WO2004088563A1 - Fluid analyzing method - Google Patents

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WO2004088563A1
WO2004088563A1 PCT/JP2004/004529 JP2004004529W WO2004088563A1 WO 2004088563 A1 WO2004088563 A1 WO 2004088563A1 JP 2004004529 W JP2004004529 W JP 2004004529W WO 2004088563 A1 WO2004088563 A1 WO 2004088563A1
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WO
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fluid
interface
unknown
fluids
interface function
Prior art date
Application number
PCT/JP2004/004529
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French (fr)
Japanese (ja)
Inventor
Junichi Matsumoto
Akira Tezuka
Takeshi Suzuki
Akila Sasamoto
Original Assignee
National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology filed Critical National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology
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Publication of WO2004088563A1 publication Critical patent/WO2004088563A1/en

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Classifications

    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/23Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2111/00Details relating to CAD techniques
    • G06F2111/10Numerical modelling

Definitions

  • the present invention relates to a fluid analysis method, a fluid analysis program, and a fluid analysis device for performing a numerical simulation of a free surface flow based on an interface ⁇ in capture method in a numerical solution method for a free surface problem.
  • the problem of a flow with a free surface is called the moving boundary problem as a more general classification, and the interface trapping method and the interface tracking method have been developed as methods for dealing with the moving boundary surface.
  • the interface tracking method includes, for example, the ALE method developed by CW Hirt et al. In 1972 and the Space-Time method developed by R. Bonnerot et al. In 1977. .
  • This interface tracking method is effective because it can represent the interface more accurately.
  • the computational mesh on the free surface (interface) moves along with the fluid particles, the free surface (interface) is used when expressing the moving boundary. If the moves greatly, the distortion of the calculation mesh becomes large, and the calculation becomes difficult. In addition, the computational mesh must be changed at every hour step, which complicates the algorithm (for example, the Numerical Computational Fluid Dynamics Editing Committee, 4 Moving Boundary Flow Analysis, The University of Tokyo Press, 199 March 10, 2005.)
  • the interface capture method uses a fixed computational mesh, a force S that requires special processing when expressing the moving boundary, and a simple algorithm because the computational mesh does not change every hour. This is advantageous for the phenomenon that the interface greatly fluctuates.
  • the VOF (Volume of Fluid) method was launched in 1981 by CW Hirt et al. (For example, CW H irtand BD N ichols
  • Equation (1) and Eq. (2) which is the governing equation of a fluid, physical properties (density p, viscosity coefficient of fluid (fluid ⁇ , The fluid ⁇ ), the advection equation (Equation (3)) below with the interface function ⁇ as an unknown quantity, the interface function ⁇ is defined, and the physical property values are defined using the defined interface function ⁇ .
  • This is an interface capture method that calculates by the following equations (4) and (5) and determines the interface.
  • the velocity component, p is pressure, and fi is external force.
  • Equations (4) and (5) p A is the density of fluid A, p B is the density of fluid B, / ⁇ is the viscosity coefficient of fluid A, and ⁇ ⁇ ⁇ is the viscosity coefficient of fluid B.
  • the problem is how to accurately obtain the interface function.
  • the S FEZ IC method was developed in 2000 by S. Aliabadi et al.
  • This SFE / IC? Le 'method is a method of remodeling a function with a broken discontinuous distribution obtained by numerical calculation into a sharp distribution (for example, S. Aliabadiand TE Te du duar, S tabi—lized—F inite—Ele ment / lnterface—Capturing Te chnique for Pararel C omp utationof Un steady F lows with Interface, Computer Me thodsin Ap plied Me chanicsand Eng ineering, 2000, 190, pp. 243—see pp. 261.).
  • Le vel S e The t method is a method to evaluate interfaces by introducing a distance function with a smooth distribution instead of solving an interface function with a discontinuous distribution. Since this solution calculates a smooth function, it is possible to evaluate the interface with high accuracy (for example, M. Susman, P. Smereka, and S. O sher, A. evel S et Ap proach for Computing S o1 utionsto Incos ressible Two—Phase Flow, Journal of Computational Physics, 1994, 114, pp. 146—pp. 159).
  • a CIP (Cubic-InterpolpalatepRopatagation) method has been developed.
  • FIG. 45 the effect of the calculation results when the evaluation of the interface function ⁇ on the discontinuous surface when the VOF method is applied will be described using a model shown in FIG. 45.
  • the air in the water rises toward the free surface (water surface).
  • the calculation results of the analysis model in FIG. 45 are as shown in FIG.
  • Fig. 46 the accuracy of the interface function having a discontinuous distribution is poor, and as the calculation proceeds, the interface force S between two fluids, that is, air and water, is blurred, and exactly two This means that the fluid interface has not been calculated.
  • the SFE / IC method is remodeled from the distribution of the broken interface function ⁇ , and is gradually affected by the broken distribution.
  • FIG. 47 (a) from the initial conditions shown in FIG. 47 (a), the distribution shape is deformed as shown in FIGS. 47 (b) and 47 (c), and the interface function ⁇ The shape could not be maintained, and the interface function ⁇ could not be calculated accurately.
  • the interface function ⁇ under the initial conditions shown in Fig. 48 (a) becomes as shown in Fig. 48 (b). Even after one cycle, the shape of the interface function ⁇ is maintained even after five cycles, as shown in Fig. 48 (c), and accurate calculations can be performed for the discontinuous function. be able to.
  • the interface function obtained via the digitizer method described above shows that the value of the interface function ⁇ corresponding to fluids A and B is , 1 and 0, which are extremely discontinuous functions. Since the finite element method divides an arbitrary region into a mesh with a finite shape such as a triangle or a tetrahedron, if this function is evaluated as an interface as it is, the interface between the two fluids, air and water, This results in a rattling interface as shown in Fig. 49.
  • the interface has a smooth distribution with a certain curvature due to the effect of surface tension. Due to this surface tension, when an extremely discontinuous interface function is used, the interface is rattled, and the evaluation taking into account the effect of the surface tension on the interface cannot be performed. As a result, the calculation becomes rather unstable. However, the obtained result does not represent the actual phenomenon. In addition, if iterative calculation was performed using this method, calculation could not be performed, and there was a problem that fluid analysis could not be performed.
  • the present invention solves the above-mentioned problems of the prior art by accurately calculating an interfacial function having a discontinuous distribution by a simple and versatile method, and furthermore, a surface between fluids having different physical properties.
  • An object of the present invention is to provide a fluid analysis method, a fluid analysis program, and a fluid analysis device that can incorporate the smoothness of an interface caused by tension into an interface function. Disclosure of the invention
  • a fluid analysis method uses advection equations based on known physical property values of each fluid forming an interface, to obtain a first fluid near an interface between the fluids.
  • an interface function having a discontinuous distribution can be converted into an interface function corresponding to an actual interface state between fluids.
  • the above-mentioned fluid analysis method uses the advection equation to calculate the following based on known physical property values of each of the fluids forming the interface, and an interface function converted in the interface function conversion step. Calculating a second unknown property value in the vicinity of the interface between the fluids, a second unknown property value calculation step, and a second unknown property value calculated in the second unknown property value calculation step using the governing equation of the fluid.
  • a second unknown fluid behavior representing a behavior in the vicinity of the interface between the fluids, based on the unknown physical property value and the first unknown fluid behavior value calculated in the first unknown fluid behavior value calculation step
  • a second unknown fluid behavior value calculating step of calculating the value is advection equation to calculate the following based on known physical property values of each of the fluids forming the interface, and an interface function converted in the interface function conversion step.
  • the above-mentioned fluid analysis method uses the advection equation to calculate a first unknown property value near the interface between the fluids based on the known property values of the respective fluids forming the interface.
  • a first unknown physical property value calculated in the first unknown physical property value calculating step using a physical property value calculating step and a governing equation of the fluid; a surface tension coefficient of one of the fluids; and the interface A first unknown fluid behavior value calculation step of calculating a first unknown fluid behavior value representing a behavior in the vicinity of the interface between the fluids, based on a curvature function representing a curvature of and a digitizer method.
  • the said world The interface function conversion step of converting the interface function calculated by the function calculation process, it is also possible that contains.
  • an interface function having a discontinuous distribution can be converted into an interface function corresponding to an actual interface state between fluids affected by surface tension.
  • the second unknown in the vicinity of the interface between the fluids based on the known physical property values of each of the fluids forming the interface and the interface function converted in the interface function conversion step, using the advection equation
  • a fluid analysis program causes a computer to execute the fluid analysis method according to any one of the above.
  • the fluid analysis method according to any one of the above aspects can be realized by computer processing.
  • the fluid analysis device includes a data storage unit for storing a known physical property value representing a property of the fluid for each fluid, and two fluids to be analyzed, and the known physical property value of the selected fluid is determined.
  • An interface function conversion means for converting the interface function calculated by the interface function calculation means, and an advection equation, and A material for calculating a physical property value in the vicinity of the interface between the fluids based on the physical property value of the extracted fluid and the interface function converted by the interface function converting unit. And a calculating means.
  • an interface function having a discontinuous distribution can be converted into an interface function corresponding to an actual interface state between fluids.
  • the data storage unit further stores a surface tension coefficient for each of the fluids
  • the data extraction unit further includes a data storage unit for the fluid selected by the fluid selection unit.
  • One of the surface tension coefficients is extracted from the data storage means, and the fluid behavior value calculation means uses the governing equation of the fluid, and further, any one of the surface tension coefficients is extracted from the data extraction means.
  • the interface function converted by the interface function conversion means, and the curvature at the interface between the fluids obtained from the converted interface function.
  • the method is characterized by calculating a fluid behavior value representing the behavior at.
  • an interface function having a discontinuous distribution can be converted into an interface function corresponding to an actual interface state between fluids affected by surface tension.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a hardware configuration of a fluid analysis device according to the embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a functional configuration of the fluid analysis device according to the embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a block diagram illustrating a fluid information table stored in a data storage unit in the fluid analyzing apparatus according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a block diagram of the present invention.
  • FIG. 5 is a flowchart showing a pre-processing procedure in the fluid analysis device according to the embodiment;
  • FIG. 5 is a flowchart showing a fluid analysis processing procedure in the fluid analysis device according to the embodiment of the present invention;
  • FIG. 5 is a flowchart showing a fluid analysis processing procedure in the fluid analysis device according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a flowchart showing a fluid analysis processing procedure in the fluid analysis device according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a flowchart showing the VOF method using the analysis model of FIG. 45 as an example.
  • FIG. 8 is an analysis model of the fourth 5 view the example
  • FIG. 9 is a comparison diagram between the flow model and the digitizer method and the fluid analysis according to the present embodiment.
  • FIG. 9 shows an example of the analysis model shown in FIG. Fig. 10 is a comparison diagram of the VOF method, the VOF method + the digitizer method, and the fluid analysis according to the present embodiment, taking the analysis model of Fig. 45 as an example. Yes, FIG.
  • FIG. 11 is a comparison diagram of the VOF method, the VOF method + the digitizer method, and the fluid analysis according to the present embodiment, taking the analysis model of FIG. 45 as an example
  • FIG. Fig. 13 is a comparison diagram of the VOF method, the VOF method + the digitizer method, and the fluid analysis according to the present embodiment, taking the analysis model of the figure as an example.
  • Fig. 13 shows the analysis model of Fig. 45 as an example.
  • FIG. 14 is a comparison diagram of the VOF method, the VOF method + the digitizer method, and the fluid analysis according to the present embodiment.
  • FIG. 14 shows the analysis model of FIG. Fig.
  • FIG. 15 is a comparison diagram between the VOF method, the VOF method + the digitizer method, and the fluid analysis according to the present embodiment, and Fig. 15 shows the VOF method and the VO method using the analysis model in Fig. 45 as an example.
  • Fig. 16 is a comparison diagram between the F method + digitizer method and the fluid angle drought according to the present embodiment.
  • Fig. 16 shows the VOF method, VOF method + digitizer method
  • FIG. 17 is a comparison diagram with the fluid analysis according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 17 shows an example of the VOF method, the VOF method and the digitizer method, and the fluid analysis according to the present embodiment.
  • Fig. 18 is an explanatory diagram showing an analysis model of the bubble flow in water.
  • FIG. 19 is a case where the bubble shape (Spherica 1) is taken as an example in the analysis model of Fig. 18.
  • Fig. 20 is an explanatory diagram showing the behavior of the fluid.
  • Fig. 20 shows an example of the bubble shape (Sk irted) in the analysis model of Fig. 18.
  • Fig. 21 is an explanatory diagram showing the behavior of the fluid in the case.
  • Fig. 21 is an explanation showing a model for analyzing the behavior of the fluid inside the converter in which pure oxygen gas flows at high speed from the lance to produce metals such as iron and copper.
  • FIG. 22 is an explanatory diagram showing the flow velocity vector inside the converter in the analysis model of FIG. 21.
  • FIG. 23 is a diagram showing the flow velocity inside the converter in the analysis model of FIG. FIG.
  • FIG. 24 is an explanatory diagram showing a vector
  • FIG. 24 is an explanatory diagram showing a flow velocity vector inside a converter in the analysis model of FIG. 21, and
  • FIG. 25 is a diagram showing a conversion vector in the analysis model of FIG.
  • FIG. 26 is an explanatory diagram showing flow velocity vectors inside the furnace.
  • FIG. 11 is an explanatory diagram showing the flow velocity vector inside the converter in the analysis model of Fig. 21.
  • Fig. 27 shows the flow velocity vector inside the converter in the analysis model of Fig. 21.
  • Fig. 28 is an explanatory diagram showing the flow velocity vector inside the converter in the analysis model of Fig. 21.
  • Fig. 29 is an explanatory diagram of the analysis model of Fig. 21.
  • FIG. 30 is an explanatory diagram showing a flow velocity vector inside the converter.
  • FIG. 30 is an explanatory diagram showing a flow velocity vector inside the converter in the analysis model of FIG. 21.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram showing a model for analyzing the behavior of a fluid that ejects ink from a force.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram showing a model for analyzing the behavior of a fluid that ejects ink from a force.
  • FIG. 32 is a mesh diagram divided into fixed meshes in the angular analysis model of FIG. .
  • FIG. 33 is an explanatory diagram showing a gas-liquid interface in the analysis model of FIG. 31;
  • FIG. 34 is an explanatory diagram showing a gas-liquid interface in the analysis model of FIG. 31;
  • FIG. 35 is an explanatory diagram showing a gas-liquid interface in the analysis model of FIG. 31.
  • FIG. 36 is an explanatory diagram showing a gas-liquid interface in the analysis model of FIG.
  • FIG. 37 is an explanatory diagram showing a gas-liquid interface in the analysis model of FIG. 31.
  • FIG. 38 is an explanatory diagram showing a gas-liquid interface in the analysis model of FIG. FIG.
  • FIG. 39 is an explanatory diagram showing a gas-liquid interface in the analytical model of FIG. 31.
  • FIG. 40 is an explanatory diagram showing an analytical model of an interface between fluids and fluids. The figure is an explanatory view showing a function as an example of analysis in FIG. 40, and FIG. 42 is a graph obtained by expanding the function in FIG. 41 into xy coordinates.
  • FIG. 43 is an explanatory diagram showing a function as an example of analysis when the stabilized bubble function method is applied in the analysis model of FIG. 40, and FIG. In the analysis model shown in the figure, it is an explanatory diagram showing a function as an example of analysis when the finite element method is applied.
  • Fig. 45 is an explanatory diagram showing an analytical model showing a flow state of bubbles in water.
  • FIG. 46 is an explanatory diagram showing a gas-liquid interface and a flow velocity vector when the VOF method + stabilized bubble function method is applied in the analysis model of FIG. 45.
  • FIG. 48 is an explanatory diagram showing a function that is an example of analysis when the SF EZ IC method is applied to the analysis model of FIG. 40.
  • FIG. 48 is a diagram illustrating the VO F in the analysis model of FIG.
  • FIG. 49 is an explanatory diagram showing a function which is an example of analysis when the method + digitizer method is applied.
  • FIG. 12 is an explanatory diagram showing a flow velocity vector when the Tiza method is applied.
  • the VOF method is used to handle complex interfaces
  • the CIP method is proposed to calculate an accurate free surface.
  • the digitizer method adopted is a finite element method (stabilized bubble function Method). Also, when incorporating the digitizer method using the finite element method, a smoothing method that can accurately represent the interface evaluation method when calculating using the finite element method is adopted.
  • the fluid analyzer 1 includes a CPU 101, a ROM 102, a RAM 03, an HDD (hard disk drive) 104, an HD (hard disk) 105, an FDD (flexible disk drive) 106, and an example of a removable recording medium.
  • An FD (flexible disk) 107, a display 108, an IZF (interface) 109, a keyboard 110, a mouse 111, a scanner 112, and a printer 113 are provided. Each component is connected by a bus 100.
  • the CPU 101 governs overall control of the fluid analysis device 1.
  • the ROM 102 stores programs such as a boot program.
  • RAMI 03 is used as a work area of CPU 101.
  • the HDD 104 controls read / write Z of data to / from the HD 105 under the control of the CPU 101.
  • the HD 105 stores data written under the control of the HDD 104.
  • the FDD 106 controls reading / writing of data from / to the FD 107 under the control of the CPU 101.
  • the FD 107 stores the data written under the control of the FDD 106 and reads the data stored in the FD 107 into the fluid analysis device 1. Or take it.
  • the removable recording medium may be a CD-ROM (CD-R, CD-RW), MO, DVD (Digital Versati 1 e Disk), a memory card, or the like.
  • the display 108 displays data such as a document, an image, and function information, including a cursor, an icon, or a tool box.
  • a CRT, a TFT liquid crystal display, a plasma display, or the like can be adopted.
  • the IZF 109 is connected to a network such as the Internet via a communication line, and is connected to other devices via this network.
  • the IZF 109 manages a network and an internal interface, and controls input / output of data from an external device.
  • a modem or a LAN adapter can be used as the I / F 109.
  • the keyboard 110 has keys for inputting letters, numbers, various instructions, and the like, and performs data input. Further, it may be a touch panel type input pad / numeric keypad.
  • the mouse 111 is used to move the cursor, select a region, or move and change the size of the window ⁇ . A trackball, a joystick, or the like may be used as long as the pointing device has the same function.
  • the scanner 112 optically reads an image and takes in the image data into the fluid analyzer 1.
  • the printer 113 prints image data and document data.
  • a laser printer or an ink jet printer can be employed as the printer 113.
  • the fluid analysis device 1 includes a data storage unit 2, a data extraction unit 3, an initial setting unit 4, a fluid analysis unit 5, and a display control unit 6.
  • data storage unit 2 stores fluid ID, fluid name, fluid property values (density, viscosity coefficient, surface tension coefficient), initial fluid behavior value ( 2004/004529
  • the data storage unit 2 also stores, as initial setting information, information such as the time increment and the number of calculation steps for performing the sequential analysis calculation in the time direction.
  • mesh information such as the division width, the number of nodes, and the number of meshes of the fixed mesh divided and formed in the analysis target range is also stored.
  • This fixed mesh is composed of triangles or grids when the analysis target area is a two-dimensional space, and finite hollows such as tetrahedrons or cubes when the analysis target area is a three-dimensional space.
  • the mesh information can also be captured by reading with the scanner 112.
  • the function of the data storage unit 2 is realized by, for example, the RAM 103, the HD 105, or the FD 107 shown in FIG.
  • the data extraction unit 3 selects the fluid ID of the fluid to be analyzed, and from the data storage unit 2, the fluid name and known physical properties (density, viscosity coefficient, surface tension coefficient) associated with the selected fluid ID ) Extract the initial fluid behavior values (analysis start flow velocity and analysis start pressure). Specifically, the data extraction unit 3 executes the programs stored in, for example, the ROM 102, the RAMI 03, the HD 105, and the FD 107 shown in FIG. The IZF 109 shown implements that function.
  • the initial setting unit 4 outputs the surface tension coefficient of the liquid to the fluid behavior value calculation unit 8.
  • the initial setting unit 4 executes the program stored in the ROM 102, RAMI 03, HD 105, FD 107, or the like shown in FIG. The function is realized by the I / F 109 shown in FIG.
  • the fluid analysis unit 5 includes a physical property value calculation unit 7, a fluid behavior value calculation unit 8, and an interface function calculation unit. 2004/004529
  • the fluid analysis unit 5 analyzes the behavior of the fluid for each fixed mesh stored in the data storage unit 2. Specifically, the fluid analysis unit 5 executes the program stored in, for example, the ROM 102, the RAMI 03, the HD 105, and the FD 107 shown in FIG. The IZF 109 shown implements that function.
  • the physical property value calculation unit 7 calculates the interface function ⁇ converted by the interface function conversion unit 10 and the density of the fluid extracted from the data extraction unit 3 using the advection equations of the following equations (6) and (7).
  • the unknown density p and the unknown viscosity coefficient // at the interface between the fluids are calculated based on and the viscosity coefficient and (hereinafter, the calculated unknown density p is referred to as the “calculated density, and the calculated unknown viscosity coefficient ⁇ is referred to as “calculated viscosity coefficient /”.
  • ⁇ ⁇ + (1- ⁇ ) ⁇ ⁇
  • ⁇ ⁇ is the density of fluid ⁇ and p B is the density of fluid B.
  • A is the viscosity coefficient of fluid A
  • is the viscosity coefficient of fluid B.
  • the physical property value calculation unit 7 is realized by the CPU 101 executing a program stored in, for example, the ROM 102, the RAMI 03, the HD 105, the FD 107 shown in FIG. The function is realized by the I / F 109 shown in FIG.
  • the fluid behavior value calculation unit 8 uses the Na Vier-S tokes equation shown in the following equation (8) and equation (9) to calculate the fluid density based on the calculated density and the calculated viscosity coefficient at the interface between the fluids. Calculate unknown flow velocity u, V, w at the interface. At the same time, the unknown pressure p is calculated (hereinafter, the calculated unknown velocities u, V, w are referred to as “calculated flow velocities u, V, wj”, and the calculated unknown pressure p is referred to as “calculated pressure p”. ). 2004/004529
  • I 5 represents an external force
  • Te cowpea the analysis scope of environment for fluid analysis. That is, the external force fi can be expressed by the following equation (10).
  • the external force i gi is the external force due to the gravitational acceleration g, and in a two-dimensional case, is represented by the following equation (11).
  • the three-dimensional case is expressed by the following equation (12). -'
  • the external force fsvi is the external force due to the surface tension modeled by JU Brakbi 11 et al. In 1992 (CSF model). Therefore, it can be represented.
  • ⁇ ( ⁇ ) is a curvature function representing the curvature of the interface, and is represented by the following equation (14).
  • the fluid behavior value calculation unit 8 executes the program stored in the ROM 102, RAMI 03, HD 105, FD 107, or the like shown in FIG.
  • the function is realized by the IZF 109 shown in Fig. 1.
  • the interface function calculation unit 9 calculates the interface function ⁇ in the analysis target range based on the calculated flow velocity calculated by the fluid behavior value calculation unit 8 using the digitizer method. Specifically, it is a process in which the digitizer method is applied to the advection equation.
  • the calculated flow velocities u and V input from the fluid behavior value calculation unit 8 (in the case of two dimensions. In the case of three dimensions, the calculated flow velocity u , V, w) and digitizer processing is performed by the following equation (15).
  • a function having a discontinuous distribution is obtained via a function F () using a tangent transformation instead of solving the actual discontinuous interface function ⁇ .
  • equation (15) solves equation (15) yields the tangent transformation equation of equation (16) below. Then, this equation (16) is converted into the following equation (17), and the interface function ⁇ is calculated.
  • the interface function calculating unit 9 executes the programs stored in, for example, the ROM 102, the RAMI 03, the HD 105, and the FD 107 shown in FIG.
  • the function is realized by the I / F 109 shown in FIG.
  • the interface function conversion unit 10 converts the interface function ⁇ »calculated by the interface function calculation unit 9 into a smoothed interface function ⁇ using the following equation (18), and Execute the smoothing process.
  • the interface function ⁇ calculated by the interface function calculator 9 is converted using a diffusion equation shown in the following equation (18).
  • s is a virtual time
  • K is a virtual diffusion coefficient
  • the degree of the jaggedness depends on the division width, but a different value can be specified for the virtual diffusion coefficient K for each element, and it is applicable even when the element division is not homogeneous. Since the surface capture method generally uses a fixed mesh for time evolution, the initially selected virtual time s and virtual diffusion coefficient K are valid for subsequent time steps. .
  • the interpolation function used in the smoothing process (when solving the diffusion equation) is used. For example, if you use a first-order element to solve the diffusion equation, you can approximate the interface by first-order interpolation. I have. It should be noted that the interface function conversion unit 10 is executed by the CPU 101 executing a program stored in, for example, the ROM 102, the RAMI 03, the HD 105, the FD 107 shown in FIG. The function is realized by the IZF 109 shown in (1).
  • the display control unit 6 outputs the analysis result of the fluid analysis unit 5 to the display 108 shown in FIG. Since this display control is generally used for fluid analysis by the VOF method, its description is omitted. Specifically, the display control unit 6 is executed by the CPU 101 executing a program stored in, for example, the ROM 102, the RAMI 03, the HD 105, and the FD 107 shown in FIG. The function is realized by the IZF 109 shown in Fig. 1.
  • fluid A is gas and fluid B is liquid.
  • fluid B is liquid.
  • Step S401: Yes when a fluid ID to be analyzed is selected via an input device (for example, the keyboard 110 or the mouse 111 shown in FIG. 1) (Step S401: Yes), Referring to the selected fluid ID from the data storage unit 2, the density PA, ⁇ , viscosity coefficient ⁇ ⁇ and surface tension coefficient ⁇ ,, ⁇ ⁇ ⁇ which are the fluid property values of the selected fluids A and B are selected.
  • the analysis start velocities u A , v A , w A , u B , v B , w B and the analysis start pressures p A , p B which are the initial fluid behavior values of the obtained fluids ⁇ , are extracted (step S 402). ).
  • Step S406 extracts a fixed mesh of the angular analysis target range stored in advance from the data storage unit 2 (step S406). Then, when the values of the virtual time s and the virtual diffusion coefficient K of the diffusion equation of Equation (18) are input (Step S407: Yes), the fluid analysis process is performed for each of the extracted fixed meshes. Execute (Step (Top S 408).
  • FIG. 5 and FIG. 6 are flowcharts showing the processing procedure of the fluid analysis processing.
  • the densities p A and p B and the viscosity coefficients / z A and z B of the fluids A and B from which the data were extracted, and the initial analysis start interface function ⁇ . Is substituted into the advection equations of equations (6) and (7) (step S501).
  • the unknown density p and unknown viscosity coefficient ⁇ at the interface between the fluids A and B are calculated by solving this advection equation (step S502).
  • the unknown flow velocity u, V, w and the unknown pressure p at the interface between the fluids A and B after a predetermined time are calculated by solving the Navier-S tokes equation (step S504).
  • step S510 the calculated interface function ⁇ is substituted into the diffusion equation of the above equation (18), and this diffusion equation is solved, and the interface function 0 calculated in step S509 is replaced with the interface smoothing the interface. It is converted into a function ⁇ (step S510).
  • Step S601 the converted interface function ⁇ , the densities p A and p B and the viscosity coefficients ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ and x B of the fluids A and B are substituted into the advection equations of the above equations (6) and (7) (Ste S601). Then, solving this advection equation, unknown density p and unknown viscosity coefficient ⁇ Is calculated (step S602).
  • step S602 the calculated density P and the calculated viscosity coefficient calculated in step S602, the calculated flow velocities u, v, w, and the calculated pressure p calculated in step S504, and the interface function converted in step S509 and phi, and the surface tension coefficient sigma beta selected in step S 404, in the above equation (8) and Na greed- S tokes equations of formula (9) (formula (10) to (14) is also included) Substitution (step S603). Then, the Navier-Stokes equation is solved, and the calculated flow velocities u, V, w and the calculated pressure p at the interface between the fluids A and B after a predetermined time have elapsed are calculated (step S604).
  • step S604 the calculated flow velocities u, v, w calculated in step S604 are substituted into the above equation (15) (step S605), and are developed into the above equation (16) (step S606).
  • the tangent conversion value F ( ⁇ ) is calculated by substituting the converted interface function ⁇ calculated in step S510 into the expanded equation (16) (step S607) D
  • step S608 the above equation (16) is transformed into equation (17) (step S608), and the value of F ( ⁇ ) calculated in step S607 is substituted into the transformed equation (17), and Calculate the interface function ⁇ (step S609).
  • the interface function ⁇ calculated in step S609 is substituted into the diffusion equation of the above equation (18) to solve the diffusion equation, and the interface function calculated in step S609 is smoothed in the vicinity of the interface. (Step S610). Thereafter, steps S601 to S610 are repeatedly executed.
  • the fluid analysis using only the VOF method results in an unrealistic fluid analysis
  • the fluid analysis device 1 combines the VOF method with the digitizer method to generate a discontinuous function.
  • the interface reproduced by a function that is too discontinuous can be easily converted into a smooth (plausible) interface generated by actual phenomena. It can be evaluated by the method.
  • the Navier-S tokes equation shown in Expressions (4) and (5) is applied as the governing equation of the fluid.
  • the governing equation is not limited to this equation, governing equations for other fluids can also be used.
  • the data stored in the data storage unit 2 stores data applicable (substitutable) to the applied governing equation.
  • the interface function is converted by a diffusion equation shown in Expression (18) to smooth the vicinity of the interface.
  • the present invention is not limited to this diffusion equation.
  • This selective rubbing parameter method is a method of converting the target interface function 11 into an interface function ⁇ ⁇ + 1 having an effect of several ⁇ ⁇ direct diffusion by using the following equation (19). .
  • M Lump ed in this equation (19) is a concentrated matrix of the mass matrix M derived when the time derivative term is formulated by the finite element method, and is called a concentrated mass matrix.
  • Interface function phi eta + 1 calculated by the equation (1-9), when the next iteration is used as the interface function [psi eta, calculates a new interface function [Phi eta + 1.
  • the interface function ⁇ i> m + 1 repeated at the m-th time becomes the interface function ⁇ converted from the interface function ⁇ 1 to smooth the vicinity of the interface, and the above equation (6) and equation (7) ) Will be used for the advection equation.
  • M Mi xed is called a following formula (20) as shown in, lumped mass matrix M Lump ed and mass matrix M is a matrix obtained by mixing a mixed mass matrix.
  • M Mixed eM Lum pe d + — e) M , o ⁇ e ⁇ l
  • e is called the Ramving parameter.
  • e is a value that adjusts the degree of artificial viscosity when using Eq. (19), and is 0.0 Oe 1.0, and the property is that the more artificial the value of e approaches 1.0, the more artificial e Is that the natural viscosity is reduced.
  • step S406 the number of repetitions m and the rumbling parameter e are input.
  • step S 407 to the interface function phi eta to be. Interest, can be m times repeating the calculation of equation (1 9), it is possible to perform a smoothing of the surface function phi.
  • the input value can be a simple value, and the virtual It is easier to set the number directly than setting the effective time s and diffusion coefficient K.
  • the selected fluid is a gas and a liquid has been described.
  • the values may be stored in the data storage unit 2 in advance, and the surface tension coefficient used in the equation (13) may be selected according to the selected combination of fluids.
  • FIGS. 7 to 17 show comparative examples. This second FIGS. 7 to 17 are examples in which fluid angle analysis was performed every 0.5 seconds.
  • the interface is rattled.
  • the discontinuous interface obtained by the digitizer method is too discontinuous.
  • the function ⁇ is smoothed by the diffusion equation. Therefore, as shown in FIGS. 7 to 17, the fluid analysis according to the present embodiment can show the smoothness of the interface (caused by the influence of surface tension) in the actual phenomenon.
  • FIGS. 19 and 20 examples of fluid analysis using the analysis model in FIG. 18 are shown in FIGS. 19 and 20.
  • This simulation calculates the phenomenon that gas (bubbles) in a liquid rises toward the water surface.
  • the shape of bubbles rising in a liquid varies depending on the physical properties of the liquid and gas and the balance of the bubble size.
  • FIG. 19 shows the results of calculations using a physical property index that causes the bubbles to have a shape called Spherica1 (spherical shape) as the calculation conditions.
  • Fig. 20 shows the results of calculations using physical property indices that result in bubbles having a shape called Skirtd (skirt shape). Both FIG. 19 and FIG. 20 reproduce the characteristic shape corresponding to the dimensionless physical property index, and can evaluate the reliability of the fluid analysis according to the present embodiment.
  • This analysis model is based on the flow of high-temperature and high-pressure pure oxygen gas
  • This is a model for analyzing the flow phenomena inside the converter where any metal is formed.
  • density 3. 0 kg / m 3 of density of fast oxygen inflow and both fluids are significantly different (pure oxygen gas, the density of the metal is 7. 0 X
  • FIG. 32 is a mesh diagram divided into fixed meshes.
  • This analysis model is a model that analyzes the behavior of the fluid that ejects ink from the nozzles.
  • Fig. 33 to Fig. 39 the state where ink is ejected from the nozzle and falls to the bottom surface is noticeable.
  • micron-order fluid analysis can be faithfully reproduced, and fluid behavior that cannot be captured by the naked eye can be captured.
  • the fluid analysis device 1 also includes a river flood, a fluid behavior of waves at sea, a behavior of liquid in a container, and a tank truck during operation. It can be applied in various fields such as the behavior of liquid in a tank or when these are applied to computer graphics.
  • the fluid analysis device 1 adopts the VOF method to handle complicated interfaces, and proposes the CI ⁇ method to calculate an accurate free surface. Digitizer method was incorporated into the finite element method (stabilized bubble function method). '
  • the CI ⁇ method requires the use of an explicit method in the time direction formulation, and under very severe calculation conditions (especially at high inflow rates), numerical stability is limited ( CFL condition)
  • the stabilized bubble function method can adopt an implicit method, which is very advantageous for numerical stability in the time direction.
  • the finite element method Incorporating the tizer method a smoothing method that can accurately represent the interface evaluation method by calculating using the finite element method is used. Can be performed.
  • the fluid analysis method described in the present embodiment can be realized by executing a prepared program on a computer such as a personal computer or a workstation.
  • This program is recorded on a computer-readable recording medium such as a hard disk, a flexible disk, a CD-ROM, an MO, and a DVD, and is executed by being read from the recording medium by the computer.
  • the program may be a transmission medium that can be distributed via a network such as the Internet.
  • the behavior of a flow having an actual free surface problem can be accurately analyzed by a simple and general-purpose analysis method. It has the effect of being able to. Furthermore, there is an effect that the smoothness on the interface caused by the surface tension between fluids having different physical properties can be incorporated into the interface function.

Abstract

A first unknown physical property value in the vicinity of an inter-fluid interface is calculated using an advection equation and based on the known physical properties of respective fluids forming the interface, a first unknown fluid behavior value representing an behavior in the vicinity of an inter-fluid interface is calculated using the control equations of fluids and based on the calculated first unknown physical property, an interface function in the vicinity of an inter-fluid interface is calculated using a digitizer method and based on the calculated first unknown fluid behavior value, and the calculated interface function is converted using a smoothing method. A second unknown physical property in the vicinity of an inter-fluid interface is calculated using an advection equation and based on the known physical properties of respective fluids forming the interface and the converted interface function, and second unknown fluid behavior value representing an behavior in the vicinity of an inter-fluid interface is calculated using the control equations of fluids and based on the second unknown physical property and the first unknown fluid behavior value.

Description

明 細 書  Specification
流体解析方法 技術分野 Fluid analysis method Technical field
この発明は、 自由表面問題における数ィ直解法において、 界面 ί翁捉法に基づいた 自由表面流れの数値シミュレーションをおこなうための流体解析方法、 流体解析 プログラムおよび流体解析装置に関する。 背景技術  The present invention relates to a fluid analysis method, a fluid analysis program, and a fluid analysis device for performing a numerical simulation of a free surface flow based on an interface ίin capture method in a numerical solution method for a free surface problem. Background art
自由表面を持つ流れの問題は、 より一般的な分類として移動境界問題と称され ており、 その移動境界面を扱う方法として、 界面捕捉法と界面追跡法が開発され ている。 界面追跡法には、 たとえば、 1972年に、 C. W. H i r tらによつ て開発された ALE法や、 1977年に R. B o n n e r o tらによって開発さ れた S p a c e— T i me法が存在する。  The problem of a flow with a free surface is called the moving boundary problem as a more general classification, and the interface trapping method and the interface tracking method have been developed as methods for dealing with the moving boundary surface. The interface tracking method includes, for example, the ALE method developed by CW Hirt et al. In 1972 and the Space-Time method developed by R. Bonnerot et al. In 1977. .
この界面追跡法は、 界面をより正確に表現できるため有効であるが、 自由表面 (界面) 上の計算メッシュを流体粒子とともに移動させるため、 移動境界を表現 する場合には、 自由表面 (界面) が大きく移動すると、 計算メッシュのゆがみが 大きくなり、 計算が困難になる。 さらに、 計算メッシュは毎時間ステップごとに 変更しなければならないため、 そのアルゴ ズムが複雑となる (たとえば、 数ィ直 流体力学編集委員会編、 4移動境界流れ解析、 財団法人東京大学出版会、 199 5年 3月 10日参照。 ) 。  This interface tracking method is effective because it can represent the interface more accurately. However, since the computational mesh on the free surface (interface) moves along with the fluid particles, the free surface (interface) is used when expressing the moving boundary. If the moves greatly, the distortion of the calculation mesh becomes large, and the calculation becomes difficult. In addition, the computational mesh must be changed at every hour step, which complicates the algorithm (for example, the Numerical Computational Fluid Dynamics Editing Committee, 4 Moving Boundary Flow Analysis, The University of Tokyo Press, 199 March 10, 2005.)
一方、 界面捕捉法は、'計算メッシュを固定しており、 移動境界を表現する場合 には特別な処理を施す必要がある力 S、 計算メッシュは毎時間ステップごとに変化 しないため、 アルゴリズムを単純化することができ、 界面が大きく変動する現象 に有利である。 この界面捕捉法の代表的な解法として、 たとえば、 1981年に C. W. H i r tらによって VOF (Vo l ume o f f l u i d) 法が開 発されている (たとえば、 C. W. H i r t a n d B. D. N i c h o l sOn the other hand, the interface capture method uses a fixed computational mesh, a force S that requires special processing when expressing the moving boundary, and a simple algorithm because the computational mesh does not change every hour. This is advantageous for the phenomenon that the interface greatly fluctuates. As a typical solution to this interface capture method, for example, the VOF (Volume of Fluid) method was launched in 1981 by CW Hirt et al. (For example, CW H irtand BD N ichols
、 Vo l ume o f F l u i d (VOF) Me t h o d f o r t h e, Vo l ume o f F l u i d (VOF) Me t h o d f o r t h e
Dy n am i c s o f F r e e B o un d a r i e s、 J o u r n a l o f Comp u t a t i o n a l Phy s i c s、. 1981、 39、 .Dy n am i c s o f F r e B o un d a r i es, J o u r n a l o f Comp u t a t i o n a l Phy s i cs,. 1981, 39,.
201— p p. 205参照。 ) 。 201—See page 205. ).
この VOF法は、 流体の支配方程式である N a v i e r - S t o k e s方程式 (下記式 ( 1 ) および下記式 (2) ) において、 界面関数 に よって物性値 (密度 p、 粘性係数 の異なる流体 (流体 Α、 流体 Β) を定義し、 界面関数 Φを未知量にもつ移流方程式 (下記式 (3) ) にお いて界面関数 φを定義して、 定義された界面関数 φを用いて上記物性値 を、 下記式 (4) および下記式 (5) によって算出し、 その界面を確定 するという界面捕捉法である。  In the VOF method, in the Navier-Stokes equation (Equation (1) and Eq. (2)), which is the governing equation of a fluid, physical properties (density p, viscosity coefficient of fluid (fluid Α , The fluid Β), the advection equation (Equation (3)) below with the interface function Φ as an unknown quantity, the interface function φ is defined, and the physical property values are defined using the defined interface function φ. This is an interface capture method that calculates by the following equations (4) and (5) and determines the interface.
(1)
Figure imgf000004_0001
(1)
Figure imgf000004_0001
=0 (2)
Figure imgf000004_0002
= 0 (2)
Figure imgf000004_0002
ρ = φρΑ+(ΐ-φ)ρΒ · · · (4).
Figure imgf000004_0003
ρ = φρ Α + (ΐ-φ) ρ Β (4).
Figure imgf000004_0003
上記式 (1) 〜式 (5) において、 tは時間をあらわし、 11は ,空間方向 (i =1, 2のときは 2次元、 i = l, 2, 3のときは 3次元) の速度成分、 p は圧力、 f iは外力である。 また、 式 (4) および式 (5) の pAは流体 Aの密 度、 pBは流体 Bの密度、 /^は流体 Aの粘性係数、 μΒは流体 Bの粘性係数であ る。 In the above equations (1) to (5), t represents time, and 1 1 represents the spatial direction (two-dimensional when i = 1, 2; three-dimensional when i = 1, 2, 3). The velocity component, p is pressure, and fi is external force. In Equations (4) and (5), p A is the density of fluid A, p B is the density of fluid B, / ^ is the viscosity coefficient of fluid A, and μ で あ is the viscosity coefficient of fluid B. You.
なお、 界面関数 φは 0≤ φ≤ 1の値をとり、 流体 Aおよび流体 Bは界面関数 φ を用いて、 第 40図に示すように、 流体 Aの界面関数 φを ψ = 1、 流体 Βの界面 関数 Φを φ = 0として定義し、 界面関数 φ = 0. 5となる部分を、 異なる流体 A 、 B間の界面として評価する。 .,  The interface function φ takes a value of 0 ≤ φ ≤ 1, and the fluid A and the fluid B use the interface function φ, as shown in Fig. 40, where the interface function φ of the fluid A is ψ = 1, and the fluid Β Is defined as φ = 0, and the part where the interface function φ = 0.5 is evaluated as the interface between different fluids A and B. .,
ここで、 流体 Aを φ = 1、 流体 Βを ψ = 0とした移流方程式は、 上記式 ( 3 ) により、 第 41図に示すような界面が不連続な関数を解くこととなる。 これら V O F法をベースにした解法においては、 界面関数をいかに精度よく求めるかが問 題となる。  Here, the advection equation in which the fluid A is φ = 1 and the fluid Β is ψ = 0 is to solve a function whose interface is discontinuous as shown in FIG. 41 by the above equation (3). In the solution based on these VOF methods, the problem is how to accurately obtain the interface function.
なお、 第 41図および第 42図に示すような不連続な分布を持つ関数を用いて 上記式 (3) の移流方程式を数値計算によって正確に解析できる解法は存在せず 、 現時点で精度のよい安定化有限要素法 (たとえば安定化気泡関数法) などの解 法を用いた場合、 第 43図に示す計算結果となる (たとえば、 松本純一, 梅津剛 , 川原睦人、 浅水長波方程式に対する安定化有限要素法と安定化気泡関数法、 応 用力学論文集、 土木学会、 2002年、 5巻、 235頁〜 242頁参照。 ) 。 また、 VOF法に基づく界面捕捉法の一つとして、 2000年に、 S. A l i a b a d iらによって、 S FEZ I C法が開発されている。 この SFE/I C?去' は、 数値計算によって得たれた崩れた不連続な分布を持つ関数を、 シャープな分 布にリモデリングする方法である (たとえば、 S. A l i a b a d i a n d T. E. Te z duy a r 、 S t a b i— l i z e d— F i n i t e— E l e me n t/l n t e r f a c e— Ca p t u r i n g Te c hn i q u e f o r P a r a l l e l C omp u t a t i o n o f Un s t e a d y F l ows w i t h I n t e r f a c e、 Comp u t e r Me t h o d s i n Ap p l i e d Me c h a n i c s a n d Eng i n e e r i n g、 2000、 190、 p p. 243— p p. 261参照。 ) 。  It should be noted that there is no solution that can accurately analyze the advection equation of the above equation (3) by numerical calculation using a function having a discontinuous distribution as shown in FIGS. 41 and 42. When a solution such as the stabilized finite element method (for example, the stabilized bubble function method) is used, the calculation results shown in Fig. 43 are obtained (for example, Junichi Matsumoto, Go Umezu, Mutsuto Kawahara, stabilization for shallow water long wave equation) See the finite element method and the stabilized bubble function method, Journal of Applied Mechanics, Japan Society of Civil Engineers, 2002, Vol. 5, pp. 235-242.) As one of the interface capturing methods based on the VOF method, the S FEZ IC method was developed in 2000 by S. Aliabadi et al. This SFE / IC? Le 'method is a method of remodeling a function with a broken discontinuous distribution obtained by numerical calculation into a sharp distribution (for example, S. Aliabadiand TE Te du duar, S tabi—lized—F inite—Ele ment / lnterface—Capturing Te chnique for Pararel C omp utationof Un steady F lows with Interface, Computer Me thodsin Ap plied Me chanicsand Eng ineering, 2000, 190, pp. 243—see pp. 261.).
さらに、 VOF法に基づく界面捕捉法の一つとして、 1994年に、 Su s s ma nらによって、 Le v e l S e t法が開発されている。 Le v e l S e t法は、 不連続な分布を持つ界面関数を解く代わりに、 滑らかな分布をもつ距離 関数を導入して、 界面を評価する方法である。 この解法は、 滑らかな関数を計算 するため、 界面の評価を精度よくおこなうことが可能である (たとえば、 M. S u s sma n, P. Sme r e k a, a n d S . O s h e r、 A し e v e l S e t Ap p r o a c h f o r Compu t i n g S o 1 u t i o n s t o I n c omp r e s s i b l e Two— Ph a s e F l ow 、 J o u r na l o f Comp u t a t i o n a l Phy s i c s、 19 94、 114、 p p. 146— p p. 159参照。 ) 。 Further, in 1994, Sussman et al. Developed the Le vel Set method as one of the interface trapping methods based on the VOF method. Le vel S e The t method is a method to evaluate interfaces by introducing a distance function with a smooth distribution instead of solving an interface function with a discontinuous distribution. Since this solution calculates a smooth function, it is possible to evaluate the interface with high accuracy (for example, M. Susman, P. Smereka, and S. O sher, A. evel S et Ap proach for Computing S o1 utionsto Incos ressible Two—Phase Flow, Journal of Computational Physics, 1994, 114, pp. 146—pp. 159).
また、 流体解析法の一つとして、 C I P (Cu b i c— I n t e r p o l a t e d P r o p a g a t i o n) 法が開発されている。 1993年に矢部らによ つて、 この C I P法を用いた解法の中で提案されたデジタイザ法は、 実際の不連 続な界面関数を解く変わりにタンジェント変換を用いた関数を経由して不連続な 分布を持つ関数を求めることができる (たとえば、 T. Ya b e a n d F. X i a o、 De s c r i p t i on o f Comp l e x a n d s h a r p I n t e r f a c e du r i n g Sh o c k Wa v e I n t e r a c t i o n w i t h L i qu i d Dr o p、 J o u r n a l o f P h y s i c a l So c i e t y o f J a p a n、 1993、 62、 p p. 2 537— p p. 2540参照。 ) 。  Also, as one of the fluid analysis methods, a CIP (Cubic-InterpolpalatepRopatagation) method has been developed. The digitizer method proposed in 1993 by Yabe et al. In this solution using the CIP method uses a discrete tangent transformation function instead of solving the actual discontinuous interface function. Functions such as T. Ya beand F. Xiao, De scription of Complexandsharp I nterface du ring Shock Wave I nteractionwith L i quid Drop, Journalof Physical So ciety of Japan, 1993, 62, pp. 2537—pp. 2540.).
' しかしながら、 第 43図 (a) に示すような初期条件から、 界面関数 φを原点 まわりに 1周期計算させると、 第 43図 (b) に示すように、 界面関数 φの分布 が徐々にくずれてしまい、 5周期後には、 第 43図 (c) に示すように、 不連続 な界面関数 Ψの分布となっている部分が細くなり、 略円錐状となる。 このように 、 現時点で有効であ.ると考えられていた安定化有限要素法を用いても、 時間変化 があると、 界面関数 Ψの界面状態を維持することができず、 界面関数 Φの不連続 面の評価が不十分であり、 界面関数 φを精度よく算出することができなかった。 なお、 通常の有限要素法を用いた場合には、 第 44図 (a) に示すように、 1 /4周期後には、 界面関数 φの分布が、 第 44図 (b) に示す安定化有限要素法 9 'However, when the interface function φ is calculated for one period around the origin from the initial conditions shown in Fig. 43 (a), the distribution of the interface function φ gradually collapses as shown in Fig. 43 (b). After 5 cycles, the portion where the discontinuous interface function 分布 is distributed becomes narrower and becomes almost conical as shown in Fig. 43 (c). Thus, even if the stabilized finite element method, which was considered effective at the moment, is used, if there is a time change, the interface state of the interface function Ψ cannot be maintained, and the The evaluation of the discontinuous surface was insufficient, and the interface function φ could not be calculated accurately. When the ordinary finite element method is used, as shown in Fig. 44 (a), after 1/4 period, the distribution of the interface function φ is changed to the stabilized finite state shown in Fig. 44 (b). Element method 9
5 を用いた場合よりも、 顕著に不安定となり、 界面関数 Φの不連続面の評価がより 一層不十分となり、 界面関数 Φを精度よく算出することができなかった。 5, the evaluation of the discontinuous surface of the interface function Φ became much more insufficient, and the interface function Φ could not be calculated with high accuracy.
ここで、 V O F法を適用したときの界面関数 Φの不連続面での評価が不十分な 場合の計算結果の影響について、 第 4 5図に示すモデルを用いて説明する。 この モデルは水中の空気が自由表面 (水面) に向かって上昇するモデルである。 この 第 4 5図の解析モデルの計算結果は第 4 6図に示すような結果となる。 すなわち 、 第 4 6図では、 不連続な分布をもつ界面関数の精度が悪いために、 計算が進む にしたがって、 2つの流体、 すなわち空気と水の界面力 Sぼやけてしまい、 正確に 2.つの流体の界面が計算できていないこととなる。  Here, the effect of the calculation results when the evaluation of the interface function Φ on the discontinuous surface when the VOF method is applied will be described using a model shown in FIG. 45. In this model, the air in the water rises toward the free surface (water surface). The calculation results of the analysis model in FIG. 45 are as shown in FIG. In other words, in Fig. 46, the accuracy of the interface function having a discontinuous distribution is poor, and as the calculation proceeds, the interface force S between two fluids, that is, air and water, is blurred, and exactly two This means that the fluid interface has not been calculated.
また、 S F E/ I C法は、 第 4 7図に示すように、 崩れた界面関数 φの分布か らリモデリングを行うために、 崩れた分布の影響を少しずつ受けてしまうため、 計算を進めていくにつれて、 第 4 7図 (a ) に示す初期条件から、 第 4 7図 (b ) および第 4 7図 (c ) に示すように、 分布形状が変形してしまうこととなり、 界面関数 Ψの形状を維持することができず、 界面関数 φを精度よく算出すること ができなかった。  In addition, as shown in Fig. 47, the SFE / IC method is remodeled from the distribution of the broken interface function φ, and is gradually affected by the broken distribution. As shown in FIG. 47 (a), from the initial conditions shown in FIG. 47 (a), the distribution shape is deformed as shown in FIGS. 47 (b) and 47 (c), and the interface function Ψ The shape could not be maintained, and the interface function φ could not be calculated accurately.
また、 L e v e l S e t法では、 距離関数の定義 ( | V F | = 1 ) を満たす 関数を反復計算によって求めるため、 流体の挙動が複雑な場合、 反復を繰り返し ても計算結果が収束するとは限らない。 また、 解を算出することが可能な場合で あっても、 反復回数が非常に多くなつた場合は大きな労力 (計算コスト) を要す る。  In the Level Set method, a function that satisfies the definition of the distance function (| VF | = 1) is obtained by iterative calculation.If the fluid behavior is complicated, the calculation result does not always converge even after repeated iterations. Absent. Even if the solution can be calculated, a large amount of labor (computation cost) is required if the number of iterations is very large.
一方、 上述した C I P法で使用されていたデジタイザ法を有限要素法の解法に 取り入れると、 第 4 8図 (a ) に示す初期条件の界面関数 φは、 第 4 8図 (b ) に示すように 1周期後であっても、 第 4 8図 (c ) に示すように 5周期後であつ ても、 界面関数 Φの形状は保たれており、 不連続関数について正確な計算をおこ なうことができる。  On the other hand, if the digitizer method used in the above-mentioned CIP method is incorporated into the solution of the finite element method, the interface function φ under the initial conditions shown in Fig. 48 (a) becomes as shown in Fig. 48 (b). Even after one cycle, the shape of the interface function Φ is maintained even after five cycles, as shown in Fig. 48 (c), and accurate calculations can be performed for the discontinuous function. be able to.
しかしながら、 第 4 5図に示す解析モデノレについて、 上述したデジタイザ法を 経由して得られた界面関数は、 流体 Aと流体 Bに対応している界面関数 φの値が 、 1と 0であるため、 極端に不連続な関数となっている。 有限要素法では三角形 、 四面体などの有限な形状で任意領域をメッシュにして分割しているために、 こ の関数をそのまま界面として評価してしまうと、 空気と水の 2つの流体の界面上 で、 第 4 9図のようにガタガタな界面となってしまうこととなる。 However, for the analytical model shown in Fig. 45, the interface function obtained via the digitizer method described above shows that the value of the interface function φ corresponding to fluids A and B is , 1 and 0, which are extremely discontinuous functions. Since the finite element method divides an arbitrary region into a mesh with a finite shape such as a triangle or a tetrahedron, if this function is evaluated as an interface as it is, the interface between the two fluids, air and water, This results in a rattling interface as shown in Fig. 49.
第 4 9図に示すように、 実際の 2つの流体における界面を考えてみると、 表面 張力の影響によって、 界面はある曲率を持ったなめらかな分布をしている。 この 表面張力により、 極端に不連続な界面関数を使用した場合には、 界面がガタガタ なために、 界面における表面張力の効果を考慮した評価がなされず、 その結果、 計算がかえって不安定になり、 得られる結果も実際の現象を表現していない結果 となる。 また、 この手法により反復計算を実行すると、 計算不能に陥ることとな り、 流体解析をおこなうことができなくなってしまうという問題があった。 この発明は、 上述した従来技術による問題点を解消するため、 簡便で汎用性の ある手法により、 不連続な分布となる界面関数を正確に算出し、 さらに、 物性ィ直 の異なる流体間における表面張力がもたらす界面上の滑らかさを界面関数に取り 入れることができる流体解析方法、 流体解析プログラムおよび流体解析装置を提 供することを目的とする。 発明の開示  As shown in Fig. 49, considering the interface between two actual fluids, the interface has a smooth distribution with a certain curvature due to the effect of surface tension. Due to this surface tension, when an extremely discontinuous interface function is used, the interface is rattled, and the evaluation taking into account the effect of the surface tension on the interface cannot be performed. As a result, the calculation becomes rather unstable. However, the obtained result does not represent the actual phenomenon. In addition, if iterative calculation was performed using this method, calculation could not be performed, and there was a problem that fluid analysis could not be performed. The present invention solves the above-mentioned problems of the prior art by accurately calculating an interfacial function having a discontinuous distribution by a simple and versatile method, and furthermore, a surface between fluids having different physical properties. An object of the present invention is to provide a fluid analysis method, a fluid analysis program, and a fluid analysis device that can incorporate the smoothness of an interface caused by tension into an interface function. Disclosure of the invention
上述した課題を解決し、 目的を達成するため、 この発明にかかる流体解析方法 は、 移流方程式を用いて、 界面を形成する各流体の既知物性値に基づいて、 前記 流体間の界面近傍における第 1の未知物性値を算出する第 1の未知物性値算出ェ 程と、 流体の支配方程式を用いて、 前記第 1の未知物性値算出工程によって算出 された第 1の未知物性値に基づいて、 前記流体間の界面近傍における挙動をあら わす第 1の未知流体挙動値を算出する第 1の未知流体挙動値算出工程と、 デジタ ィザ法を用いて、 前記第 1の未知流体挙動値算出工程によって算出された第 1の 未知流体挙動値に基づいて、 前記流体間の界面近傍における界面関数を算出する 界面関数算出工程と、 平滑化手法を用いて、 前記界面関数算出工程によって算出 された界面関数を変換する界面関数変換工程と、 を含んだことを特徴とする。 この発明によれば、 不連続な分布となる界面関数を、 流体間の実際の界面状態 に対応する界面関数に変換することができる。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, a fluid analysis method according to the present invention uses advection equations based on known physical property values of each fluid forming an interface, to obtain a first fluid near an interface between the fluids. A first unknown physical property value calculating step of calculating the first unknown physical property value, and a first unknown physical property value calculated in the first unknown physical property value calculating step, using a governing equation of a fluid. A first unknown fluid behavior value calculation step of calculating a first unknown fluid behavior value representing a behavior in the vicinity of the interface between the fluids, and a first unknown fluid behavior value calculation step of using a digitizer method Calculating an interface function in the vicinity of the interface between the fluids based on the first unknown fluid behavior value calculated by the interface function calculating step; and calculating the interface function using the smoothing method. And an interface function conversion step of converting the obtained interface function. According to the present invention, an interface function having a discontinuous distribution can be converted into an interface function corresponding to an actual interface state between fluids.
また、 上述した流体解析方法は、 前記移流方程式を用いて、 前記界面を形成す る前記各流体の既知物性値と、 前記界面関数変換工程によって変換された界面関 数と、 に基づいて、 前記流体間の界面近傍における第 2の未知物性値を算出する 第 2の未知物性値算出工程と、 前記流体の支配方程式を用いて、 前記第 2の未知 物性値算出工程によって算出された第 2の未知物性値と、 前記第 1の未知流体挙 動値算出工程によって算出された第 1の未知流体挙動値と、 に基づいて、 前記流 体間の界面近傍における挙動をあらわす第 2の未知流体挙動値を算出する第 2の 未知流体挙動値算出工程と、 を含んだこととしてもよい。  Further, the above-mentioned fluid analysis method uses the advection equation to calculate the following based on known physical property values of each of the fluids forming the interface, and an interface function converted in the interface function conversion step. Calculating a second unknown property value in the vicinity of the interface between the fluids, a second unknown property value calculation step, and a second unknown property value calculated in the second unknown property value calculation step using the governing equation of the fluid. A second unknown fluid behavior representing a behavior in the vicinity of the interface between the fluids, based on the unknown physical property value and the first unknown fluid behavior value calculated in the first unknown fluid behavior value calculation step And a second unknown fluid behavior value calculating step of calculating the value.
この発明によれば、 経時的に変化する流体間の界面近傍の挙動を再現すること ができる。  According to the present invention, it is possible to reproduce the behavior near the interface between fluids that changes with time.
また、 上述した流体解析方法は、 移流方程式を用いて、 界面を形成する各流体 の既知物性値に基づいて、 前記流体間の界面近傍における第 1の未知物性値を算 出する第 1の未知物性値算出工程と、 流体の支配方程式を用いて、 前記第 1の未 知物性値算出工程によって算出された第 1の未知物性値と、 前記いずれか一方の 流体の表面張力係数と、 前記界面の曲率をあらわす曲率関数と、 に基づいて、 前 記流体間の界面近傍における挙動をあらわす第 1の未知流体挙動値を算出する第 1の未知流体挙動値算出工程と、 デジタイザ法を用いて、 前記第 1の未知流体挙 動値算出工程によって算出された第 1の未知流体挙動値に基づいて、 前記流体間 の界面近傍における界面関数を算出する界面関数算出工程と、 平滑化手法を用い て、 前記界面関数算出工程によって算出された界面関数を変換する界面関数変換 工程と、 を含んだこととしてもよい。  Further, the above-mentioned fluid analysis method uses the advection equation to calculate a first unknown property value near the interface between the fluids based on the known property values of the respective fluids forming the interface. A first unknown physical property value calculated in the first unknown physical property value calculating step using a physical property value calculating step and a governing equation of the fluid; a surface tension coefficient of one of the fluids; and the interface A first unknown fluid behavior value calculation step of calculating a first unknown fluid behavior value representing a behavior in the vicinity of the interface between the fluids, based on a curvature function representing a curvature of and a digitizer method. An interface function calculating step of calculating an interface function near an interface between the fluids based on the first unknown fluid behavior value calculated in the first unknown fluid behavior value calculating step; The said world The interface function conversion step of converting the interface function calculated by the function calculation process, it is also possible that contains.
この発明によれば、 不連続な分布となる界面関数を、 表面張力が影響する流体 間の実際の界面状態に対応する界面関数に変換することができる。 ' また、 上述した流体解析方法は、 請求の範囲第 3項に記載の発明において、 前 記移流方程式を用いて、 前記界面を形成する前記各流体の既知物性値と、 前記界 面関数変換工程によって変換された界面関数と、 に基づいて、 前記流体間の界面 近傍における第 2の未知物性値を算出する第 2の未知物性値算出工程と、 前記流 体の支配方程式を用いて、 前記第 2の未知物性値算出工程によって算出された第 2の未知物性値と、 前記第 1の未知流体挙動値算出工程によって算出された第 1 の未知流体挙動値と、 前記いずれカゝ一方の流体の表面張力係数と、 前記変換され た界面関数から得られる前記流体間の界面における曲率と、 前記界面の曲率をあ らわす曲率関数と、 に基づいて、 前記流体間の界面近傍における挙動をあらわす 第 2の未知流体挙動値を算出する第 2の未知流体挙動値算出工程と、 を含んだこ ととしてもよい。 According to the present invention, an interface function having a discontinuous distribution can be converted into an interface function corresponding to an actual interface state between fluids affected by surface tension. '' Further, the above-described fluid analysis method according to the third aspect of the present invention, The second unknown in the vicinity of the interface between the fluids, based on the known physical property values of each of the fluids forming the interface and the interface function converted in the interface function conversion step, using the advection equation A second unknown property value calculating step of calculating a property value; a second unknown property value calculated in the second unknown property value calculating step using the governing equation of the fluid; and A first unknown fluid behavior value calculated in the unknown fluid behavior value calculation step, a surface tension coefficient of one of the fluids, a curvature at an interface between the fluids obtained from the converted interface function, And a second unknown fluid behavior value calculating step of calculating a second unknown fluid behavior value representing a behavior near the interface between the fluids based on a curvature function representing the curvature of the interface. And as Is also good.
この発明によれば、 経時的に変化する流体間の界面近傍における表面張力の影 響を取り入れた挙動を再現することができる。  According to the present invention, it is possible to reproduce a behavior taking into account the effect of surface tension in the vicinity of the interface between fluids that changes over time.
また、 流体解析プログラムは、 上記いずれか一つに記載の流体解析方法を、 コ ンピュータに実行させることを特徴とする。  Further, a fluid analysis program causes a computer to execute the fluid analysis method according to any one of the above.
この発明によれば、 上記いずれ力一つに記載の流体解析方法を、 コンピュータ 処理によって実現することができる。  According to the present invention, the fluid analysis method according to any one of the above aspects can be realized by computer processing.
また、 流体解析装置は、 流体ごとに前記流体の性質をあらわす既知物性値を格 納するデータ格納手段と、 解析対象となる流体を 2つ選択し、 この選択された流 体の既知物性値を前記データ格納手段から抽出するデータ抽出手段と、 流体の支 配方程式を用いて、 前記流体の界面近傍における物性値に基づいて、 前記流体間 の界面近傍における挙動をあらわす流体挙動値を算出する流体挙動値算出手段と 、 デジタイザ法を用いて、 前記流体挙動値算出手段によって算出された流体挙動 値に基づいて、 前記流体間の界面近傍における界面関数を算出する界面関数算出 手段と、 平滑化手法を用いて、 前記界面関数算出手段によって算出された界面関 数を変換する界面関数変換手段と、 移流方程式を用いて、 前記データ抽出手段に よって抽出された流体の物性値と、 前記界面関数変換手段によって変換された界 面関数と、 に基づいて、 前記流体間の界面近傍における物性値を算出する物'生ィ直 算出手段と、 を備えることを特徴とする。 In addition, the fluid analysis device includes a data storage unit for storing a known physical property value representing a property of the fluid for each fluid, and two fluids to be analyzed, and the known physical property value of the selected fluid is determined. A fluid for calculating a fluid behavior value representing a behavior in the vicinity of the interface between the fluids based on physical properties in the vicinity of the interface of the fluid, using data extraction means extracted from the data storage means and a fluid control equation; A behavior value calculation unit; an interface function calculation unit that calculates an interface function near the interface between the fluids based on the fluid behavior value calculated by the fluid behavior value calculation unit using a digitizer method; and a smoothing method. An interface function conversion means for converting the interface function calculated by the interface function calculation means, and an advection equation, and A material for calculating a physical property value in the vicinity of the interface between the fluids based on the physical property value of the extracted fluid and the interface function converted by the interface function converting unit. And a calculating means.
この発明によれば、 不連続な分布となる界面関数を、 流体間の実際の界面状態 に対応する界面関数に変換することができる。  According to the present invention, an interface function having a discontinuous distribution can be converted into an interface function corresponding to an actual interface state between fluids.
また、 上述した流体解析装置は、 前記データ格納手段は、 さらに、 前記流体ご とに、 表面張力係数を格納しており、 前記データ抽出手段は、 さらに、 前記流体 選択手段によって選択された流体のうちいずれか一方の表面張力係数を、 前記デ ータ格納手段から抽出し、 前記流体挙動値算出手段は、 前記流体の支配方程式を 用いて、 さらに、 前記データ抽出手段から抽出されたいずれか一方の流体の表面 張力係数と、 前記界面関数変換手段によって変換された界面関数と、 前記変換さ れた界面関数から得られる前記流体間の界面における曲率と、 に基づいて、 前記 流体間の界面近傍における挙動をあらわす流体挙動値を算出することを特徴とす る。  Further, in the above-described fluid analysis device, the data storage unit further stores a surface tension coefficient for each of the fluids, and the data extraction unit further includes a data storage unit for the fluid selected by the fluid selection unit. One of the surface tension coefficients is extracted from the data storage means, and the fluid behavior value calculation means uses the governing equation of the fluid, and further, any one of the surface tension coefficients is extracted from the data extraction means. Near the interface between the fluids, based on the surface tension coefficient of the fluid, the interface function converted by the interface function conversion means, and the curvature at the interface between the fluids obtained from the converted interface function. The method is characterized by calculating a fluid behavior value representing the behavior at.
この発明によれば、 不連続な分布となる界面関数を、 表面張力が影響する流体 間の実際の界面状態に対応する界面関数に変換することができる。  According to the present invention, an interface function having a discontinuous distribution can be converted into an interface function corresponding to an actual interface state between fluids affected by surface tension.
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図面の簡単な説明 ' Brief description of the drawings ''
第 1図は、 この発明の本実施の形態にかかる流体解析装置のハードウエア構成 を示すブロック図であり、 第 2図は、 この発明の本実施の形態にかかる流体解析 装置の機能構成を示すプロック図であり、 第 3図は、 この発明の本実施の形態に かかる流体解析装置におけるデータ格納部に格納されている流体情報テーブルを 示す説明図であり、 第 4図は、 この発明の本実施の形態にかかる流体解析装置に おける前処理手順を示すフローチャートであり、 第 5図は、 この発明の本実施の 形態にかかる流体解析装置における流体解析処理手順を示すフローチャートであ り、 第 6図は、 この発明の本実施の形態にかかる流体解析装置における流体解析 処理手順を示すフローチャートであり、 第 7図は、 第 4 5図の解析モデルを例に した、 V O F法と V O F法 +デジタィザ法と本実施の形態にかかる流体解析との 比較図であり、 第 8図は、 第 4 5図の解析モデルを例にした、 VO F法と V O F 法 +デジタイザ法と本実施の形態にかかる流体解析との比較図であり、 第 9図は 、 第 45図の解析モデルを例にした、 VOF法と VOF法 +デジタイザ法と本実 施の形態にかかる流体解析との比較図であり、 第 10図は、 第 45図の解析モデ ルを例にした、 V O F法と V O F法 +デジタィザ法と本実施の形態にかかる流体 解析との比較図であり、 第 1 1図は、 第 45図の解析モデルを例にした、 VOF 法と V O F法 +デジタィザ法と本実施の形態にかかる流体解析との比較図であり 、 第 12図は、 第 45図の解析モデルを例にした、 VOF法と VOF法 +デジタ ィザ法と本実施の形態にかかる流体解析との比較図であり、 第 13図は、 第 45 図の解析モ ルを例にした、 VOF法と VOF法 +デジタィザ法と本実施の形態 にかかる流体解析との比較図であり、 第 14図は、 第 45図の解析モデルを例に した、 VOF法と VOF法 +デジタイザ法と本実施の形態にかかる流体解析との 比較図であり、 .第 15図は、 第 45図の解析モデルを例にした、 VOF法と VO F法 +デジタイザ法と本実施の形態にかかる流体角旱析との比較図であり、 第 16 図は、 第 45図の解析モデルを例にした、 VOF法と VOF法 +デジタイザ法と 本実施の形態にかかる流体解析との比較図であり、 第 17図は、 第 45図の解析 モデルを例にした、 VO F法と VO F法 +デジタイザ法と本実施の形態にかかる 流体解析との比較図であり、 第 18図は、 水中の気泡流れの解析モデルを示す説 明図であり、 第 19図は、 第 18図の解析モデルにおいて、 気泡形状 (Sp h e r i c a 1) を例にした場合の流体の挙動を示す説明図であり、 第 20図は、 第 18図の解析モデルにおいて、 気泡形状 (Sk i r t e d) を例にした場合の流 体の挙動を示す説明図であり、 第 21図は、 ランスから純酸素ガスを高速流入し て鉄や銅などの金属を する転炉内部における流体の挙動を解析するモデルを 示す説明図であり、 第 22図は、 第 21図の解析モデルにおいて、 転炉内部の流 速べクトノレを示す説明図であり、 第 23図は、 第 21図の解析モデルにおいて、 転炉内部の流速べクトルを示す説明図であり、 第 24図は、 第 21図の解析モデ ルにおいて、 転炉内部の流速ベクトルを示す説明図であり、 第 25図は、 第 21 図の解析モデルにおいて、 転炉内部の流速ベクトルを示す説明図であり、 第 26 9 FIG. 1 is a block diagram showing a hardware configuration of a fluid analysis device according to the embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a functional configuration of the fluid analysis device according to the embodiment of the present invention. FIG. 3 is a block diagram illustrating a fluid information table stored in a data storage unit in the fluid analyzing apparatus according to the embodiment of the present invention. FIG. 4 is a block diagram of the present invention. FIG. 5 is a flowchart showing a pre-processing procedure in the fluid analysis device according to the embodiment; FIG. 5 is a flowchart showing a fluid analysis processing procedure in the fluid analysis device according to the embodiment of the present invention; FIG. 5 is a flowchart showing a fluid analysis processing procedure in the fluid analysis device according to the embodiment of the present invention. FIG. 7 is a flowchart showing the VOF method using the analysis model of FIG. 45 as an example. A comparison view of the fluid analysis according to VOF method + Dejitiza method and the present embodiment, FIG. 8 is an analysis model of the fourth 5 view the example, VO F method and VOF FIG. 9 is a comparison diagram between the flow model and the digitizer method and the fluid analysis according to the present embodiment. FIG. 9 shows an example of the analysis model shown in FIG. Fig. 10 is a comparison diagram of the VOF method, the VOF method + the digitizer method, and the fluid analysis according to the present embodiment, taking the analysis model of Fig. 45 as an example. Yes, FIG. 11 is a comparison diagram of the VOF method, the VOF method + the digitizer method, and the fluid analysis according to the present embodiment, taking the analysis model of FIG. 45 as an example, and FIG. Fig. 13 is a comparison diagram of the VOF method, the VOF method + the digitizer method, and the fluid analysis according to the present embodiment, taking the analysis model of the figure as an example.Fig. 13 shows the analysis model of Fig. 45 as an example. FIG. 14 is a comparison diagram of the VOF method, the VOF method + the digitizer method, and the fluid analysis according to the present embodiment. FIG. 14 shows the analysis model of FIG. Fig. 15 is a comparison diagram between the VOF method, the VOF method + the digitizer method, and the fluid analysis according to the present embodiment, and Fig. 15 shows the VOF method and the VO method using the analysis model in Fig. 45 as an example. Fig. 16 is a comparison diagram between the F method + digitizer method and the fluid angle drought according to the present embodiment. Fig. 16 shows the VOF method, VOF method + digitizer method, FIG. 17 is a comparison diagram with the fluid analysis according to the embodiment of the present invention. FIG. 17 shows an example of the VOF method, the VOF method and the digitizer method, and the fluid analysis according to the present embodiment. Fig. 18 is an explanatory diagram showing an analysis model of the bubble flow in water. Fig. 19 is a case where the bubble shape (Spherica 1) is taken as an example in the analysis model of Fig. 18. Fig. 20 is an explanatory diagram showing the behavior of the fluid. Fig. 20 shows an example of the bubble shape (Sk irted) in the analysis model of Fig. 18. Fig. 21 is an explanatory diagram showing the behavior of the fluid in the case.Fig. 21 is an explanation showing a model for analyzing the behavior of the fluid inside the converter in which pure oxygen gas flows at high speed from the lance to produce metals such as iron and copper. FIG. 22 is an explanatory diagram showing the flow velocity vector inside the converter in the analysis model of FIG. 21. FIG. 23 is a diagram showing the flow velocity inside the converter in the analysis model of FIG. FIG. 24 is an explanatory diagram showing a vector, FIG. 24 is an explanatory diagram showing a flow velocity vector inside a converter in the analysis model of FIG. 21, and FIG. 25 is a diagram showing a conversion vector in the analysis model of FIG. FIG. 26 is an explanatory diagram showing flow velocity vectors inside the furnace. 9
11 図は、 第 2 1図の解析モデルにおいて、 転炉内部の流速べクトルを示す説明図で あり、 第 2 7図は、 第 2 1図の解析モデルにおいて、 転炉内部の流速ベクトルを 示す説明図であり、 第 2 8図は、 第 2 1図の解析モデルにおいて、 転炉内部の流 速べクトルを示す説明図であり、 第 2 9図は、 第 2 1図の解析モデルにおいて、 転炉内部の流速べクトルを示す説明図であり、 第 3 0図は、 第 2 1図の解析モデ ルにおいて、 転炉内部の流速ベクトルを示す説明図であり、 第 3 1図は、 ノズル 力 らインクを噴射する流体の挙動を解析するモデルを示す説明図であり、 第 3 2 図は、 第 3 1図の角军析モデ^ こおいて、 固定メッシュに分割したメッシュ図であ る。 第 3 3図は、 第 3 1図の解析モデルにおいて、 気液界面を示す説明図であり 、 第 3 4図は、 第 3 1図の解析モデルにおいて、 気液界面を示す説明図であり、 第 3 5図は、 第 3 1図の解析モデルにおいて、 気液界面を示す説明図であり、 第 3 6図は、 第 3 1図の解析モデルにおいて、 気液界面を示す説明図であり、 第 3 7図は、 第 3 1図の解析モデルにおいて、 気液界面を示す説明図であり、 第 3 8 図は、 第 3 1図の解析モデルにおいて、 気液界面を示す説明図であり、 第 3 9図 は、 第 3 1図の解析モデルにおいて、 気液界面を示す説明図であり、 第 4 0図は 、 流体および流体間における界面の解析モデルを示す説明図であり、 第 4 1図は 、 第 4 0図の解析例となる関数を示す説明図であり、 第 4 2図は、 第 4 1図の関 数を x y座標に展開したグラフであり、 第 4 3図は、 第 4 0図の解析モデルにお いて、 安定化気泡関数法を適用した場合の解析例となる関数を示す説明図であり 、 第 4 4図は、 第 4 0図の解析モデルにおいて、 有限要素法を適用した場合の解 析例となる関数を示す説明図であり、 第 4 5図は、 水中の気泡の流況を示す解析 モデルを示す説明図であり、 第 4 6図は、 第 4 5図の解析モデ /レにおいて、 VO F法 +安定化気泡関数法を適用した場合の気液界面と流速べクトルを示す説明図 であり、 第 4 7図は、 第 4 0図の解析モデルにおいて、 S F EZ I C法を適用し た場合の解析例となる関数を示す説明図であり、 第 4 8図は、 第 4 0図の解析モ デルにおいて、 VO F法 +デジタイザ法を適用した場合の解析例となる関数を示 す説明図であり、 第 4 9図は、 第 4 5図の解析モデルにおいて、 VO F法 +デジ T/JP2004/004529 Fig. 11 is an explanatory diagram showing the flow velocity vector inside the converter in the analysis model of Fig. 21.Fig. 27 shows the flow velocity vector inside the converter in the analysis model of Fig. 21. Fig. 28 is an explanatory diagram showing the flow velocity vector inside the converter in the analysis model of Fig. 21. Fig. 29 is an explanatory diagram of the analysis model of Fig. 21. FIG. 30 is an explanatory diagram showing a flow velocity vector inside the converter. FIG. 30 is an explanatory diagram showing a flow velocity vector inside the converter in the analysis model of FIG. 21. FIG. 3 is an explanatory diagram showing a model for analyzing the behavior of a fluid that ejects ink from a force. FIG. 32 is a mesh diagram divided into fixed meshes in the angular analysis model of FIG. . FIG. 33 is an explanatory diagram showing a gas-liquid interface in the analysis model of FIG. 31; FIG. 34 is an explanatory diagram showing a gas-liquid interface in the analysis model of FIG. 31; FIG. 35 is an explanatory diagram showing a gas-liquid interface in the analysis model of FIG. 31. FIG. 36 is an explanatory diagram showing a gas-liquid interface in the analysis model of FIG. FIG. 37 is an explanatory diagram showing a gas-liquid interface in the analysis model of FIG. 31. FIG. 38 is an explanatory diagram showing a gas-liquid interface in the analysis model of FIG. FIG. 39 is an explanatory diagram showing a gas-liquid interface in the analytical model of FIG. 31. FIG. 40 is an explanatory diagram showing an analytical model of an interface between fluids and fluids. The figure is an explanatory view showing a function as an example of analysis in FIG. 40, and FIG. 42 is a graph obtained by expanding the function in FIG. 41 into xy coordinates. Yes, FIG. 43 is an explanatory diagram showing a function as an example of analysis when the stabilized bubble function method is applied in the analysis model of FIG. 40, and FIG. In the analysis model shown in the figure, it is an explanatory diagram showing a function as an example of analysis when the finite element method is applied.Fig. 45 is an explanatory diagram showing an analytical model showing a flow state of bubbles in water. FIG. 46 is an explanatory diagram showing a gas-liquid interface and a flow velocity vector when the VOF method + stabilized bubble function method is applied in the analysis model of FIG. 45. FIG. 48 is an explanatory diagram showing a function that is an example of analysis when the SF EZ IC method is applied to the analysis model of FIG. 40. FIG. 48 is a diagram illustrating the VO F in the analysis model of FIG. FIG. 49 is an explanatory diagram showing a function which is an example of analysis when the method + digitizer method is applied. F method + Digi T / JP2004 / 004529
12 タイザ法を適用した場合の流速べクトルを示す説明図である。 発明を実施するための最良の形態 FIG. 12 is an explanatory diagram showing a flow velocity vector when the Tiza method is applied. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
以下に添付図面を参照して、 この発明にかかる流体解析方法、 流体角军析プログ ラムおよび流体解析装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。 本実施の形態で は、 複雑な界面を扱うために VOF法を採用し、 精度の良い自由表面を計算する ために C I P法で提案 '採用されているデジタイザ法を有限要素法 (安定化気泡 関数法) の解法に取り込んでいる。 また、 有限要素法でデジタイザ法を取り込む にあたって、 界面の評価のしかたを有限要素法で計算をするうえで正確に表現で きるような平滑化手法を採用している。  Preferred embodiments of a fluid analysis method, a fluid angle analysis program, and a fluid analysis device according to the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. In this embodiment, the VOF method is used to handle complex interfaces, and the CIP method is proposed to calculate an accurate free surface.'The digitizer method adopted is a finite element method (stabilized bubble function Method). Also, when incorporating the digitizer method using the finite element method, a smoothing method that can accurately represent the interface evaluation method when calculating using the finite element method is adopted.
(流体解析装置のハードウエア構成)  (Hardware configuration of fluid analyzer)
まず、 第 1図を用いて、 本実施の形態にかかる流体角军析装置 1のハードウェア 構成について説明する。 流体解析装置 1は、 CPU101と、 ROM 102と R AMI 03と、 HDD (ハードディスクドライブ) 104と、 HD (ハードディ スク) 105と、 FDD (フレキシブルディスクドライブ) 106と、 着脱可能 な記録媒体の一例として FD (フレキシブルディスク) 107と、 ディスプレイ 108と、 IZF (インターフェース) 109と、 キーボード 110と、 マウス 111と、 スキャナ 112と、 プリンタ 113と、 を備えている。 また、 各構成 部は、 バス 100によってそれぞれ接続されている。  First, the hardware configuration of the fluid angle analyzer 1 according to the present embodiment will be described with reference to FIG. The fluid analyzer 1 includes a CPU 101, a ROM 102, a RAM 03, an HDD (hard disk drive) 104, an HD (hard disk) 105, an FDD (flexible disk drive) 106, and an example of a removable recording medium. An FD (flexible disk) 107, a display 108, an IZF (interface) 109, a keyboard 110, a mouse 111, a scanner 112, and a printer 113 are provided. Each component is connected by a bus 100.
ここで、 CPU 101は、 流体解析装置 1の全体の制御を司る。 ROM102 は、 ブートプログラムなどのプログラムを記憶している。 RAMI 03は、 CP U 101のワークエリアとして使用される。 HDD104は、 CPU101の制 御にしたがって HD 105に対するデータのリード Zライトを制御する。 HD1 05は、 HDD 104の制御で書き込まれたデータを記憶する。  Here, the CPU 101 governs overall control of the fluid analysis device 1. The ROM 102 stores programs such as a boot program. RAMI 03 is used as a work area of CPU 101. The HDD 104 controls read / write Z of data to / from the HD 105 under the control of the CPU 101. The HD 105 stores data written under the control of the HDD 104.
FDD 106は、 C PU 101の制御にしたがって FD 107に対するデータ のリード/ライトを制御する。 FD107は、 FDD 106の制御で書き込まれ たデータを記憶したり、 F D 107に記憶されたデータを流体解析装置 1に読み 取らせたりする。 着脱可能な記録媒体として、 0107のほカ CD-ROM (CD— R、 CD— RW) 、 MO、 DVD (D i g i t a l V e r s a t i 1 e D i s k) , メモリーカードなどであってもよい。 ディスプレイ 108は、 カーソル、 アイコンあるいはツールボックスをはじめ、 文書、 画像、 機能情報な どのデータを表示する。 このディスプレイ 108は、 たとえば、 CRT、 TFT 液晶ディスプレイ、 ブラズマディスプレイ等を採用することができる。 The FDD 106 controls reading / writing of data from / to the FD 107 under the control of the CPU 101. The FD 107 stores the data written under the control of the FDD 106 and reads the data stored in the FD 107 into the fluid analysis device 1. Or take it. The removable recording medium may be a CD-ROM (CD-R, CD-RW), MO, DVD (Digital Versati 1 e Disk), a memory card, or the like. The display 108 displays data such as a document, an image, and function information, including a cursor, an icon, or a tool box. As the display 108, for example, a CRT, a TFT liquid crystal display, a plasma display, or the like can be adopted.
I ZF 109は、 通信回線を通じてィンターネットなどのネットワークに接続 され、 このネットワークを介して他の装置に接続される。 そして、 IZF 109 は、 ネットワークと内部のインターフェースを司り、 外部装置からのデータの入 出力を制御する。 I/F 109には、 たとえばモデムや LANアダプタなどを採 用することができる。  The IZF 109 is connected to a network such as the Internet via a communication line, and is connected to other devices via this network. The IZF 109 manages a network and an internal interface, and controls input / output of data from an external device. As the I / F 109, for example, a modem or a LAN adapter can be used.
キーボード 110は、 文字、 数字、 各種指示などの入力のためのキーを備え、 データの入力をおこなう。 また、 タツチパネル式の入力パッドゃテンキーなどで あってもよい。 マウス 111は、 カーソルの移動や範囲選択、 あるいはウィンド ゥの移動やサイズの変更などをおこなう。 ポインティングデバイスとして同様に 機能を備えるものであれば、 トラックボールやジョイスティックなどであっても よい。  The keyboard 110 has keys for inputting letters, numbers, various instructions, and the like, and performs data input. Further, it may be a touch panel type input pad / numeric keypad. The mouse 111 is used to move the cursor, select a region, or move and change the size of the window ゥ. A trackball, a joystick, or the like may be used as long as the pointing device has the same function.
スキャナ 112は、 画像を光学的に読み取り、 流体解析装置 1内に画像データ を取り込む。 また、 プリンタ 113は、 画像データや文書データを印刷する。 プ リンタ 113には、 たとえば、 レーザプリンタやインクジェットプリンタを採用 することができる。  The scanner 112 optically reads an image and takes in the image data into the fluid analyzer 1. The printer 113 prints image data and document data. As the printer 113, for example, a laser printer or an ink jet printer can be employed.
(流体解析装置 1の機能的構成)  (Functional configuration of fluid analyzer 1)
つぎに、 本実施の形態にかかる流体解析装置 1の機能的構成について説明する 。 第 2図に示すように、 流体解析装置 1は、 データ格納部 2と、 データ抽出部 3 と、 初期設定部 4と、 流体解析部 5と、 表示制御部 6と、 から構成されている。 データ格納部 2には、 第 3図に示すように、 流体ごとに、 流体 ID、 流体名、 流体物性値 (密度、 粘性係数、 表面張力係数) 、 初期流体挙動値 (解析開始流速 2004/004529 Next, a functional configuration of the fluid analysis device 1 according to the present embodiment will be described. As shown in FIG. 2, the fluid analysis device 1 includes a data storage unit 2, a data extraction unit 3, an initial setting unit 4, a fluid analysis unit 5, and a display control unit 6. As shown in Fig. 3, data storage unit 2 stores fluid ID, fluid name, fluid property values (density, viscosity coefficient, surface tension coefficient), initial fluid behavior value ( 2004/004529
14 および解析開始圧力) からなる流体情報テーブル 12が格納されている。 また、 データ格納部 2には、 図示はしないが、 初期設定情報として、 時間方向に対して 、 逐次解析計算をおこなうために時間増分量、 計算ステップ数などの情報も格納 されている。 14 and an analysis start pressure). Although not shown, the data storage unit 2 also stores, as initial setting information, information such as the time increment and the number of calculation steps for performing the sequential analysis calculation in the time direction.
さらに、 解析対象範囲に分割形成される固定メッシュの分割幅、 節点数および メッシュ数などのメッシュ情報も格納されている。 この固定メッシュは、 解析対 象範囲が 2次元空間である場合は、 三角形または格子状、 解析対象範囲が 3次元 空間である場合は、 四面体または立方体などの有限な形抉によって構成される。 メッシュ情報は、 スキャナ 112により読み取ることによつても取り込むことが できる。 このデータ格納部 2は、 具体的には、 例えば第 1図に示した RAMI 0 3、 HD 105または FD 107によりその機能を実現する。  Furthermore, mesh information such as the division width, the number of nodes, and the number of meshes of the fixed mesh divided and formed in the analysis target range is also stored. This fixed mesh is composed of triangles or grids when the analysis target area is a two-dimensional space, and finite hollows such as tetrahedrons or cubes when the analysis target area is a three-dimensional space. The mesh information can also be captured by reading with the scanner 112. Specifically, the function of the data storage unit 2 is realized by, for example, the RAM 103, the HD 105, or the FD 107 shown in FIG.
データ抽出部 3は、 解析対象となる流体の流体 I Dを選択し、 データ格納部 2 から、 その選択された流体 IDに関連付けられている流体名、 既知物性値 (密度 、 粘性係数、 表面張力係数) 、 初期流体挙動値 (解析開始流速および解析開始圧 力) を抽出する。 このデータ抽出部 3は、 具体的には、 たとえば第 1図に示した ROM102、 RAMI 03、 HD 105、 F D 107などに格納されたプログ ラムを CPU 101が実行することによって、 また第 1図に示した IZF 109 によってその機能を実現する。  The data extraction unit 3 selects the fluid ID of the fluid to be analyzed, and from the data storage unit 2, the fluid name and known physical properties (density, viscosity coefficient, surface tension coefficient) associated with the selected fluid ID ) Extract the initial fluid behavior values (analysis start flow velocity and analysis start pressure). Specifically, the data extraction unit 3 executes the programs stored in, for example, the ROM 102, the RAMI 03, the HD 105, and the FD 107 shown in FIG. The IZF 109 shown implements that function.
初期設定部 4は、 データ抽出部 3による各データの抽出後、 選択された一方の 流体に解析開始界面関数 φ。 (時刻 t==0における界面関数 φ) として φ = 1、 選択された他方の流体に解析開始界面関数 Φ。として φ = 0を設定する。 また、 初期設定部 4は、 選択された 2つの流体が気体と液体である場合、 液体の表面張 力係数を流体挙動値算出部 8に出力する。 この初期設定部 4は、 具体的には、 た とえば第 1図に示した ROM 102、 RAMI 03、 HD 105、 FD 107な どに格納されたプログラムを CPU101が実行することによって、 また第 1図 に示した I/F 109によってその機能を実現する。  After the extraction of each data by the data extraction unit 3, the initial setting unit 4 assigns the analysis start interface function φ to one of the selected fluids. (Interface function φ at time t == 0) φ = 1, Analysis start interface function Φ for the other fluid selected. Is set as φ = 0. In addition, when the two selected fluids are a gas and a liquid, the initial setting unit 4 outputs the surface tension coefficient of the liquid to the fluid behavior value calculation unit 8. Specifically, the initial setting unit 4 executes the program stored in the ROM 102, RAMI 03, HD 105, FD 107, or the like shown in FIG. The function is realized by the I / F 109 shown in FIG.
流体解析部 5は、 物性値算出部 7と、 流体挙動値算出部 8と、 界面関数算出部 2004/004529 The fluid analysis unit 5 includes a physical property value calculation unit 7, a fluid behavior value calculation unit 8, and an interface function calculation unit. 2004/004529
15 15
9と、 界面関数変換部 10と、 力 構成されている。 流体解析部 5は、 データ格 納部 2に格納された固定メッシュごとに流体の挙動を解析する。 この流体解析部 5は、 具体的には、 たとえば第 1図に示した ROM 102、 RAMI 03、 HD 105、 FD 107などに格納されたプログラムを CPU 101が実行すること によって、 また第 1図に示した IZF 109によってその機能を実現する。 物性値算出部 7は、 下記式 (6) および下記式 (7) の移流方程式を用いて、 界面関数変換部 10によって変換された界面関数 φと、 データ抽出部 3から抽出 された流体の密度および粘性係数と、 に基づいて、 流体間の界面における未知密 度 pおよび未知粘性係数 //を算出する (以下、 算出された未知密度 pを 「算出密 度 と称し、 算出された未知粘性係数 μを 「算出粘性係数/」 と称す。 ) 。 ρ = φρΑ+(1-φ)ρΒ · · ' (6) 9, an interface function conversion unit 10, and a force. The fluid analysis unit 5 analyzes the behavior of the fluid for each fixed mesh stored in the data storage unit 2. Specifically, the fluid analysis unit 5 executes the program stored in, for example, the ROM 102, the RAMI 03, the HD 105, and the FD 107 shown in FIG. The IZF 109 shown implements that function. The physical property value calculation unit 7 calculates the interface function φ converted by the interface function conversion unit 10 and the density of the fluid extracted from the data extraction unit 3 using the advection equations of the following equations (6) and (7). The unknown density p and the unknown viscosity coefficient // at the interface between the fluids are calculated based on and the viscosity coefficient and (hereinafter, the calculated unknown density p is referred to as the “calculated density, and the calculated unknown viscosity coefficient μ is referred to as “calculated viscosity coefficient /”. ρ = φρ Α + (1-φ) ρ Β
μ = φμΑ +(ΐ-φ)μΒ ■ ■ · (7) μ = φμ Α + (ΐ-φ) μ Β ■ ■ · (7)
ここで、 ρ Αは流体 Αの密度、 pBは流体 Bの密度である。 また、 Aは流体 A の粘性係数、 μΒは流体 Bの粘性係数である。 なお、 この物性値算出部 7は、 具 体的には、 たとえば第 1図に示した ROM102、 RAMI 03、 HD 105、 FD 107などに格納されたプログラムを CPU 101が実行することによって 、 また第 1図に示した I/F 109によってその機能を実現する。 Where ρ Α is the density of fluid Α and p B is the density of fluid B. A is the viscosity coefficient of fluid A, and μΒ is the viscosity coefficient of fluid B. It should be noted that the physical property value calculation unit 7 is realized by the CPU 101 executing a program stored in, for example, the ROM 102, the RAMI 03, the HD 105, the FD 107 shown in FIG. The function is realized by the I / F 109 shown in FIG.
流体挙動値算出部 8は、 下記式 (8) および下記式 (9) に示す Na V i e r -S t o k e s方程式を用いて、 流体間の界面における算出密度および算出粘性 係数に基づいて、 流体間の界面における未知流速 u, V , wを算出する。 また、 同時に未知圧力 pも算出する (以下、 算出された未知流速 u, V, wを 「算出流 速 u, V, wj と称し、 算出された未知圧力 pを 「算出圧力 p」 と称す。 ) 。 2004/004529 The fluid behavior value calculation unit 8 uses the Na Vier-S tokes equation shown in the following equation (8) and equation (9) to calculate the fluid density based on the calculated density and the calculated viscosity coefficient at the interface between the fluids. Calculate unknown flow velocity u, V, w at the interface. At the same time, the unknown pressure p is calculated (hereinafter, the calculated unknown velocities u, V, w are referred to as “calculated flow velocities u, V, wj”, and the calculated unknown pressure p is referred to as “calculated pressure p”. ). 2004/004529
16 16
dp d ^Uj dp d ^ Uj
P ~~ L + U ~ L + ι ι j 6Xj P ~~ L + U ~ L + ι ι j 6Xj
V dt Jノ  V dt J no
または (8)
Figure imgf000018_0001
Or (8)
Figure imgf000018_0001
=0 (9) = 0 (9)
dx: ここで、 iおよび jは、 1〜3から選ばれる自然数である。 この iおよび jは 、 解析対象範囲の空間方向における次元をあらわす数字であり、 U i - U iのと きは、 X軸方向における流体の算出流速 uをあらわし、 U i = u 2のときは、 Y 軸方向における流体の算出流速 Vをあらわし、 U i = u3のときは、 Z軸方向に おける流体の算出流速 wをあらわす。 dx: where i and j are natural numbers selected from 1 to 3. I and j are numbers representing dimensions in the spatial direction of the analysis target range. When U i -U i, the calculated flow velocity u of the fluid in the X-axis direction is expressed.When U i = u 2 , represents a calculated flow velocity V of the fluid in the Y-axis direction, when the U i = u 3, represents the calculated flow velocity w of the fluid definitive in the Z-axis direction.
また、 ί 5は外力をあらわし、 流体解析をおこなう解析対象範囲の環境によつ て設定される。 すなわち、 外力 f iは、 下記式 (10) によってあらわすことが できる。 Also, I 5 represents an external force, is set Te cowpea the analysis scope of environment for fluid analysis. That is, the external force fi can be expressed by the following equation (10).
f i = f g f s V , ' (10)  f i = f g f s V, '(10)
ここで、 外力 i g iは、 重力加速度 gによる外力であり、 2次元の場合は、 下 記式 (1 1) によりあらわされる。 なお、 3次元の場合は、 下記式 (12) によ つてあらわされる。 - ' Here, the external force i gi is the external force due to the gravitational acceleration g, and in a two-dimensional case, is represented by the following equation (11). The three-dimensional case is expressed by the following equation (12). -'
if^ ( 0 、  if ^ (0,
(11)  (11)
g2ノ 一 P'g
Figure imgf000018_0002
g2 ノ 一 P'g
Figure imgf000018_0002
また、 外力 f s v iは、 1992年に J. U. B r a c k b i 1 1らによって モデル化 (CSFモデル) された表面張力による外力であり、 下記式 (13) に よってあらわすことができる。
Figure imgf000019_0001
The external force fsvi is the external force due to the surface tension modeled by JU Brakbi 11 et al. In 1992 (CSF model). Therefore, it can be represented.
Figure imgf000019_0001
ここで、 Κ (φ) は界面の曲率をあらわす曲率関数であり、 下記式 (14) よってあらわされる。 Here, Κ (φ) is a curvature function representing the curvature of the interface, and is represented by the following equation (14).
Figure imgf000019_0002
Figure imgf000019_0002
この流体挙動値算出部 8は、 具体的には、 たとえば第 1図に示した ROM 10 2、 RAMI 03、 HD105、 FD 107などに格納されたプログラムを C P Ul 01が実行することによって、 また第 1図に示した IZF 109によってそ の機能を実現する。  Specifically, the fluid behavior value calculation unit 8 executes the program stored in the ROM 102, RAMI 03, HD 105, FD 107, or the like shown in FIG. The function is realized by the IZF 109 shown in Fig. 1.
界面関数算出部 9は、 デジタイザ法を用いて、 流体挙動値算出部 8によって算 出された算出流速に基づいて、 解析対象範囲における界面関数 Φを算出する。 具 体的には、 移流方程式にデジタイザ法を適用した処理であり、 流体挙動値算出部 8から入力されてくる算出流速 u, V (2次元の場合。 3次元の場合は、 算出流 速 u, V, w) を用い、 下記式 (15) によって、 デジタイザ処理をおこなう。 このデジタイザ法は、 実際の不連続な界面関数 φを解く代わりにタンジュント変 換を用いた関数 F ( ) を経由して不連続な分布を持つ関数を求める方法である  The interface function calculation unit 9 calculates the interface function Φ in the analysis target range based on the calculated flow velocity calculated by the fluid behavior value calculation unit 8 using the digitizer method. Specifically, it is a process in which the digitizer method is applied to the advection equation. The calculated flow velocities u and V input from the fluid behavior value calculation unit 8 (in the case of two dimensions. In the case of three dimensions, the calculated flow velocity u , V, w) and digitizer processing is performed by the following equation (15). In this digitizer method, a function having a discontinuous distribution is obtained via a function F () using a tangent transformation instead of solving the actual discontinuous interface function φ.
¾)+U.¾)=0 (15) ¾) + U .¾) = 0 (15)
at 1 6κ: at 1 6κ:
すなわち、 式 (15) を解くと、 下記式 (16) のタンジェント変換式が導き 出される。 そして、 この式 (16) を下記式 (17) に変換して、 界面関数 φを 算出する。 That is, solving equation (15) yields the tangent transformation equation of equation (16) below. Then, this equation (16) is converted into the following equation (17), and the interface function φ is calculated.
Figure imgf000019_0003
. . . (16) φ = ίοη-1Ρ(φ)/{(ΐ-ε)π}-ι-1/2 · ' ■ (17)
Figure imgf000019_0003
... (16) φ = ίοη -1 Ρ (φ) / {(ΐ-ε) π} -ι-1 / 2 · '■ (17)
なお、 上記式 (17) の εは、 たとえば ε = 10 5。程度の微小な値であり、 式 (17) の無限大への発散を抑制する調整値である。 また、 この界面関数算出 部 9は、 具体的には、 たとえば第 1図に示した ROM 102、 RAMI 03、 H D 105、 FD 107などに格納されたプログラムを CPU 101が実行するこ とによって、 また第 1図に示した I/F 109によってその機能を実現する。 界面関数変換部 10は、 下記式 (18) を用いて、 界面関数算出部 9によって 算出された界面関数 <ί»を、 平滑化された界面関数 ψに変換して、 界面の近傍にお ける平滑化処理を実行する。 具体的には、 界面関数算出部 9から算出された界面 関数 Φを、 下記式 (18) に示す拡散方程式を用いて変換する。 In the above equation (17), ε is, for example, ε = 10 5 . This is an adjustment value that suppresses the divergence of Eq. (17) to infinity. Specifically, the interface function calculating unit 9 executes the programs stored in, for example, the ROM 102, the RAMI 03, the HD 105, and the FD 107 shown in FIG. The function is realized by the I / F 109 shown in FIG. The interface function conversion unit 10 converts the interface function <ί »calculated by the interface function calculation unit 9 into a smoothed interface function ψ using the following equation (18), and Execute the smoothing process. Specifically, the interface function Φ calculated by the interface function calculator 9 is converted using a diffusion equation shown in the following equation (18).
Κ- =0 · · · (18) Κ- = 0
ds dx: dX i:ノ  ds dx: dX i: ノ
ここで、 sは仮想的な時間、 Kは仮想的な拡散係数である。 sと Κの選択の指 標は以下の通りである。  Here, s is a virtual time, and K is a virtual diffusion coefficient. The indicators for selecting s and Κ are as follows.
( i ) 拡散方程式はデジタィザ法によって算出された界面関数 ψによりギザギ ザとなった形状をスムーズにするために用いられる。  (i) The diffusion equation is used to smooth the jagged shape by the interface function ψ calculated by the digitizer method.
( i i ) 仮想的な時間 sと仮想的な拡散係数 Kは、 界面関数 φによりギザギザ となった形状が初期形状と同等の形状にするように選択し、 この仮想的な時間 s と仮想的な拡散係数 Kの選択は、 初期解析の 1回のみ行われる。  (ii) The virtual time s and the virtual diffusion coefficient K are selected so that the jagged shape due to the interface function φ becomes the same as the initial shape. The selection of the diffusion coefficient K is performed only once in the initial analysis.
( i i i) ギザギザの度合いは分割幅に依存するが、 仮想的な拡散係数 Kは要 素ごとに異なった値を指定でき、 要素分割 非均質な場合も適用可能である。 界 面捕捉法は、 一般的に時間進展に対して固定メッシュを使用するので、 初期に選 択された仮想的な時間 sと仮想、的な拡散係数 Kは、 以後の時間ステップに有効で あ 。  (iiii) The degree of the jaggedness depends on the division width, but a different value can be specified for the virtual diffusion coefficient K for each element, and it is applicable even when the element division is not homogeneous. Since the surface capture method generally uses a fixed mesh for time evolution, the initially selected virtual time s and virtual diffusion coefficient K are valid for subsequent time steps. .
また、 平滑化した界面の具体的な表現方法としては、 平滑化処理のときに (拡 散方程式を解くときに) 用いた補間関数を用いている。 たとえば、 拡散方程式を 解くときに 1次要素を用いた場合には、 1次の補間によって界面の近似を行って いる。 なお、 この界面関数変換部 10は、 具体 には、 たとえば第 1図に示した ROM102、 RAMI 03、 HD105、 FD 107などに格納されたプログ ラムを CPU 101が実行することによって、 また第 1図に示した IZF 109 によってその機能を実現する。 In addition, as a specific expression method of the smoothed interface, the interpolation function used in the smoothing process (when solving the diffusion equation) is used. For example, if you use a first-order element to solve the diffusion equation, you can approximate the interface by first-order interpolation. I have. It should be noted that the interface function conversion unit 10 is executed by the CPU 101 executing a program stored in, for example, the ROM 102, the RAMI 03, the HD 105, the FD 107 shown in FIG. The function is realized by the IZF 109 shown in (1).
また、 表示制御部 6は、 流体解析部 5における解析結果を第 1図に示すディス プレイ 108に出力する。 この表示制御は、 V OF法による流体解析に一般的に 用いられるためその説明を省略する。 この表示制御部 6は、 具体的には、 たとえ ば第 1図に示した ROM 102、 RAMI 03、 HD 105、 FD 107などに 格納されたプログラムを CPU 101が実行することによって、 また第 1図に示 した IZF 109によってその機能を実現する。  In addition, the display control unit 6 outputs the analysis result of the fluid analysis unit 5 to the display 108 shown in FIG. Since this display control is generally used for fluid analysis by the VOF method, its description is omitted. Specifically, the display control unit 6 is executed by the CPU 101 executing a program stored in, for example, the ROM 102, the RAMI 03, the HD 105, and the FD 107 shown in FIG. The function is realized by the IZF 109 shown in Fig. 1.
つぎに、 本実施の形態にかかる処理手順について、 第 4図〜第 6図のフローチ ヤートを用いて説明する。 なお、 ここでは流体 Aは気体、 流体 Bは液体とする。 まず、 第 4図に示すように、 入力装置 (たとえば第 1図に示すキーボード 110 またはマウス 111) を介して、 解析対象となる流体 I Dが選択された場合 (ス テツプ S 401 : Ye s) 、 データ格納部 2から、 選択された流体 I Dを参照し て、 選択された流体 A, Bの流体物性値である密度 P A, β, 粘性係数 μ Βおよび表面張力係数 σΑ, σΒと、 選択された流体 Α, Βの初期流体挙動値であ る解析開始流速 uA, vA, wA, uB, vB, wBおよび解析開始圧力 pA, pBを 抽出する (ステップ S 402) 。 Next, a processing procedure according to the present embodiment will be described with reference to flowcharts in FIGS. Here, fluid A is gas and fluid B is liquid. First, as shown in FIG. 4, when a fluid ID to be analyzed is selected via an input device (for example, the keyboard 110 or the mouse 111 shown in FIG. 1) (Step S401: Yes), Referring to the selected fluid ID from the data storage unit 2, the density PA, β , viscosity coefficient μ Β and surface tension coefficient σ ,, σ which are the fluid property values of the selected fluids A and B are selected. The analysis start velocities u A , v A , w A , u B , v B , w B and the analysis start pressures p A , p B which are the initial fluid behavior values of the obtained fluids Α, (are extracted (step S 402). ).
このデータ抽出のあと、 選択された一方の流体に角军析開始界面関数 φ。 (界面 関数 ψ=1) 、 他方の流体に解析開始界面関数 φ。 (界面関数 φ = 0) を設定す る (ステップ S 403) 。 つぎに、 液体である流体 Βの表面張力を選択する (S After this data extraction, the angle of initiation interface function φ for one selected fluid is calculated. (Interface function ψ = 1), Analysis start interface function φ for the other fluid. (Interface function φ = 0) is set (step S403). Next, select the surface tension of the fluid あ る (S
404) 。 そして、 入力装置から解析開始入力を受け付けた場合 (ステップ S 4404). Then, when an analysis start input is received from the input device (step S 4
05 : Ye s) 、 データ格納部 2から、 あらかじめ格納された角军析対象範囲の固 定メッシュを抽出する (ステップ S 406) 。 そして、 式 (18) の拡散方程式 の仮想的な時間 sと仮想的な拡散係数 Kの値が入力された場合 (ステップ S 40 7 : Ye s) 、 抽出された固定メッシュごとに、 流体解析処理を実行する (ステ ップ S 408) 。 05: Yess), and extracts a fixed mesh of the angular analysis target range stored in advance from the data storage unit 2 (step S406). Then, when the values of the virtual time s and the virtual diffusion coefficient K of the diffusion equation of Equation (18) are input (Step S407: Yes), the fluid analysis process is performed for each of the extracted fixed meshes. Execute (Step (Top S 408).
第 5図おょぴ第 6図は、 流体解析処理の処理手順を示すフローチヤ一トである 。 まず、 第 5図に示すように、 データ抽出した各流体 A, Bの密度 pA, pBお よび粘性係数/ zA, zBと、 初期設定された解析開始界面関数 φ。を、 式 (6) お よび式 (7) の移流方程式に代入する (ステップ S 501) 。 そして、 この移流 方程式を解いて、 流体 A, B間の界面における未知密度 pおよび未知粘性係数 μ を算出する (ステップ S 502) 。 FIG. 5 and FIG. 6 are flowcharts showing the processing procedure of the fluid analysis processing. First, as shown in Fig. 5, the densities p A and p B and the viscosity coefficients / z A and z B of the fluids A and B from which the data were extracted, and the initial analysis start interface function φ. Is substituted into the advection equations of equations (6) and (7) (step S501). Then, the unknown density p and unknown viscosity coefficient μ at the interface between the fluids A and B are calculated by solving this advection equation (step S502).
つぎに、 算出密度 ρおよび算出粘性係数 と、 データ抽出された流体の解析開 始流速 uA, vA, wA, uB, vB, wB、 角军析開始圧力 pA, pBおよびステップ S 404において選択された表面張力係数 σ Bと、 解析開始界面関数 φ。とを、 式 ( 8 ) および式 (9) の Na v i e r—S t o k e s方程式 (式 (10) 〜式 (14) も含む) に代入する (ステップ S 503) 。 そして、 この Na v i e r -S t o k e s方程式を解いて、 所定時間経過後の流体 A, B間の界面における 未知流速 u, V, wおよび未知圧力 pを算出する (ステップ S 504) 。 Next, the calculated density ρ and the calculated viscosity coefficient, the analysis start flow velocity u A , v A , w A , u B , v B , w B of the fluid from which the data was extracted, and the angular analysis start pressures p A , p B And the surface tension coefficient σ B selected in step S404 and the analysis start interface function φ. Are substituted into the Navier-S tokes equations of equations (8) and (9) (including equations (10) to (14)) (step S503). The unknown flow velocity u, V, w and the unknown pressure p at the interface between the fluids A and B after a predetermined time are calculated by solving the Navier-S tokes equation (step S504).
この算出された算出流速 u, V , wを、 上記式 (15) に代入し (ステップ S 505) 、 上記式 (15) を上記式 (16) に展開する (ステップ S 506) 。 この展開された上記式 (16) に、 解析開始界面関数 φ。 (界面関数 φ=1また は界面関数 Φ = 0) を代入して、 タンジェント変換値 F (φ) を算出する (ステ ップ S 507) 。 そして、 上記式 (16) を式 (17) に変形し (ステップ S 5 08) 、 この変形した式 (17) に、 算出された F (φ) の値を代入して、 界面 関数 Φを算出する (ステップ S 509) 。  The calculated flow velocities u, V, w are substituted into the above equation (15) (step S505), and the above equation (15) is developed into the above equation (16) (step S506). In the expanded equation (16), the analysis start interface function φ is given. (Interface function φ = 1 or interface function Φ = 0) is substituted to calculate a tangent conversion value F (φ) (step S507). Then, the above equation (16) is transformed into equation (17) (step S508), and the calculated value of F (φ) is substituted into the transformed equation (17) to calculate the interface function Φ. (Step S509).
つぎに、 算出された界面関数 φを、 上記式 (18) の拡散方程式に代入して、 この拡散方程式を解き、'ステップ S 509で算出された界面関数 0を、 界面を平 滑にする界面関数 Φに変換する (ステップ S 510) 。  Next, the calculated interface function φ is substituted into the diffusion equation of the above equation (18), and this diffusion equation is solved, and the interface function 0 calculated in step S509 is replaced with the interface smoothing the interface. It is converted into a function Φ (step S510).
つぎに、 変換された界面関数 φと、 各流体 A, Bの密度 pA, pBおよび粘性 係数 μΑ, xBを、 上記式 (6) 、 式 (7) の移流方程式に代入する (ステップ S 601) 。 そして、 この移流方程式を解き、 未知密度 pおよび未知粘性係数 μ を算出する (ステップ S 602) 。 Next, the converted interface function φ, the densities p A and p B and the viscosity coefficients μ お よ び and x B of the fluids A and B are substituted into the advection equations of the above equations (6) and (7) ( Step S601). Then, solving this advection equation, unknown density p and unknown viscosity coefficient μ Is calculated (step S602).
つぎに、 ステップ S 602で算出された算出密度 Pおよび算出粘性係数 と、 ステップ S 504で算出された算出流速 u, v, wおよび算出圧力 pと、 'ステツ プ S 509で変換された界面関数 φと、 ステップ S 404で選択された表面張力 係数 σΒと、 を上記式 (8) および式 (9) の Na v i e r— S t o k e s方程 式 (式 (10) 〜式 (14) も含む) に代入する (ステップ S 603) 。 そして 、 この Na v i e r— S t o k e s方程式を解いて、 さらに所定時間経過後の流 体 A, B間の界面における算出流速 u, V, wおよび算出圧力 pを算出する (ス テツプ S 604) 。 Next, the calculated density P and the calculated viscosity coefficient calculated in step S602, the calculated flow velocities u, v, w, and the calculated pressure p calculated in step S504, and the interface function converted in step S509 and phi, and the surface tension coefficient sigma beta selected in step S 404, in the above equation (8) and Na vier- S tokes equations of formula (9) (formula (10) to (14) is also included) Substitution (step S603). Then, the Navier-Stokes equation is solved, and the calculated flow velocities u, V, w and the calculated pressure p at the interface between the fluids A and B after a predetermined time have elapsed are calculated (step S604).
つぎに、 ステップ S 604で算出された算出流速 u, v, wを上記式 (15) に代入し (ステップ S 605) 、 上記式 (16) に展開する (ステップ S 606 ) 。 この展開された式 (16) に、 ステップ S 5 10で算出された、 変換された 界面関数 Φを代入して、 タンジェント変換値 F (φ) を算出する (ステップ S 6 07) D Next, the calculated flow velocities u, v, w calculated in step S604 are substituted into the above equation (15) (step S605), and are developed into the above equation (16) (step S606). The tangent conversion value F (φ) is calculated by substituting the converted interface function Φ calculated in step S510 into the expanded equation (16) (step S607) D
そして、 上記式 (16) を式 (17) に変形し (ステップ S 608) 、 この変 形した式 (17) に、 ステップ S 607で算出された F (φ) の値を代入して、 あらたな界面関数 Φを算出する (ステップ S 609) 。 そして、 このステップ S 609で算出した界面関数 φを、 上記式 (18) の拡散方程式に代入して、 この 拡散方程式を解き、 ステップ S 609で算出された界面関数 を、 界面近傍を平 滑にする界面関数 φに変換する (ステップ S 610) 。 以後、 ステップ S 601 〜ステップ S 610を繰り返し実行する。  Then, the above equation (16) is transformed into equation (17) (step S608), and the value of F (φ) calculated in step S607 is substituted into the transformed equation (17), and Calculate the interface function Φ (step S609). Then, the interface function φ calculated in step S609 is substituted into the diffusion equation of the above equation (18) to solve the diffusion equation, and the interface function calculated in step S609 is smoothed in the vicinity of the interface. (Step S610). Thereafter, steps S601 to S610 are repeatedly executed.
このように、 VOF法のみによる流体解析では、 非現実的な流体解析となる一 方、 本実施の形態にかかる流体解析装置 1は、 VOF法にデジタイザ法を組み合 わせて不連続な関数を正確に計算し、 さらに拡散方程式により、 平滑化処理を施 すことにより、 不連続すぎる関数によって再現されている界面を、 実際の現象で 生じている滑らかな (もっともらしい) 界面に、 簡単な解析方法により評価する ことができる。 なお、 上述した実施の形態にかかる流体解析装置 1においては、 流体の支配方 程式として、 式 (4) および式 (5) に示す N a v i e r -S t o k e s方程式 を適用することとしたが、 流体の支配方程式であれば、 この式に限定されること はなく、 他の流体の支配方程式も用いることができる。 この場合、 データ格納部 2に格納されるデータは、 適用された支配方程式に適用可能 (代入可能) なデー タを格納することとなる。 As described above, the fluid analysis using only the VOF method results in an unrealistic fluid analysis, whereas the fluid analysis device 1 according to the present embodiment combines the VOF method with the digitizer method to generate a discontinuous function. By accurately calculating and smoothing by the diffusion equation, the interface reproduced by a function that is too discontinuous can be easily converted into a smooth (plausible) interface generated by actual phenomena. It can be evaluated by the method. In the fluid analysis apparatus 1 according to the above-described embodiment, the Navier-S tokes equation shown in Expressions (4) and (5) is applied as the governing equation of the fluid. As long as the governing equation is not limited to this equation, governing equations for other fluids can also be used. In this case, the data stored in the data storage unit 2 stores data applicable (substitutable) to the applied governing equation.
また、 上述した実施の形態にかかる流体解析装置 1においては、 平滑化手法と して、 式 (1 8) に示す拡散方程式によって界面関数を変換して、 界面近傍を平 滑化することとしておるが、 この拡散方程式に限定されることはなく、 他に、 た とえば、 川原らの提案したセレクティブランビングパラメータ法などの界面関数 に数値拡散 (粘性) の作用を与える手法も適用することができる。  Further, in the fluid analysis device 1 according to the above-described embodiment, as a smoothing method, the interface function is converted by a diffusion equation shown in Expression (18) to smooth the vicinity of the interface. However, the present invention is not limited to this diffusion equation. For example, it is also possible to apply a method of giving the effect of numerical diffusion (viscosity) to an interface function, such as the selective rubbing parameter method proposed by Kawahara et al. it can.
このセレクティブランビングパラメータ法は、 下記式 (1 9) を用いることに よって、 対象とする界面関数 11を、 数^ ί直拡散の作用を与えた界面関数 Φ η + 1に 変換する手法である。 This selective rubbing parameter method is a method of converting the target interface function 11 into an interface function Φ η + 1 having an effect of several ^ ί direct diffusion by using the following equation (19). .
Iterate: For n = 1,2, ..., m do:
Figure imgf000024_0001
Iterate: For n = 1,2, ..., m do:
Figure imgf000024_0001
この式 (1 9) 中の MLump e dは、 時間微分項を有限要素法によって定式化し たときに導出される質量行列 Mを集中化した行列であり集中質量行列と呼ばれて いる。 ここで、 n (n= l, 2, , m) は反復回数であり、 n= lの ときの界面関数 φ 1が、 上記式 (1 7) によって算出される界面関数である。 この式 (1 9) によって算出された界面関数 φ η + 1は、 つぎの反復計算のとき には、 界面関数 Ψ ηとして用いられ、 あらたな界面関数 Φ η + 1を算出する。 そし て、 m回目に反復された界面関数 <i>m+1が、 界面近傍を平滑にするために界面関 数 Φ 1から変換された界面関数 Φとなり、 上記式 (6) および式 (7) の移流方 程式に用いることとなる。 M Lump ed in this equation (19) is a concentrated matrix of the mass matrix M derived when the time derivative term is formulated by the finite element method, and is called a concentrated mass matrix. Here, n (n = l, 2,, m) is the number of iterations, and the interface function φ 1 when n = l is the interface function calculated by the above equation (17). Interface function phi eta + 1 calculated by the equation (1-9), when the next iteration is used as the interface function [psi eta, calculates a new interface function [Phi eta + 1. Then, the interface function <i> m + 1 repeated at the m-th time becomes the interface function Φ converted from the interface function Φ 1 to smooth the vicinity of the interface, and the above equation (6) and equation (7) ) Will be used for the advection equation.
また、 MMi x e dは、 下記式 (20) に示すように、 集中質量行列 MLump e dと 質量行列 Mを混合した行列であり混合質量行列と呼ばれている。 MMixed = eMLumped +e)M , o<e<l · · · (20) Further, M Mi xed is called a following formula (20) as shown in, lumped mass matrix M Lump ed and mass matrix M is a matrix obtained by mixing a mixed mass matrix. M Mixed = eM Lum pe d +e) M , o <e <l
ここで、 e はランビングパラメータと呼ばれている。 eは、 式 (1 9) を使 用するときの人工粘性の度合いを調節する値で、 0. O eく 1. 0であり、 そ の性質は eの値が 1. 0に近づくほど人工的な粘性が少なくなるというもので ある。 '  Here, e is called the Ramving parameter. e is a value that adjusts the degree of artificial viscosity when using Eq. (19), and is 0.0 Oe 1.0, and the property is that the more artificial the value of e approaches 1.0, the more artificial e Is that the natural viscosity is reduced. '
拡散方程式に代えて、 このセレクティブランビングパラメ一タ法を用いる場合 、 第 4図に示すステップ S 406において、 反復回数 mと、 ランビングパラメ一 タ eを入力する。 これにより、 ステップ S 407において、.対象とする界面関数 φηに対し、 式 (1 9) の計算を m回反復させることができ、 界面関数 φの平滑 化を実行することができる。 When this selective rubbing parameter method is used instead of the diffusion equation, in step S406 shown in FIG. 4, the number of repetitions m and the rumbling parameter e are input. Thus, in step S 407, to the interface function phi eta to be. Interest, can be m times repeating the calculation of equation (1 9), it is possible to perform a smoothing of the surface function phi.
セレクティブランビングパラメータ法は、 上記式 (1 9) を求めるのみでよい ので、 数値拡散の作用を与えるための計算が簡便である。 この手法は有限要素法 の定式化において質量行列の集中化が可能な場合に適用できる。 また、 入力する 数直は、 拡散方程式にあっては、 仮想的な時間 sおよび拡散係数 Kをメッシュ幅 に基づいて正確に規定している。  Since the selective rubbing parameter method only needs to obtain the above equation (19), the calculation for giving the effect of numerical diffusion is simple. This method can be applied when the mass matrix can be concentrated in the formulation of the finite element method. In addition, in the diffusion equation, a virtual time s and a diffusion coefficient K are accurately specified based on a mesh width.
セレクティプランビングパラメータ法では、 反復回数 (1以上の整数) とラン ビングパラメータ e "(0. 0≤ e < 1. 0) であるため、 入力する数値は単純な 値でよく、 拡散方程式における仮想的な時間 sおよび拡散係数 Kの設定よりも簡 単に数ィ直設定をおこなうことができる。  In the selective plumbing parameter method, since the number of iterations (an integer greater than or equal to 1) and the running parameter e "(0. 0 ≤ e <1.0), the input value can be a simple value, and the virtual It is easier to set the number directly than setting the effective time s and diffusion coefficient K.
なお、 上述した実施の形態にかかる流体解析装置 1においては、 選択した流体 が気体と液体の場合について説明したが、 液体同士、 または気体同士の場合には 、 これらの界面における表面張力係数の実験値をあらかじめデータ格納部 2に格 納しておき、 選択された流体の組み合わせによって、 式 (1 3) .に用いる表面張 力係数を選択することとしてもよい。  In the fluid analyzing apparatus 1 according to the above-described embodiment, the case where the selected fluid is a gas and a liquid has been described. The values may be stored in the data storage unit 2 in advance, and the surface tension coefficient used in the equation (13) may be selected according to the selected combination of fluids.
つぎに、 第 45図の解析モデルを用いて、 V OF法のみによる流体解析、 VO F法とデジタィザ法とを組み合わせた流体解析および本実施の形態にかかる流体 解析装置 1による流体解析と、 を比較した例を第 7図〜第 1 7図に示す。 この第 7図〜第 1 7図は、 0 . 5秒ごとに流体角军析した例である。 Next, using the analysis model shown in Fig. 45, the fluid analysis using only the VOF method, the fluid analysis combining the VOF method and the digitizer method, and the fluid analysis using the fluid analysis device 1 according to the present embodiment are described as follows. FIGS. 7 to 17 show comparative examples. This second FIGS. 7 to 17 are examples in which fluid angle analysis was performed every 0.5 seconds.
第 7図に示すように、 VO F法とデジタイザ法との組み合わせでは、 界面がガ タガタに形成されているが、 本実施の形態にかかる流体解析では、 デジタイザ法 によって得られた不連続すぎる界面関数 Φを拡散方程式によって平滑ィ匕処理を施 している。 このため、 第 7図〜第 1 7図に示すように、 本実施の形態にかかる流 体解析でほ、 実際の現象における (表面張力の影響によって生じる) 界面の滑ら かさをあらわすことができる。  As shown in Fig. 7, in the combination of the VOF method and the digitizer method, the interface is rattled. However, in the fluid analysis according to the present embodiment, the discontinuous interface obtained by the digitizer method is too discontinuous. The function Φ is smoothed by the diffusion equation. Therefore, as shown in FIGS. 7 to 17, the fluid analysis according to the present embodiment can show the smoothness of the interface (caused by the influence of surface tension) in the actual phenomenon.
なお、 V O F法では、 第 7図〜第 1 7図に示すように、 不連続な分布をもつ界 面関数 Φの精度が悪いために、 計算が進むにしたがって、 2つの流体、 すなわち 空気と水の界面力 Sぼやけてしまい、 正確に 2つの流体の界面が計算できていない こととなる。 また、 V O F法とデジタイザ法との糸且み合わせでは、 界面関数 φの 値が 0と 1のみであるため、 極端に不連続となるため、 第 9図〜第 1 7図に示す ように、 0 . 7秒後には、 計算不能に陥っていることがわかる。  In the VOF method, as shown in Fig. 7 to Fig. 17, the accuracy of the discontinuous distribution of the surface function Φ is poor, and as the calculation proceeds, two fluids, namely, air and water The interface force S is blurred, and the interface between the two fluids cannot be calculated accurately. In addition, in the combination of the VOF method and the digitizer method, since the value of the interface function φ is only 0 and 1, it is extremely discontinuous, and as shown in FIGS. 9 to 17, After 0.7 seconds, it can be seen that calculation is impossible.
つぎに、 第 1 8図の解析モデルを用いた流体解析例を、 第 1 9図および第 2 0 図に示す。 このシミュレーションは、 液体中の気体 (気泡) が水面に向かって上 昇していく現象を計算したものである。 液体中を上昇する気泡の形状は、 液体と 気体の物性値および気泡の大きさのバランスによつて様々に変化する。  Next, examples of fluid analysis using the analysis model in FIG. 18 are shown in FIGS. 19 and 20. This simulation calculates the phenomenon that gas (bubbles) in a liquid rises toward the water surface. The shape of bubbles rising in a liquid varies depending on the physical properties of the liquid and gas and the balance of the bubble size.
気泡流に関する実験は 1 9 7 3年に J . R . G r a c eらによって、 液体と気 体の物性値からなる 3つの無次元された物性指標として、 数種類の代表的な気泡 の形状に分類できることが示されている。 第 1 9図は、 計算条件として気泡が S p h e r i c a 1 (球状) と呼ばれる形状になる物性指標を採用した計算結果で ある。 一方、 第 2 0図は気泡が S k i r t e d (スカート形状) と呼ばれる形状 になる物性指標を採用した計算結果である。 第 1 9図および第 2 0図のいずれも 無次元された物性指標に対応した特徴的な形状が再現されており、 本実施の形態 にかかる流体解析の信頼性を評価することができる。  Experiments on bubbly flow were conducted by J.R.G.race et al. In 1973, and could be classified into several typical bubble shapes as three dimensionless physical property indicators consisting of physical properties of liquid and gas. It is shown. Fig. 19 shows the results of calculations using a physical property index that causes the bubbles to have a shape called Spherica1 (spherical shape) as the calculation conditions. On the other hand, Fig. 20 shows the results of calculations using physical property indices that result in bubbles having a shape called Skirtd (skirt shape). Both FIG. 19 and FIG. 20 reproduce the characteristic shape corresponding to the dimensionless physical property index, and can evaluate the reliability of the fluid analysis according to the present embodiment.
つぎに、 第 2 1図の解析モデルを用いた流体解析例を、 第 2 2図〜第 3 0図に 示す。 この解析モデルは、 ランスから高温高圧な純酸素ガスを流入して鉄や銅な どの金属を する転炉内部における流れ現象を解析するモデルである。 第 2 2 図〜第 3 0図に示すように、 高速な酸素流入および両流体の密度が大きく異なる (純酸素ガスの密度 3 . 0 k g /m 3に対し、 金属の密度は 7 . 0 X 1 0 3 k g /m3) という過酷な条件下であっても、 安定した解析結果を得ることができ、 正確な界面評価をおこなうことができる。 Next, examples of fluid analysis using the analysis model of FIG. 21 are shown in FIGS. This analysis model is based on the flow of high-temperature and high-pressure pure oxygen gas This is a model for analyzing the flow phenomena inside the converter where any metal is formed. As shown in the second 2 Fig-3 0 Figure respect density 3. 0 kg / m 3 of density of fast oxygen inflow and both fluids are significantly different (pure oxygen gas, the density of the metal is 7. 0 X Even under severe conditions (10 3 kg / m 3 ), stable analysis results can be obtained, and accurate interface evaluation can be performed.
このように、 転炉内では、 高温のため内部の状態を監視することが不可能であ るが、 本実施の形態の流体解析によれば、 転炉内部の流体の挙動を捕捉すること ができる。 これにより、 転炉の大きさなど転炉の設計変更にも活用することがで さる。  As described above, in the converter, it is impossible to monitor the internal state because of the high temperature. However, according to the fluid analysis of the present embodiment, it is impossible to capture the behavior of the fluid inside the converter. it can. This can be used for converter design changes such as the size of the converter.
つぎに、 第 3 1図の解析モデルを用いた流体解析例を、 第 3 2図〜第 3 9図に 示す。 第 3 2図は、 固定メッシュに分割したメッシュ図である。 この解析モデノレ は、 ノズルからインクを噴射する流体の挙動を解析するモデルである。 第 3 3図 〜第 3 9図に示すように、 インクがノズ から噴射されて底面に落ちる状態がわ 力る。 この例で示すように、 ミクロンオーダーの流体解析も忠実に再現すること ができ、 肉眼では捉えることができない流体の挙動を捕捉することができる。 また、 図示はしないが、 本実施の形態にかかる流体解析装置 1では、 このほか 、 河川の氾濫、 海上の波の流体挙動、 容器内の液体の挙動、 運転中におけるタン クローリ一車が搭載するタンク内部の液体の挙動またはこれらをコンピュータグ ラフィックに応用した場合など、 各種分野において適用することができる。  Next, examples of fluid analysis using the analysis model in FIG. 31 are shown in FIGS. 32 to 39. FIG. 32 is a mesh diagram divided into fixed meshes. This analysis model is a model that analyzes the behavior of the fluid that ejects ink from the nozzles. As shown in Fig. 33 to Fig. 39, the state where ink is ejected from the nozzle and falls to the bottom surface is noticeable. As shown in this example, micron-order fluid analysis can be faithfully reproduced, and fluid behavior that cannot be captured by the naked eye can be captured. Although not shown, the fluid analysis device 1 according to the present embodiment also includes a river flood, a fluid behavior of waves at sea, a behavior of liquid in a container, and a tank truck during operation. It can be applied in various fields such as the behavior of liquid in a tank or when these are applied to computer graphics.
以上説明したように、 本実施の形態にかかる流体解析装置 1では、 複雑な界面 を扱うために V O F法を採用し、 精度の良い自由表面を計算するために C I Ρ法 で提案 '採用されているデジタイザ法を有限要素法 (安定化気泡関数法) の解法 に取り込んだ。 '  As described above, the fluid analysis device 1 according to the present embodiment adopts the VOF method to handle complicated interfaces, and proposes the CI に method to calculate an accurate free surface. Digitizer method was incorporated into the finite element method (stabilized bubble function method). '
C I Ρ法は時間方向の定式化において陽解法を使用する必要があり、 非常に過 酷な計算条件 (特に高速な流入速度の条件) のもとでは、 数値的な安定性に限界 があるが (C F L条件) 、 安定化気泡関数法は陰解法を採用できるので時間方向 に関する数値的な安定性に対して非常に有利である。 さらに、 有限要素法でデジ タイザ法を取り込むにあたって、 界面の評価のしかたを有限要素法で計算をする うえで正確に表現できるような平滑化手法を採用したことにより、 不連続すぎる 界面変数の不連続面を平滑化する処理をおこなうことができる。 The CI Ρ method requires the use of an explicit method in the time direction formulation, and under very severe calculation conditions (especially at high inflow rates), numerical stability is limited ( CFL condition) The stabilized bubble function method can adopt an implicit method, which is very advantageous for numerical stability in the time direction. In addition, the finite element method Incorporating the tizer method, a smoothing method that can accurately represent the interface evaluation method by calculating using the finite element method is used. Can be performed.
なお、 本実施の形態で説明した流体解析方法は、 予め用意されたプログラムを パーソナゾレ■ コンピュータやワークステーション等のコンピュータ 実行するこ とにより実現することができる。 このプログラムは、 ハードディスク、 フレキシ プルディスク、 C D— R OM、 MO、 D VD等のコンピュータで読み取り可能な 記録媒体に記録され、 コンピュータによつて記録媒体から読み出されることによ つて実行される。 またこのプログラムは、 インターネット等のネットワークを介 して配布することが可能な伝送媒体であってもよい。 産業上の利用可能性  The fluid analysis method described in the present embodiment can be realized by executing a prepared program on a computer such as a personal computer or a workstation. This program is recorded on a computer-readable recording medium such as a hard disk, a flexible disk, a CD-ROM, an MO, and a DVD, and is executed by being read from the recording medium by the computer. The program may be a transmission medium that can be distributed via a network such as the Internet. Industrial applicability
以上説明したように、 この発明の流体解析方法、 流体解析プログラムおよび流 体解析装置によれば、 簡便で汎用的な解析手法により、 実際の自由表面問題を持 つ流れの挙動を正確に解析することができるという効果を奏する。 さらに、 物性 値の異なる流体間における表面張力がもたらす界面上の滑らかさを界面関数に取 り入れることができるという効果を奏する。  As described above, according to the fluid analysis method, the fluid analysis program and the fluid analysis device of the present invention, the behavior of a flow having an actual free surface problem can be accurately analyzed by a simple and general-purpose analysis method. It has the effect of being able to. Furthermore, there is an effect that the smoothness on the interface caused by the surface tension between fluids having different physical properties can be incorporated into the interface function.

Claims

請 求 の 範 囲 The scope of the claims
1 . 移流方程式を用いて、 界面を形成する各流体の既知物性値に基づいて、 前記 流体間の界面近傍における第 1の未知物性値を算出する第 1の未知物性値算出ェ 程と、 1. a first unknown property value calculation step of calculating a first unknown property value near the interface between the fluids based on the known property values of the respective fluids forming the interface using an advection equation;
流体の支配方程式を用いて、 前記第 1の未知物性値算出工程によって算出され た第 1の未知物性値に基づいて、 前記流体間の界面近傍における挙動をあらわす 第 1の未知流体挙動値を算出する第 1の未知流体挙動値算出工程と、  A first unknown fluid behavior value representing a behavior near the interface between the fluids is calculated based on the first unknown property value calculated in the first unknown property value calculation step using a governing equation of the fluid. A first unknown fluid behavior value calculation step,
デジタイザ法を用いて、 前記第 1の未知流体挙動値算出工程によって算出され た第 1の未知流体挙動 に基づいて、 前記流体間の界面近傍における界面関数を 算出する界面関数算出工程と、  An interface function calculating step of calculating an interface function near the interface between the fluids based on the first unknown fluid behavior calculated in the first unknown fluid behavior value calculating step using a digitizer method;
平滑化手法を用いて、 前記界面関数算出工程によって算出された界面関数を変 換する界面関数変換工程と、  An interface function conversion step of converting the interface function calculated in the interface function calculation step using a smoothing method;
を含んだことを特徴とする流体解析方法。  A fluid analysis method comprising:
2 . 前記移流方程式を用いて、 前記界面を形成する前記各流体の既知物性値と、 前記界面関数変換工程によって変換された界面関数と、 に基づいて、 前記流体間 の界面近傍における第 2の未知物性値を算出する第 2の未知物性値算出工程と、 前記流体の支配方程式を用いて、 前記第 2の未知物性値算出工程によって算出 された第 2の未知物性値と、 前記第 1の未知流体挙動値算出工程によって算出さ れた第 1の未知流体挙動ィ直と、 に基づいて、 前記流体間の界面近傍における挙動 をあらわす第 2の未知流体挙動値を算出する第 2の未知流体挙動値算出工程と、 を含んだことを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の流体解析方法。 2. Using the advection equation, a second property near the interface between the fluids based on the known physical property values of the fluids forming the interface and the interface function converted by the interface function conversion step. A second unknown property value calculating step of calculating an unknown property value; a second unknown property value calculated by the second unknown property value calculating step using the governing equation of the fluid; and A second unknown fluid that calculates a second unknown fluid behavior value representing a behavior near the interface between the fluids based on the first unknown fluid behavior value calculated in the unknown fluid behavior value calculation step and 2. The fluid analysis method according to claim 1, further comprising: a behavior value calculating step.
3 . 移流方程式を用いて、 界面を形成する各流体の既知物性値に基づいて、 前記 流体間の界面近傍における第 1の未知物性値を算出する第 1の未知物性値算出ェ 程と、 流体の支配方程式を用いて、 前記第 1の未知物性値算出工程によって算出され た第 1の未知物性値と、 前記いずれか一方の流体の表面張力係数と、 前記界面の 曲率をあらわす曲率関数と、 に基づいて、 前記流体間の界面近傍における挙動を あらわす第 1の未知流体挙動値を算出する第 1の未知流体挙動値算出工程と、 デジタィザ法を用いて、 前記第 1の未知流体挙動値算出工程によって算出され た第 1の未知流体挙動値に基づいて、 前記流体間の界面近傍における界面関数を 算出する界面関数算出工程と、 3. a first unknown property value calculating step of calculating a first unknown property value near the interface between the fluids based on the known property values of the respective fluids forming the interface using an advection equation; A first unknown physical property value calculated in the first unknown physical property value calculation step using a governing equation of a fluid, a surface tension coefficient of one of the fluids, and a curvature function representing a curvature of the interface. A first unknown fluid behavior value calculating step of calculating a first unknown fluid behavior value representing a behavior in the vicinity of the interface between the fluids based on the first unknown fluid behavior value using a digitizer method. An interface function calculating step of calculating an interface function near the interface between the fluids based on the first unknown fluid behavior value calculated in the calculating step;
平滑化手法を用いて、 前記界面関数算出工程によって算出された界面関数を変 換する界面関数変換工程と、  An interface function conversion step of converting the interface function calculated in the interface function calculation step using a smoothing method;
を含んだことを特徴とする流体解析方法。  A fluid analysis method comprising:
4 . 前記移流方程式を用いて、 前記界面を形成する前記各流体の既知物性値と、 前記界面関数変換工程によって変換された界面関数と、 に基づいて、 前記流体間 の界面近傍における第 2の未知物性値を算出する第 2の未知物性値算出工程と、 前記流体の支配方程式を用いて、 前記第 2の未知物性値算出工程によって算出 された第 2の未知物性値と、 前記第 1の未知流体挙動値算出工程によって算出さ れた第 1の未知流体挙動値と、 前記いずれか一方の流体の表面張力係数と、 前記 変換された界面関数から得られる前記流体間の界面における曲率と、 前記界面の 曲率をあらわす曲率関数と、 に基づいて、 前記流体間の界面近傍における挙動を あらわす第 2の未知流体挙動値を算出する第 2の未知流体挙動値算出工程と、 を含んだことを特徴とする請求の範囲第 3項に記載の流体解析方法。 4. Using the advection equation, a second physical property near the interface between the fluids based on the known physical property values of the fluids forming the interface and the interface function converted by the interface function conversion step. A second unknown property value calculating step of calculating an unknown property value; a second unknown property value calculated by the second unknown property value calculating step using the governing equation of the fluid; and A first unknown fluid behavior value calculated in the unknown fluid behavior value calculation step, a surface tension coefficient of one of the fluids, a curvature at an interface between the fluids obtained from the converted interface function, A second unknown fluid behavior value calculation step of calculating a second unknown fluid behavior value representing a behavior near the interface between the fluids based on a curvature function representing a curvature of the interface, and Special Fluid analysis method according to claim 3 to.
5 . 請求の範囲第 1項〜第 4項のいずれか一つに記載の流体解析方法を、 コンビ ユータに実行させることを特徴とする流体解析プログラム。 5. A fluid analysis program for causing a computer to execute the fluid analysis method according to any one of claims 1 to 4.
6 . 流体ごとに前記流体の性質をあらわす既知物性値を格納するデータ格納手段 と、 解析対象となる流体を 2つ選択し、 この選択された流体の既知物性値を前記デ ータ格納手段から抽出するデータ抽出手段と、 6. Data storage means for storing a known physical property value representing a property of the fluid for each fluid; Data extraction means for selecting two fluids to be analyzed and extracting known physical property values of the selected fluid from the data storage means;
流体の支配方程式を用いて、 前記流体の界面近傍における物性値に基づいて、 前記流体間の界面近傍における挙動をあらわす流体挙動値を算出する流体挙動値 算出手段と、  A fluid behavior value calculating means for calculating a fluid behavior value representing a behavior in the vicinity of the interface between the fluids based on a physical property value in the vicinity of the interface of the fluid using a governing equation of the fluid;
デジタイザ法を用いて、 前記流体挙動値算出手段によって算出された流体挙動 値に基づいて、 前記流体間の界面近傍における界面関数を算出する界面関数算出 手段と、  Interface function calculating means for calculating an interface function near the interface between the fluids based on the fluid behavior value calculated by the fluid behavior value calculating means, using a digitizer method;
平滑化手法を用いて、 前記界面関数算出手段によって算出された界面関数を変 換する界面関数変換手段と、  An interface function conversion unit that converts the interface function calculated by the interface function calculation unit using a smoothing method;
移流方程式を用いて、 前記データ抽出手段によって抽出された流体の物性値と 、 前記界面関数変換手段によって変換された界面関数と、 に基づいて、 前記流体 間の界面近傍における物性値を算出する物性値算出手段と、  Using an advection equation, based on the physical property values of the fluid extracted by the data extracting means and the interface functions converted by the interface function converting means, calculating physical property values near the interface between the fluids Value calculation means;
を備えることを特徴とする流体解析装置。  A fluid analysis device comprising:
7 . 前記データ格納手段は、 さらに、 前記流体ごとに、 表面張力係数を格納して おり、 7. The data storage means further stores a surface tension coefficient for each of the fluids,
前記データ抽出手段は、 さらに、 前記流体選択手段によって選択された流体の うちいずれか一方の表面張力係数を、 前記データ格納手段から抽出し、  The data extraction unit further extracts, from the data storage unit, a surface tension coefficient of one of the fluids selected by the fluid selection unit,
前記流体挙動値算出手段は、 前記流体の支配方程式を用いて、 さらに、 前記デ ータ抽出手段から抽出された!/、ずれか一方の流体の表面張力係数と、 前記界面関 数変換手段によつて変換された界面関数と、 前記変換された界面関数から得られ る前記流体間の界面における曲率と、 に基づいて、 前記流体間の界面近傍におけ る挙動をあらわす流体挙動値を算出することを特徴とする請求の範囲第 6項に記 載の流体解析装置。  The fluid behavior value calculating means is further extracted from the data extracting means using the governing equation of the fluid! /, The surface tension coefficient of one of the fluids, the interface function converted by the interface function conversion means, and the curvature at the interface between the fluids obtained from the converted interface function. 7. The fluid analyzer according to claim 6, wherein a fluid behavior value representing a behavior near an interface between the fluids is calculated.
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