 규칙적인 간격의 격자로 이산화하는 단계;
상기 유체 입자들이 상기 격자 상에서 반복적으로 이동 및 충돌하는 것을 가정하는 단계;
상기 입자가 가질 수 있는 이산 입자 속도 집합을 유한집합으로 가정하는 단계;
상기 이산 입자 속도를 매개 변수로 갖는 재배치 규칙을 구하는 단계;
시뮬레이션에서 요구되는 거시적 속도와 온도의 변화 범위에 대해 실수로서 음이 아닌 값을 유지하도록 매개 변수를 정하는 단계; 및
이를 이용하여 래티스 볼츠만 모델을 도출하는 단계를 포함하는 유체 유동 시뮬레이션 방법.
Discretizing the space in which the fluid flows into a regularly spaced lattice;
Assuming that the fluid particles repeatedly move and collide on the grating;
Assuming that a set of discrete particle velocities that the particle may have is a finite set;
Obtaining a relocation rule having the discrete particle velocity as a parameter;
Determining a parameter to maintain a non-negative value as a real number for a range of changes in the macro speed and temperature required in the simulation; And
And deriving a Lattice Boltzmann model using the method.
제 1항에 있어서, 이산 입자 속도를 매개 변수로 갖는 재배치 규칙을 구하는 단계는,
아래와 같은 조건식을 이용하여 재배치 규칙을 도출하는 단계를 더 포함하고,
Figure 112015046883560-pat00056

단, 조건식의 갯수는 이산 입자 속도 집합 원소의 갯수 q와 공간 차원의 수에 따라 결정되는데, nq보다 작거나 같은 자연수를 가지며(i = 1,2,...,q), 입자 속도 υ와 이산 입자 속도 υi 는 텐서량으로서 임의의 d차원 공간에서 직교 좌표계의 j번째 방향(j = 1,2,...,d)을 хj 라고 하고 그 방향 속도 성분을 υхj 라고 하면,
Figure 112015046883560-pat00048
이고 n = n 1 + n 2 + … + nd 이며 nj 는 음이 아닌 정수인 것이어서, 조건식의 갯수는 가능한 모든 nnj 의 구성 방법의 수보다 작거나 같고, Ri (x,t)는 상기 이산 입자 속도 집합의 원소 υi 에 대한 재배치 규칙으로서 아래의 식에서 사용되는데,
Figure 112015046883560-pat00057

단, fi (x,t)는 어떤 주어진 위치 х와 시간 t에서 가상 입자 한 개가 i번째 이산 입자 속도 υi 를 가질 확률에 밀도를 곱한 값이고, Ri (x,t)는 хt에서의 υi 에 대한 재배치 규칙, △t는 시간 간격, ωi 는 상수이다. 시간 t + △t이고 위치 х + υi 일 때, υi 를 갖는 가상 입자의 밀도는
Figure 112015046883560-pat00099
이며, хt에서 υi 를 갖는 가상 입자의 밀도 fi (x,t)와 재배치 규칙 Ri (x,t)의 값으로부터, 관계식
Figure 112015046883560-pat00100
으로 얻고, 또한,
Figure 112015046883560-pat00090
, 즉, 입자 속도 υ에 대한 d차원 공간에서의 맥스웰-볼츠만(Maxwell-Boltzmann) 속도 분포이고, θ = kT/m, ρ(x,t)는 хt에서의 밀도인 것을 특징으로 하는 유체 유동 시뮬레이션 방법.
2. The method of claim 1, wherein obtaining a relocation rule having a discrete particle velocity as a parameter comprises:
Further comprising the step of deriving a relocation rule using the following conditional expression,
Figure 112015046883560-pat00056

The number of conditional expressions is determined by the number of discrete particle velocity set elements q and the number of spatial dimensions, where n is a natural number less than or equal to q ( i = 1, 2, ..., q ) υ and the discrete particle velocity υ i are the tensor amounts in the arbitrary d- dimensional space and the j- th direction ( j = 1, 2, ..., d ) of the Cartesian coordinate system is х j and the direction velocity component is υ хj ,
Figure 112015046883560-pat00048
N = n 1 + n 2 + + n d where n j is a nonnegative integer such that the number of conditional equations is less than or equal to the number of possible configurations of all n and n j and R i ( x , t ) is the element of the discrete particle velocity set υ i Is used in the following equation as a rearrangement rule,
Figure 112015046883560-pat00057

However, f i (x, t) is the value dog virtual particles at a given location х and time t multiplied by the density of the probability that the i-th discrete particle velocity υ i, R i (x, t) is х and t relocating rules for υ i in, △ t is a time interval, ω i is a constant. At time t +? T and at position x + v i , the density of virtual particles with v i is
Figure 112015046883560-pat00099
, And density of the virtual particles having at х υ i and f i t (x, t) and from the value of a relocation rule R i (x, t), equation
Figure 112015046883560-pat00100
, And further,
Figure 112015046883560-pat00090
, That is, Maxwell in d-dimensional space for the particle velocity υ - is Boltzmann (Maxwell-Boltzmann) velocity profile, θ = kT / m, ρ (x, t) is a fluid, characterized in that the density of the х and t Flow simulation method.
제 1항에 있어서, 매개 변수를 정하는 단계는,
편의를 위하여 밀도를 나눈 재배치 규칙
Figure 112014500353218-pat00103
를 어떤 주어진 위치 х와 시간 t에서 유체의 거시적 속도 u와 온도 θ의 함수로, 이산 입자 속도 υ i 를 매개 변수로 고려하여, υ i 를 조절함에 따라
Figure 112014500353218-pat00050
가 음이 아닌 값을 갖는 uθ의 범위가 변하는데, 이 범위가 어떤 주어진 요구조건에 들어올 때의 υ i 값을 재배치 규칙의 매개 변수 값으로 정하거나,
Figure 112014500353218-pat00051
가 음이 아닌 값을 갖는 uθ의 범위가 특정 지점을 포함하면서 최대한 넓은 범위를 갖는 때의 υ i 값을 재배치 규칙의 매개 변수 값으로 정하는 것을 특징으로 하는 유체 유동 시뮬레이션 방법.
2. The method of claim 1,
Relocation rule dividing density for convenience
Figure 112014500353218-pat00103
As a function of the macroscopic velocity u and temperature θ of the fluid at any given position х and time t , by considering the discrete particle velocity υ i as a parameter and by adjusting υ i
Figure 112014500353218-pat00050
The range of u and θ with non-negative values varies, and when this range falls into any given requirement, υ i You can set the value as the parameter value of the relocation rule,
Figure 112014500353218-pat00051
Υ i when the range of u and θ with non-negative values has the widest range including a specific point Value is determined as the parameter value of the rearrangement rule.
제 1항에 따른 방법을 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록된 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체.A computer-readable recording medium on which a computer program for performing the method according to claim 1 is recorded.
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