JP5945183B2 - Simulation device, simulation method, and simulation program - Google Patents
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Description
本発明は、シミュレーション装置に関し、特に、混相流における自由界面を体積追跡法に従ってシミュレーションするための、シミュレーション装置、シミュレーション方法、および、シミュレーションプログラムに関する。 The present invention relates to a simulation apparatus, and more particularly to a simulation apparatus, a simulation method, and a simulation program for simulating a free interface in a multiphase flow according to a volume tracking method.
従来から、混相流における自由界面の解析法について、種々の提案がなされている。その中の一つである体積追跡法は、体積占有率を用いて格子上に界面を表現する方法である。 Conventionally, various proposals have been made on methods for analyzing free interfaces in multiphase flows. One of them, the volume tracking method, is a method of expressing an interface on a lattice using a volume occupancy.
体積占有率は、次の式(1)で示される。二相流系において、ある格子が完全に一方の流体で占められている場合は当該関数の値は1であり、完全に他方の流体で占められている場合は当該関数の値は0である。そして、この関数の値は、一方の流体の占める割合に応じて、0から1の値をとる。 The volume occupation ratio is expressed by the following formula (1). In a two-phase flow system, the value of the function is 1 if a grid is completely occupied by one fluid, and the value of the function is 0 if it is completely occupied by the other fluid. . The value of this function takes a value from 0 to 1 depending on the proportion of one fluid.
式(1)において、tは時間を示し、αは各セルの一方の流体の占有率を示す。また、vベクトル(式(1)中のvの上に矢印が付されて表記されたもの)は、上記一方の流体の、各セルの図28に示されるような流速uの、再構築の方向についてのベクトル量である。 In the formula (1), t represents time, and α represents the occupation ratio of one fluid in each cell. Further, the v vector (represented by adding an arrow above v in the expression (1)) is the reconstructed flow rate u of the one fluid as shown in FIG. 28 of each cell. This is the vector quantity for the direction.
各セルの占有率について、図29および図30を参照して説明する。
図29は、2つの流体が存在する状態を模式的に示す図である。図29では、ハッチングを付されていない部分が一方の流体の存在領域を示し、ハッチングを付された部分が他方の流体の存在領域を示す。なお、図29では、6×6の36個のセルが定義された状態が示されている。そして、図29の36個のセルのそれぞれにおける、上記一方の流体の占有率を、図30に示す。
The occupation ratio of each cell will be described with reference to FIG. 29 and FIG.
FIG. 29 is a diagram schematically illustrating a state in which two fluids exist. In FIG. 29, the hatched portion indicates the presence area of one fluid, and the hatched portion indicates the presence area of the other fluid. FIG. 29 shows a state where 36 cells of 6 × 6 are defined. FIG. 30 shows the occupation ratio of the one fluid in each of the 36 cells in FIG.
図30に示されるような各セルの或る流体の占有率から、図29に示されるような界面を再構築するための方法も、従来から種々提案されている。 Various methods for reconstructing the interface as shown in FIG. 29 from the occupation ratio of a certain fluid in each cell as shown in FIG. 30 have been proposed.
たとえば、非特許文献1には、THINC(tangent of hyperbola for interface capturing)法が開示されている。この方法は、1)移流量の正確な保存、2)数値誤差の効率的な除去、および、3)体積占有率における階段的な変化の近傍でのスプリアスな発振(spurious oscillation)を発生の回避を目的として、特徴的な補完関数を採用している。この方法では、補完関数として、双曲線正接関数(the hyperbolic tangent functions)が利用されている。
For example, Non-Patent
さらに、非特許文献2には、x軸とy軸の両方の界面の単位法線ベクトルを重み付けして再構築に用いる、THINC/WLIC(weighted line interface calculation)法が開示されている。
Further, Non-Patent
しかしながら、複雑な自由界面の流れのシミュレーションは、まだ現実の流れを正確に再現できているとは言えず、検討の余地が残されている。 However, it cannot be said that the simulation of the flow of a complicated free interface can still accurately reproduce the actual flow, and there is still room for examination.
本発明は、かかる実情に鑑み考え出されたものであり、その目的は、より正確に自由界面を再構築できるシミュレーション装置、シミュレーション方法、および、シミュレーションプログラムを提供することである。 The present invention has been conceived in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a simulation apparatus, a simulation method, and a simulation program that can reconstruct a free interface more accurately.
本発明に従ったシミュレーション装置は、2種類以上の流体からなる混相流における自由界面をシミュレーションするためのシミュレーション装置であって、シミュレーション対象が分割された複数のセルのそれぞれにおける2種類以上の流体のうちの1の流体の占有率αを算出するための算出手段と、変数βおよびγを含む式(A1)および式(A2)を用いるTHINC法に従って、各セルの第1の軸に沿った界面χ(x)の再構築を行なうための再構築手段とを備え、 A simulation apparatus according to the present invention is a simulation apparatus for simulating a free interface in a multiphase flow composed of two or more kinds of fluids, wherein two or more kinds of fluids in each of a plurality of cells into which a simulation target is divided. The interface along the first axis of each cell according to the THINC method using the calculation means for calculating the occupancy ratio α of one of the fluids and the equations (A1) and (A2) including the variables β and γ reconstructing means for reconstructing χ (x),
再構築手段は、各セルの第1の軸に沿った方向についての変数βを、各セルの法線ベクトルの、当該第1の軸に対する勾配として算出する。 The reconstruction means calculates the variable β in the direction along the first axis of each cell as the gradient of the normal vector of each cell with respect to the first axis.
本発明に従ったシミュレーション方法は、2種類以上の流体からなる混相流における自由界面をシミュレーションするためのコンピュータによって実行されるシミュレーション方法であって、シミュレーション対象が分割された複数のセルのそれぞれにおける2種類以上の流体のうちの1の流体の占有率αを算出するステップと、変数βおよびγを含む式(A1)および式(A2)を用いるTHINC法に従って、各セルの第1の軸に沿った界面の再構築を行なうステップと、 The simulation method according to the present invention is a simulation method executed by a computer for simulating a free interface in a multiphase flow composed of two or more kinds of fluids, and is a 2 in each of a plurality of cells into which a simulation target is divided. Along the first axis of each cell according to the THINC method using the steps (A1) and (A2) including the variables β and γ, and calculating the occupation ratio α of one of the fluids of the types or more Restructuring the interface,
式(A1)における変数βを求めるための定数であって、シミュレーションにおいて定義される第1の軸を含む2以上の軸ごとに設定された定数を記憶するステップとを備え、再構築を行なうステップは、各セルの第1の軸に沿った方向についての変数βを、各セルの法線ベクトルの、当該第1の軸に対する勾配として算出する。 Storing the constant set for each of two or more axes including the first axis defined in the simulation, which is a constant for obtaining the variable β in the formula (A1), and performing the reconstruction Calculates the variable β in the direction along the first axis of each cell as the gradient of the normal vector of each cell with respect to the first axis.
本発明に従ったシミュレーションプログラムは、2種類以上の流体からなる混相流における自由界面をシミュレーションするためのコンピュータによって実行されるシミュレーションプログラムであって、シミュレーションプログラムは、コンピュータに、シミュレーション対象が分割された複数のセルのそれぞれにおける2種類以上の流体のうちの1の流体の占有率αを算出するステップと、変数βおよびγを含む式(A1)および式(A2)を用いるTHINC法に従って、各セルの第1の軸に沿った界面の再構築を行なうステップと、 The simulation program according to the present invention is a simulation program executed by a computer for simulating a free interface in a multiphase flow composed of two or more kinds of fluids. The simulation program is obtained by dividing a simulation target into the computer. Each cell according to the step of calculating the occupation ratio α of one of the two or more fluids in each of the plurality of cells, and the THINC method using the equations (A1) and (A2) including the variables β and γ Reconstructing the interface along the first axis of
式(A1)における変数βを求めるための定数であって、シミュレーションにおいて定義される第1の軸を含む2以上の軸ごとに設定された定数を記憶するステップとを実行させ、再構築を行なうステップは、各セルの第1の軸に沿った方向についての変数βを、各セルの法線ベクトルの、当該第1の軸に対する勾配として算出する。 A constant for obtaining the variable β in the formula (A1), the step of storing constants set for each of two or more axes including the first axis defined in the simulation, is executed, and reconstruction is performed. The step calculates the variable β in the direction along the first axis of each cell as the gradient of the normal vector of each cell with respect to the first axis.
本発明によれば、シミュレーションにおける自由界面の再構築の精度を向上させることができる。 According to the present invention, it is possible to improve the accuracy of reconstruction of a free interface in simulation.
本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰返さない。 Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that the same or corresponding parts in the drawings are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.
<ハードウェア構成>
図1は、この発明の実施の形態に従うシミュレーション装置を実現するための代表的なハードウェア構成であるコンピュータ100の概略構成図である。
<Hardware configuration>
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a
図1を参照して、コンピュータ100は、FD(Flexible Disk)駆動装置111およびCD−ROM(Compact Disk-Read Only Memory)駆動装置113を搭載したコンピュータ本体101と、モニタ102と、キーボード103と、マウス104とを含む。
Referring to FIG. 1, a
コンピュータ本体101は、FD駆動装置111およびCD−ROM駆動装置113に加えて、相互にバスで接続された、演算装置であるCPU(Central Processing Unit)105と、メモリ106と、記憶装置である固定ディスク107と、通信インターフェース109とを含む。
In addition to the FD driving device 111 and the CD-
本実施の形態に従うシミュレーションは、CPU105がメモリ106などのコンピュータハードウェアを用いて、プログラムを実行することで実現される。一般的に、このようなプログラムは、FD112やCD−ROM114などの記録媒体に格納されて、またはネットワークなどを介して流通する。そして、このようなプログラムは、FD駆動装置111やCD−ROM駆動装置113などにより記録媒体から読取られて、または通信インターフェース109にて受信されて、固定ディスク107に格納される。さらに、このようなプログラムは、固定ディスク107からメモリ106に読出されて、CPU105により実行される。
The simulation according to the present embodiment is realized by the
CPU105は、様々な数値論理演算を行なう演算処理部であり、プログラムされた命令を順次実行することで、本実施の形態に従う制御機能を提供する。メモリ106は、CPU105のプログラム実行に応じて各種の情報を記憶する。
モニタ102は、CPU105が出力する情報を表示するための表示部であって、一例としてLCD(Liquid Crystal Display)やCRT(Cathode Ray Tube)などから構成される。すなわち、モニタ102には、シミュレーション結果などが表示される。
The
マウス104は、クリックやスライドなどの動作に応じたユーザから指令を受付ける。キーボード103は、入力されるキーに応じたユーザから指令を受付ける。
The
通信インターフェース109は、コンピュータ100と他の装置との間の通信を確立するための装置であり、各種データを外部から受付可能である。
The
なお、上述したようなコンピュータに代えて、その一部または全部を専用のハードウェアによって実現してもよい。 Instead of the computer as described above, part or all of the computer may be realized by dedicated hardware.
また、コンピュータ100を本実施の形態に従うように機能させるプログラムが記録される記録媒体は、上記したFDやCD−ROMに限定されない。記録媒体の他の例としては、DVD−ROM(Digital Versatile Disk - Read Only Memory)、USB(Universal Serial Bus)メモリ、メモリカード、ハードディスク、磁気テープ、カセットテープ、MO(Magnetic Optical Disc)、MD(Mini Disc)、IC(Integrated Circuit)カード(メモリカードを除く)、光カード、マスクROM、EPROM、EEPROM(Electronically Erasable Programmable Read-Only Memory)などの、不揮発的にプログラムを格納する媒体が挙げられる。
Further, a recording medium on which a program that causes the
<本実施の形態のシミュレーション方法の概要>
上記したように、自由界面の再構築に関し、従来、THINC法およびTHINC/WLIC法が提案されている。一方、本実施の形態のシミュレーション方法は、THINC法において値を固定されていた定数(β)を、法線ベクトルから各輸送方向に対する勾配として設定する。
<Summary of simulation method of this embodiment>
As described above, the THINC method and the THINC / WLIC method have been proposed for the reconstruction of the free interface. On the other hand, in the simulation method of the present embodiment, the constant (β) whose value is fixed in the THINC method is set as the gradient for each transport direction from the normal vector.
このことから、本明細書では、まず、本実施の形態のシミュレーション方法の前提となるTHINC法およびTHINC/WLIC法について説明した上で、本実施の形態のシミュレーション方法を説明する。また、本明細書では、参考として、上記定数(β)を本実施の形態とは異なる態様で設定するTHAINC(tangent of hyperbola with adaptive function for interface capturing)法についても説明を行なう。 Therefore, in this specification, the simulation method of the present embodiment will be described first after describing the THINC method and the THINC / WLIC method which are the premise of the simulation method of the present embodiment. Further, in this specification, a THAINC (tangent of hyperbola with adaptive function for interface capturing) method for setting the constant (β) in a mode different from the present embodiment will be described as a reference.
なお、本明細書では、本実施の形態のシミュレーション方法を、適宜「THAINC_M(tangent of hyperbola with adaptive function for interface capturing_modified)法」と呼ぶ。 In the present specification, the simulation method of the present embodiment is appropriately referred to as a “THAINC_M (tangent of hyperbola with adaptive function for interface capturing_modified) method”.
また、本明細書では、シミュレーションにおいて定義される軸として、主にx軸とy軸の2軸を想定して説明がなされる。つまり、2次元でのシミュレーションが主に説明される。ただし、本実施の形態において開示されるシミュレーション方法は、公知の技術に従って3次元に拡張可能である。なお、3次元への拡張の方法については、公知の技術を採用可能であるため、ここでは説明は繰り返さない。 Further, in this specification, the description will be given mainly assuming two axes of the x axis and the y axis as axes defined in the simulation. That is, two-dimensional simulation is mainly described. However, the simulation method disclosed in the present embodiment can be extended to three dimensions according to a known technique. In addition, about the method of extending to three dimensions, since a well-known technique is employable, description is not repeated here.
<THINC法>
図2は、THINC法による、一次元の占有率の変化を示す図である。THINC法は、図2に示されるように、平滑化された双曲線正接関数を利用している。なお、図2の破線は、体積追跡法による変化を示している。
<THINC method>
FIG. 2 is a diagram showing a change in one-dimensional occupancy by the THINC method. The THINC method uses a smoothed hyperbolic tangent function as shown in FIG. In addition, the broken line of FIG. 2 has shown the change by the volume tracking method.
THINC法では、特殊関数(characteristic function)として、次の式(2)が使用される。 In the THINC method, the following expression (2) is used as a characteristic function.
式(2)において、γは次の式(3)で表されるように、nx,iの値に応じて「1」または「−1」の値をとる。 In equation (2), γ takes a value of “1” or “−1” depending on the value of nx, i , as represented by the following equation (3).
式(3)のnx,iは、法線ベクトルのx成分であり、計算対象とするセルを3×3の格子状の中心に置いた場合の、残りの9個のセルの占有率αに基づいて算出される。具体的には、図3に示すように3×3の格子状の9個のセルを想定する。各セルの占有率は、上段では、左から、順に、αi−1,j+1、αi,j+1、αi+1,j+1である。中段では、左から、順に、αi−1,1、αi,j、αi+1,jである。下段では、左から、順に、αi−1,j−1、αi,j−1、αi+1,j−1である。そして、これらの占有率に基づき、次の式(4−1)〜式(4−4)および式(5)から、nx,iが算出される。なお、これらの式における、「NXRT」「NXLT」「NXRB」「NXLB」は、それぞれ、図3に示される、中心のセルの4個の頂点における、x軸方向に微小距離移動したときの占有率の変化量を示している。式(4−1)において、「NXRT」は、中心セルの右上部分の占有率の変化量を表している。式(4−2)において、「NXLT」は、中心セルの左上部分の占有率の変化量を表している。式(4−3)において、「NXRB」は、中心セルの右下部分の占有率の変化量を表している。式(4−4)において、「NXLB」は、中心セルの左下部分の占有率の変化量を表している。 N x, i in Equation (3) is the x component of the normal vector, and the occupancy ratio α of the remaining nine cells when the calculation target cell is placed at the center of a 3 × 3 grid Is calculated based on Specifically, as shown in FIG. 3, 9 cells of a 3 × 3 grid are assumed. In the upper stage, the occupation ratio of each cell is α i−1, j + 1 , α i, j + 1 , α i + 1, j + 1 in this order from the left. In the middle row, α i−1,1 , α i, j , and α i + 1, j are sequentially from the left. In the lower row, from the left, α i−1, j−1 , α i, j−1 , α i + 1, j−1 are in order. Based on these occupancy rates, nx , i is calculated from the following equations (4-1) to (4-4) and (5). In these formulas, “NXRT”, “NXLT”, “NXRB”, and “NXLB” are the occupations when the four vertices of the center cell shown in FIG. 3 are moved by a minute distance in the x-axis direction. It shows the rate change. In Expression (4-1), “NXRT” represents the change amount of the occupation ratio in the upper right portion of the center cell. In the formula (4-2), “NXLT” represents the change amount of the occupation ratio of the upper left portion of the center cell. In the formula (4-3), “NXRB” represents the change amount of the occupation ratio in the lower right portion of the center cell. In Expression (4-4), “NXLB” represents the amount of change in the occupation ratio of the lower left portion of the center cell.
式(2)に戻って、βは、図2に示された双曲線正接関数の傾きを定めるパラメータである。一般的には、βとして、3.5という固定された値が採用される。 Returning to Equation (2), β is a parameter that determines the slope of the hyperbolic tangent function shown in FIG. In general, a fixed value of 3.5 is employed as β.
式(2)中の「xi〜」は、式(2)のχ(x)の平均を用い、次の式(6)に従って算出される。なお、本明細書では、チルダ記号が「〜」で表現される。 “X i ˜” in equation (2) is calculated according to the following equation (6) using the average of χ (x) in equation (2). In the present specification, the tilde symbol is represented by “˜”.
つまり、上記のように設定されたγ,βを用いて式(2)のχ(x)が構築され、そして、式(6)に基づいて、「xi〜」が算出される。 That is, χ (x) in Expression (2) is constructed using γ and β set as described above, and “x i ˜” is calculated based on Expression (6).
<THINC/WLIC法>
THINC/WLIC法では、x方向の流束は、式(7)に従って算出される。なお、式(7)中の「RF」はRight Faceを意味する。つまり、右端の面(後述する図5のuで示された黒丸が位置する縦線が存在する面)を意味し、より具体的にはセル番号「i+1/2」を意味する。
<THINC / WLIC method>
In the THINC / WLIC method, the flux in the x direction is calculated according to equation (7). In addition, "RF" in Formula (7) means Right Face. That is, it means the rightmost surface (the surface on which the vertical line where the black circle shown by u in FIG. 5 described later exists), and more specifically, the cell number “i + 1/2”.
式(7)の右辺において、第1項はTHINC法に従った流束であり、第2項はUPWIND法(一次風上法)に従った流束である。 On the right side of Equation (7), the first term is the flux according to the THINC method, and the second term is the flux according to the UPWIND method (primary upwind method).
式(7)において、ωx,iは、次の式(8)に従って算出される。 In equation (7), ω x, i is calculated according to the following equation (8).
式(8)において、nx,iは、上記のように、式(4−1)〜式(4−4)および式(5)から算出される。また、ny,iは、図3のような9個のセルの占有率に基づき、次の式(9−1)〜式(9−4)および式(10)から算出される。 In Expression (8), nx, i is calculated from Expression (4-1) to Expression (4-4) and Expression (5) as described above. Also, ny, i is calculated from the following formulas (9-1) to (9-4) and (10) based on the occupancy rate of nine cells as shown in FIG.
つまり、THINC/WLIC法では、図4に示されるように、ny,iが0の場合には、式(8)に従ってωx,iが1になり、これにより、x方向の流束は式(7)の右辺の第1項のみに基づいて算出される。また、nx,iが0の場合には、式(8)に従ってωx,iが0になり、これにより、x方向の流束は式(7)の右辺の第2項のみに基づいて算出される。 That is, in the THINC / WLIC method, as shown in FIG. 4, when ny , i is 0, ω x, i becomes 1 according to the equation (8), and the flux in the x direction is It is calculated based only on the first term on the right side of Equation (7). When n x, i is 0, ω x, i is 0 according to the equation (8), so that the flux in the x direction is based only on the second term on the right side of the equation (7). Calculated.
そして、これらの場合の間の状態では、式(8)において、速度ベクトルのx成分とy成分の割合に応じてωx,iが算出される。これにより、x方向の流束は、算出されたωx,iの値に基づき、式(7)の右辺の第1項と第2項が式(7)に従って組み合わされて、算出される。なお、式(7)の右辺の第1項は、THINC法による流束の算出に対応し、第2項は、UPWIND法による流束の算出に対応する。 In the state between these cases, ω x, i is calculated according to the ratio of the x component and the y component of the velocity vector in equation (8). Thereby, the flux in the x direction is calculated by combining the first term and the second term on the right side of Equation (7) according to Equation (7) based on the calculated values of ω x, i . The first term on the right side of Equation (7) corresponds to the calculation of the flux by the THINC method, and the second term corresponds to the calculation of the flux by the UPWIND method.
<THAINC法>
本実施の形態の比較例のシミュレーション方法であるTHAINC法について説明する。THAINC法は、THINC法において値を固定されていた定数(β)を、軸ごとに設定された定数(後述するβu,βl)を用い、さらに、占有率を考慮する流体の速度ベクトルにおける軸ごとの寄与度(後述するω)に基づいて設定する方法を挙げる。
<THAINC method>
The THAINC method, which is a simulation method of a comparative example of the present embodiment, will be described. The THAINC method uses constants (β) whose values have been fixed in the THINC method, constants set for each axis (βu, βl described later), and further, for each axis in the velocity vector of the fluid taking account of the occupation ratio. A method of setting based on the contribution degree (ω described later) is given.
図5は、THAINC法の概略を説明するための図である。
図5を参照して、THAINC法は、式(2)で示されたTHINC法の特殊関数において、変数βの設定方法に特徴を有する。
FIG. 5 is a diagram for explaining the outline of the THAINC method.
Referring to FIG. 5, the THAINC method is characterized by a method for setting a variable β in the special function of the THINC method represented by Expression (2).
具体的には、変数βを、図5中の式(11)として示されるように、βuとβlとωx,iとを用いて算出して、設定する。βuとβlの値は、たとえば固定ディスク107に格納されている。
Specifically, the variable β is calculated and set using β u , β l, and ω x, i , as shown in Expression (11) in FIG. The values of β u and β l are stored in the fixed
βuは、従来βとして利用されてきた値3.5よりも界面付近を急激に変化させる値であり、たとえば10とされる。なお、図5のβuは、式(2)においてγ≧0の場合の結果が示されている。βlは、従来βとして利用されてきた値3.5よりも界面付近の変化を緩くさせる値であり、たとえば0.001とされる。図5には、βuとβlのそれぞれが式(2)中のβとして利用された場合の、界面付近の占有率の変化が示されている。 β u is a value that changes the vicinity of the interface more rapidly than the value 3.5 conventionally used as β, and is set to 10, for example. Note that β u in FIG. 5 shows the result when γ ≧ 0 in the equation (2). β l is a value that makes the change in the vicinity of the interface more gradual than the value 3.5 conventionally used as β, and is, for example, 0.001. FIG. 5 shows a change in the occupation ratio in the vicinity of the interface when each of β u and β l is used as β in the equation (2).
THAINC法によれば、βは、法線ベクトルの大小関係(2次元シミュレーションであれば、nx,iとny,iの大小関係)に応じて設定される。 According to the THAINC method, β is set according to the magnitude relationship of normal vectors (in the case of two-dimensional simulation, the magnitude relationship between nx , i and ny , i ).
具体的には、nx,iがny,iに比べて大きいときには、つまり、セルの速度ベクトルのx成分がy成分よりも大きい場合には、当該セルの再構築において、従来よりも、x方向の界面の流体の占有率の変化をより急激にするように、βが設定される。式(11)に従ったβの設定において、βuの方がβlよりも大きい割合で反映されるからである。 Specifically, when nx, i is larger than ny, i , that is, when the x component of the velocity vector of the cell is larger than the y component, in the reconstruction of the cell, β is set so that the change in the occupation ratio of the fluid at the interface in the x direction becomes more rapid. This is because, in the setting of β according to the equation (11), β u is reflected at a rate larger than β 1 .
一方、nx,iがny,iに比べて小さいときには、つまり、セルの速度ベクトルのx成分がy成分よりも小さい場合には、当該セルの再構築において、従来よりも、x方向の界面の流体の占有率の変化がより緩やかになるように、βが設定される。式(11)に従ったβの設定において、βlの方がβuよりも大きい割合で反映されるからである。 On the other hand, when nx, i is smaller than ny, i , that is, when the x component of the velocity vector of the cell is smaller than the y component, the cell is reconstructed in the x direction more than before. Β is set so that the change in the occupation ratio of the fluid at the interface becomes more gradual. This is because in the setting of β according to the equation (11), β 1 is reflected at a rate larger than β u .
つまり、本実施の形態に従った界面の再構築では、複数の軸を対象とする場での速度ベクトルにおける、再構築の軸方向の成分の寄与度(本実施の形態では、nx,iとny,iの和に対するnx,iの寄与度)が、より大きく反映されることになる。 That is, in the reconstruction of the interface according to the present embodiment, the contribution degree of the component in the reconstruction axial direction in the velocity vector in the field for a plurality of axes (in this embodiment, nx, i And the degree of contribution of nx, i to the sum of ny, i ) will be reflected more greatly.
THAINC法における計算フローは、図7を参照して説明された本実施の形態のシミュレーションにおける計算フローと同様とすることができる。 The calculation flow in the THAINC method can be the same as the calculation flow in the simulation of the present embodiment described with reference to FIG.
つまり、まずステップS10において、各セルの占有率αと速度vの初期値が読み込まれ、ステップS20で、各セルの速度vならびに当該速度のx方向およびy方向の法線ベクトルが算出され、ステップS30で、最新の占有率αについての「∇α」が算出され、ステップS40で、各セルの占有率αと速度vの積についての「∇αv」が算出され、ステップS50で、各セルの占有率αに対してΔt後の占有率αが算出され、そして、ステップS60で、最新の占有率αに基づいて、式(3)に従ってγを算出し、式(11)に従ってβが算出され、式(2)および式(6)に従って「xi〜」が算出されることにより、各セルの界面が再構築される。 That is, first, in step S10, the initial values of the occupation ratio α and the velocity v of each cell are read. In step S20, the velocity v of each cell and the normal vectors in the x and y directions of the velocity are calculated. In step S30, “∇α” for the latest occupancy α is calculated. In step S40, “∇αv” for the product of the occupancy α and the speed v of each cell is calculated. In step S50, “の αv” is calculated. Occupancy rate α after Δt is calculated with respect to occupancy rate α, and in step S60, γ is calculated according to equation (3) based on the latest occupancy rate α, and β is calculated according to equation (11). By calculating “xi˜” according to the equations (2) and (6), the interface of each cell is reconstructed.
そして、ステップS70で、シミュレーションの期間(Δtの総和)Tsumが指定された期間Tを超えると、処理が終了する。 In step S70, when the simulation period (sum of Δt) Tsum exceeds the specified period T, the process ends.
THAINC法についても、3次元シミュレーションへの拡張は、周知の技術を採用することによって実現可能であるため、ここでは詳細な説明は繰り返さない。たとえば、ωx,iは、3次元シミュレーションでは、次の式(12)に示されるように、x軸方向の法線ベクトルnx、y軸方向の法線ベクトルny、および、z軸方向の法線ベクトルnzを用いて表される。 Since the THAINC method can be extended to a three-dimensional simulation by adopting a well-known technique, detailed description will not be repeated here. For example, in the three-dimensional simulation, ω x, i is a normal vector n x in the x-axis direction, a normal vector n y in the y-axis direction, and a z-axis direction as shown in the following expression (12). Of the normal vector nz .
<本実施の形態の計算方法>
本実施の形態の計算方法では、基本的には、THAINC法に従った計算方法で、各セルの再構築が行なわれる。
<Calculation method of the present embodiment>
In the calculation method according to the present embodiment, each cell is basically reconstructed by a calculation method according to the THAINC method.
図6は、本実施の形態の計算方法の概略を説明するための図である。
図6を参照して、本実施の形態の計算方法は、式(2)で示されたTHINC法の特殊関数において、変数βの設定方法に特徴を有する。具体的には、変数βを、図6中に式(13)として示されるように算出して、設定する。
FIG. 6 is a diagram for explaining the outline of the calculation method of the present embodiment.
Referring to FIG. 6, the calculation method of the present embodiment is characterized by a variable β setting method in the special function of the THINC method expressed by the equation (2). Specifically, the variable β is calculated and set as shown in Expression (13) in FIG.
式(13)には、k軸(シミュレーションにおいて定義される軸の1つ)方向の再構築に利用されるβが示されている。jは、式(13)でのみ、シミュレーションにおいて定義される直行座標軸のk軸以外の軸を意味する。「k」は、式(13)でのみ、軸を表す文字として使用される。 Equation (13) shows β used for reconstruction in the k-axis (one of the axes defined in the simulation) direction. j means an axis other than the k-axis of the orthogonal coordinate axis defined in the simulation only in Expression (13). “K” is used as a character representing an axis only in equation (13).
次の式(14)〜式(16)に、シミュレーションモデルが、1次元モデルの場合(1D)、2次元モデルの場合(2D)、3次元モデルの場合(3D)のそれぞれについてのβの算出式を示す。 In the following formulas (14) to (16), β is calculated for each of the simulation models of the one-dimensional model (1D), the two-dimensional model (2D), and the three-dimensional model (3D). An expression is shown.
まず、シミュレーションモデルが1次元モデルである場合には、j軸が存在しないため、βは、式(14)に示されるように定数(3.5)とされる。 First, when the simulation model is a one-dimensional model, since the j-axis does not exist, β is a constant (3.5) as shown in Expression (14).
シミュレーションモデルが2次元モデルである場合には、式(15)に示されるように、βは、x軸方向の法線ベクトルnx、および、y軸方向の法線ベクトルnyを用いて表される。具体的には、2次元シミュレーションにおいてx軸とy軸が定義されている場合、k軸がx軸であればj軸はy軸であり、k軸がy軸であればj軸はx軸である。そして、x軸方向の再構築に利用されるβ(つまり、βx)は、nxをnyで除した値として算出される。また、y軸方向の再構築に利用されるβ(つまり、βy)は、nyをnxで除した値として算出される。 When the simulation model is a two-dimensional model, as shown in equation (15), beta is a normal vector n x in the x-axis direction, and, using the normal vector n y in the y-axis direction Table Is done. Specifically, when the x axis and the y axis are defined in the two-dimensional simulation, if the k axis is the x axis, the j axis is the y axis, and if the k axis is the y axis, the j axis is the x axis. It is. Then, beta is used to reconstruct the x-axis direction (i.e., beta x) is calculated n x as a value obtained by dividing n y. Furthermore, beta is used to reconstruct the y-axis direction (i.e., beta y) is calculated n y as divided by the n x.
シミュレーションモデルが3次元モデルである場合には、式(16)に示されるように、βは、x軸方向の法線ベクトルnx、y軸方向の法線ベクトルny、および、z軸方向の法線ベクトルnzを用いて表される。具体的には、3次元シミュレーションにおいてx軸とy軸とz軸が定義されている場合、k軸がx軸であればj軸はy軸とz軸であり、k軸がy軸であればj軸はz軸とx軸であり、また、k軸がz軸であればj軸はx軸とy軸である。そして、x軸方向の再構築に利用されるβ(つまり、βx)は、nxをnyとnzの二乗の和の平方根で除した値として算出される。y軸方向の再構築に利用されるβ(つまり、βy)は、nyをnzとnxの二乗の和の平方根で除した値として算出される。そして、z軸方向の再構築に利用されるβ(つまり、βz)は、nzをnxとnyの二乗の和の平方根で除した値として算出される。 When the simulation model is a three-dimensional model, as shown in Expression (16), β is a normal vector n x in the x-axis direction, a normal vector n y in the y-axis direction, and a z-axis direction. Of the normal vector nz . Specifically, when the x-axis, y-axis, and z-axis are defined in the three-dimensional simulation, if the k-axis is the x-axis, the j-axis is the y-axis and the z-axis, and the k-axis is the y-axis For example, the j axis is the z axis and the x axis, and if the k axis is the z axis, the j axis is the x axis and the y axis. Then, beta is used to reconstruct the x-axis direction (i.e., beta x) is calculated n x as a value obtained by dividing by the square root of the sum of the squares of n y and n z. is used to reconstruct the y-axis direction beta (i.e., beta y) is calculated n y as the square root divided by the sum of the squares of n z and n x. Then, beta is used to reconstruct the z-axis direction (i.e., beta z) is calculated n z as the square root divided by the sum of the squares of n x and n y.
<本実施の形態における計算フロー>
図7は、本実施の形態のシミュレーションにおける処理のフローチャートである。
<Calculation flow in the present embodiment>
FIG. 7 is a flowchart of processing in the simulation of the present embodiment.
以下の説明では、シミュレーションの対象として、液体中の気体の移動を例示する。これにより、占有率αとして、各セルにおける気体の占有率が例示される。なお、本実施の形態のシミュレーション対象となる混相流における相の組合せはこれに限定されるものではない。異なる2以上の流体が存在する系であれば、異なる2以上の液体が存在する系であっても良い。 In the following description, the movement of a gas in a liquid will be exemplified as a simulation target. Thereby, the occupation ratio of the gas in each cell is illustrated as occupation ratio (alpha). Note that the combination of phases in the multiphase flow to be simulated in the present embodiment is not limited to this. As long as two or more different fluids are present, a system having two or more different fluids may be used.
図7を参照して、コンピュータ100に対して計算開始の指示が入力されると、CPU105は、まずステップS10において、各セルの占有率αと速度vの初期値を読み込んで、ステップS20へ処理を進める。なお、これらの値は、たとえば固定ディスク107に格納されている。
Referring to FIG. 7, when an instruction to start calculation is input to
ステップS20では、CPU105は、各セルの速度vならびに当該速度のx方向およびy方向の法線ベクトルを算出して、ステップS30へ処理を進める。
In step S20, the
ステップS30では、CPU105は、最新の占有率αについての「∇α」を算出して、ステップS40へ処理を進める。
In step S30, the
ステップS40では、各セルの占有率αと速度vの積についての「∇αv」を算出して、ステップS50へ処理を進める。 In step S40, “∇αv” for the product of the occupation ratio α and the speed v of each cell is calculated, and the process proceeds to step S50.
ステップS50では、各セルの占有率αに対してΔt後の占有率αを算出して、ステップS60へ処理を進める。 In step S50, the occupation rate α after Δt is calculated with respect to the occupation rate α of each cell, and the process proceeds to step S60.
ステップS60では、最新の占有率αに基づいて、式(3)に従ってγを算出し、式(13)に従ってβを算出し、式(2)および式(6)に従って「xi〜」を算出することにより、各セルの界面を再構築して、ステップS70へ処理を進める。 In step S60, γ is calculated according to equation (3) based on the latest occupation ratio α, β is calculated according to equation (13), and “x i ˜” is calculated according to equation (2) and equation (6). As a result, the interface of each cell is reconstructed, and the process proceeds to step S70.
ステップS70では、CPU105は、シミュレーションの期間(Δtの総和)Tsumが指定された期間Tを超えたか否かを判断し、まだ超えていなければステップS20へ処理が戻され、超えていれば処理を終了させる。
In step S70, the
以上、図7を参照して説明した処理により、微小時間Δtごとに、各セルの占有率が更新され、そして、更新後の占有率に従って各セルの界面が、図6等を参照して説明された本実施の形態の計算方法に従って、再構築される。 As described above, the occupancy rate of each cell is updated every minute time Δt by the process described with reference to FIG. 7, and the interface of each cell is described with reference to FIG. It is reconstructed according to the calculated calculation method of the present embodiment.
なお、本実施の形態のシミュレーションでは、シミュレーションの対象の領域として、図8に示されるようなセルの格子(図8では100×100のセルの格子)が定義される。そして、ステップS20からステップS60の処理が一回行なわれるごとに、各セルの占有率αの計算結果が更新され、そして、各セルにおける界面の再構築が行なわれる。 In the simulation of the present embodiment, a cell lattice as shown in FIG. 8 (100 × 100 cell lattice in FIG. 8) is defined as a simulation target region. Each time the processing from step S20 to step S60 is performed once, the calculation result of the occupation ratio α of each cell is updated, and the interface in each cell is reconstructed.
図9および図10は、図8に示された格子状のセルの一部(10×10のセルの格子)についての、各セルの占有率αの計算結果を示す。なお、図10は、図9の計算結果に対する、時間ΔT後の計算結果を示すものとする。 9 and 10 show the calculation results of the occupancy α of each cell for a part of the lattice-like cell shown in FIG. 8 (10 × 10 cell lattice). In addition, FIG. 10 shall show the calculation result after time (DELTA) T with respect to the calculation result of FIG.
また、図11,図12は、それぞれ、図9,図10の計算結果に対応した、界面の再構築の状態を示す図である。つまり、図12は、図11に示された結果に対する、時間ΔT後の結果を示す。 FIGS. 11 and 12 are diagrams showing the state of interface reconstruction corresponding to the calculation results of FIGS. 9 and 10, respectively. That is, FIG. 12 shows the result after time ΔT with respect to the result shown in FIG.
図9では、3〜6列目および3〜6行目にある16個のセル以外のセルでは、占有率αは「0.0」とされている。一方、これらの16個のセルでは、占有率αとして、0.4,0.8,1.0のいずれかの値が算出されている。そして、各占有率αに対応して、図11に示されるように界面が再構築されている。 In FIG. 9, in the cells other than the 16 cells in the 3rd to 6th columns and the 3rd to 6th rows, the occupation ratio α is set to “0.0”. On the other hand, in these 16 cells, a value of 0.4, 0.8, or 1.0 is calculated as the occupation ratio α. And the interface is reconstructed as shown in FIG. 11 corresponding to each occupation ratio α.
図10では、図9に対して、占有率αが0.0以外の値を有する16個のセルが、それぞれ1列ずつ右方向に移動している。図12では、これに対応して、再構築される界面が1列ずつ、図11に示されたものに対して右に移動している。 In FIG. 10, with respect to FIG. 9, 16 cells each having a value other than 0.0 in the occupation ratio α are moved to the right by one column. In FIG. 12, correspondingly, the reconstructed interfaces are moved to the right with respect to those shown in FIG.
また、図11および図12に示されたような各セルの占有率αに基づき、次の式(14)に従って、各セルの密度が算出される。図11に対応した密度の算出結果を図13に、図12に対応した密度の算出結果を図14に、それぞれ示す。なお、式(14)において、ρGは気体の密度であり、ρlは液体の密度である。また、図13および図14では、ρGの値の一例として1kg/m3が、ρlの値の一例として1000kg/m3が、それぞれ採用されている。 Further, the density of each cell is calculated according to the following equation (14) based on the occupation ratio α of each cell as shown in FIG. 11 and FIG. FIG. 13 shows the density calculation result corresponding to FIG. 11, and FIG. 14 shows the density calculation result corresponding to FIG. In equation (14), ρ G is the gas density, and ρ l is the liquid density. Further, in FIGS. 13 and 14, is 1 kg / m 3 as an example of the value of [rho G, is 1000 kg / m 3 as an example of the value of [rho l, are employed respectively.
<3次元への拡張>
本実施の形態のシミュレーション方法(THAINC)では、図6の式(13)を参照して説明されたように、2次元以上の次元でシミュレーションが行なわれる場合、再構築対象のセルの各軸についての法線ベクトルが利用された。3次元シミュレーションにおける、各セルの法線ベクトルの算出について、説明する。
<Extension to 3D>
In the simulation method (THAINC) of the present embodiment, as described with reference to the equation (13) in FIG. 6, when the simulation is performed in two or more dimensions, each axis of the cell to be reconstructed The normal vector of was used. The calculation of the normal vector of each cell in the three-dimensional simulation will be described.
図15は、(x,y,z)座標系において中心座標を(i,j,k)とするセルCi,j,kの、x軸方向の法線ベクトルnxの算出を説明するための図である。 15, (x, y, z) the center coordinates in a coordinate system (i, j, k) and cell C i which, j, of k, for explaining the calculation of the normal vector n x in the x-axis direction FIG.
図15では、Ci,j,kが立方体で示され、そして、当該立方体の8個の頂点近傍における、x軸方向に微小距離移動したときの占有率の変化量が、それぞれ「NXRTF」「NXLTF」「NXRBF」「NXLBF」「NXRTB」「NXLTB」「NXRBB」「NXLBB」で示されている。 In FIG. 15, C i, j, k is shown as a cube, and the amount of change in the occupancy when moving a minute distance in the x-axis direction in the vicinity of the eight vertices of the cube is “NXRTF”, “ NXLTF ”,“ NXRBF ”,“ NXLBF ”,“ NXRTB ”,“ NXLTB ”,“ NXRBB ”, and“ NXLBB ”.
これらの変化量は、次の式(16−1)〜式(16−8)に従って算出される。 These change amounts are calculated according to the following equations (16-1) to (16-8).
式(16−1)〜式(16−8)から理解されるように、上記8個の変化量の算出には、計算対象であるセルと当該セルに隣接するセルの占有率αが利用される。 As understood from the equations (16-1) to (16-8), the occupancy rate α of the cell to be calculated and the cell adjacent to the cell is used for the calculation of the above eight change amounts. The
図16に、上記8個の変化量の算出に利用されるセルを示す。
図16では、計算対象のセルCi,j,kを中心として3軸方向に3個ずつ配列された27個のセルが示されている。27個のセルについて、図16では、x軸方向に並ぶ3個のセルのそれぞれのx座標が「i−1」「i」「i+1」で示されている。また、y軸方向に並ぶ3個のセルのy座標が「j−1」「j」「j+1」で示されている。また、z軸方向に並ぶ3個のセルのz座標が「k−1」「k」「k+1」で示されている。つまり、27個のセルの3次元座標は、(i-1,j-1,k-1)(i-1,j,k-1)(i-1,j+1,k-1)(i-1,j-1,k)(i-1,j,k)(i-1,j+1,k)(i-1,j-1,k+1)(i-1,j,k+1)(i-1,j+1,k+1)(i,j-1,k-1)(i,j,k-1)(i,j+1,k-1)(i,j-1,k)(i,j,k)(i,j+1,k)(i,j-1,k+1)(i,j,k+1)(i,j+1,k+1)(i+1,j-1,k-1)(i+1,j,k-1)(i+1,j+1,k-1)(i+1,j-1,k)(i+1,j,k)(i+1,j+1,k)(i+1,j-1,k+1)(i+1,j,k+1)(i+1,j+1,k+1)となる。
FIG. 16 shows cells used for the calculation of the above eight variations.
In FIG. 16, 27 cells are shown that are arranged three by three in the three-axis direction around the calculation target cell C i, j, k . For the 27 cells, in FIG. 16, the x coordinates of the three cells arranged in the x-axis direction are indicated by “i−1”, “i”, and “i + 1”. In addition, y coordinates of three cells arranged in the y-axis direction are indicated by “j−1”, “j”, and “j + 1”. In addition, z coordinates of three cells arranged in the z-axis direction are indicated by “k−1”, “k”, and “k + 1”. That is, the three-dimensional coordinates of the 27 cells are (i-1, j-1, k-1) (i-1, j, k-1) (i-1, j + 1, k-1) ( i-1, j-1, k) (i-1, j, k) (i-1, j + 1, k) (i-1, j-1, k + 1) (i-1, j, k + 1) (i-1, j + 1, k + 1) (i, j-1, k-1) (i, j, k-1) (i, j + 1, k-1) (i , j-1, k) (i, j, k) (i, j + 1, k) (i, j-1, k + 1) (i, j, k + 1) (i, j + 1, k + 1) (i + 1, j-1, k-1) (i + 1, j, k-1) (i + 1, j + 1, k-1) (i + 1, j-1, k) (i + 1, j, k) (i + 1, j + 1, k) (i + 1, j-1, k + 1) (i + 1, j, k + 1) (i + 1 , j + 1, k + 1).
そして、法線ベクトルnxは、これらの8個の変化量を利用して、次の式(19)に従って算出される。 Then, the normal vector nx is calculated according to the following equation (19) using these eight variations.
つまり、法線ベクトルnxは、上記8個の変化量の平均値として算出される。
上記8個の変化量の算出に話を戻して、各変化量は、当該頂点近傍に位置する8個のセルの占有率を利用して算出される。図16には、セルCi,j,kの8個の頂点の1つである「NXLTF」が示されている。
That is, the normal vector nx is calculated as an average value of the above eight variations.
Returning to the calculation of the eight change amounts, each change amount is calculated using the occupancy ratio of the eight cells located in the vicinity of the vertex. FIG. 16 shows “NXLTF” which is one of the eight vertices of the cell C i, j, k .
たとえば、図17に示されるように、「NXLTF」で示される頂点近傍の、x軸方向の微小領域における占有率の変化量は、計算対象のセルCi,j,kと、NXLTF近傍に位置する7個のセル(Ci,j+1,k,Ci,j+1,k-1,Ci,j,k-1,Ci-1,j+1,k,Ci-1,j,k-1)の占有率が利用される。Cに対する添え字は、各セルの座標を表す。これらの各セルの占有率は、αi,j,k,αi,j+1,k,αi,j+1,k-1,αi,j,k-1,αi-1,j+1,k,αi-1,j+1,k-1,αi-1,j,k,αi-1,j,k-1で表される。 For example, as shown in FIG. 17, the amount of change in the occupancy ratio in the minute region in the x-axis direction near the vertex indicated by “NXLTF” is calculated in the cell C i, j, k to be calculated, 7 cells (C i, j + 1, k , C i, j + 1, k−1 , C i, j, k−1 , C i−1, j + 1, k , C i−1) , j, k-1 ) is used. The subscript for C represents the coordinates of each cell. The occupancy of each of these cells is α i, j, k , α i, j + 1, k , α i, j + 1, k−1 , α i, j, k−1 , α i−1, j + 1, k , α i−1, j + 1, k−1 , α i−1, j, k , α i−1, j, k−1 .
図18は、図17の線L1の断面を模式的に示す。当該断面は、図17の8個のセルのz=kにおける断面に相当する。また、図19は、図17の線L2の断面を模式的に示す。図18と図19には、それぞれのセルの占有率が示されている。当該断面は、図17の8個のセルのz=k−1における断面に相当する。 FIG. 18 schematically shows a cross section taken along line L1 in FIG. The cross section corresponds to the cross section of the eight cells in FIG. 17 at z = k. FIG. 19 schematically shows a cross section taken along line L2 in FIG. 18 and 19 show the occupancy rates of the respective cells. The cross section corresponds to a cross section at z = k−1 of the eight cells in FIG.
そして、「NXLTF」は、式(16−2)に示されるように、図17の8個のセルについて、法線ベクトルを求める軸(x軸)の方向に隣接する2つのセルの占有率の差をx軸方向の微小距離(△x)で除した値の平均として算出される。つまり、これらの8個のセルにおいて、x軸方向に隣接するセルの組合せは4通り(Ci,j+1,k-1とCi-1,j+1,k-1、Ci,j,k-1とCi-1,j,k-1、Ci,j+1,kとCi-1,j+1,k、Ci,j,kとCi-1,j,k)ある。そこで、式(16−2)の分子では、これらの4組の各組における占有率の差がたしあわされているので、式(16−2)の分母では、これらの平均を取るために、微小距離(△x)とともに、「4」が記載されている。 Then, “NXLTF” is an occupancy ratio of two cells adjacent in the direction of the axis (x-axis) for obtaining the normal vector for the eight cells of FIG. 17 as shown in the equation (16-2). It is calculated as an average of values obtained by dividing the difference by a minute distance (Δx) in the x-axis direction. That is, in these eight cells, there are four combinations of cells adjacent in the x-axis direction (C i, j + 1, k−1 and C i−1, j + 1, k−1 , C i, j, k-1 and C i-1, j, k-1 , C i, j + 1, k and C i-1, j + 1, k , C i, j, k and C i-1, j , k ). Therefore, in the numerator of the equation (16-2), the difference in occupancy in each of these four groups is expressed, so that in the denominator of the equation (16-2) “4” is described together with the minute distance (Δx).
式(16−1)〜式(16−8)の他の式でも、同様に、セルCi,j,kの8個の頂点付近の、x軸の方向に隣接する2つのセルの占有率の差をx軸方向の微小距離(△x)で除した値の平均が、算出される。そして、これらの式によって算出された結果が利用されて、式(19)に従って、x方向の法線ベクトルnxが算出される。 Similarly, in the other formulas (16-1) to (16-8), the occupancy ratio of two cells adjacent in the x-axis direction in the vicinity of the eight vertices of the cells C i, j, k An average of values obtained by dividing the difference by a minute distance (Δx) in the x-axis direction is calculated. The results calculated by these equations is utilized in accordance with the equation (19), the normal vector n x in the x-direction is calculated.
また、y方向の法線ベクトルnyとz方向の法線ベクトルnzは、それぞれ、次の式(20)と式(21)に従って算出される。 Further, the normal vector n y and z direction of the normal vector n z in the y-direction, respectively, is calculated the following equation (20) in accordance with equation (21).
式(20)中の「NYRTF」「NYLTF」「NYRBF」「NYLBF」「NYRTB」「NYLTB」「NYRBB」「NYLBB」の8個の数値、および、式(21)中の「NZRTF」「NZLTF」「NZRBF」「NZLBF」「NZRTB」「NZLTB」「NZRBB」「NZLBB」の8個の数値は、それぞれ、図15に示したような再構築の対象のセルCi,j,kの8個の頂点付近における微小領域での占有率の変化率である。なお、式(20)中の8個の数値は、y方向の法線ベクトルnyを求めるための数値であるため、y軸方向に隣接する4組の2セルの占有率の差をy軸方向の微小距離(△y)で除した値の平均として、算出される。また、式(21)中の8個の数値は、z方向の法線ベクトルnzを求めるための数値であるため、z軸方向に隣接する4組の2セルの占有率の差をz軸方向の微小距離(△z)で除した値の平均として、算出される。 “NYRTF”, “NYLTF”, “NYRBF”, “NYLBF”, “NYRTB”, “NYLTB”, “NYRBB”, “NYLBB” in Formula (20), and “NZRTF”, “NZLTF” in Formula (21) The eight numerical values of “NZRBF”, “NZLBF”, “NZRTB”, “NZLTB”, “NZRBB”, and “NZLBB” are respectively the eight cells C i, j, k to be reconstructed as shown in FIG. This is the rate of change of the occupancy rate in the minute area near the apex. Incidentally, 8 numbers in the formula (20) are the numerical values for determining the normal vector n y in the y-direction, y-axis the difference in occupancy of four sets of two cells adjacent to the y-axis direction It is calculated as the average of the values divided by the minute distance (Δy) in the direction. In addition, since the eight numerical values in the equation (21) are numerical values for obtaining the normal vector nz in the z direction, the difference between the occupancy ratios of four sets of two cells adjacent in the z axis direction is expressed as the z axis. It is calculated as the average of the values divided by the minute distance (Δz) in the direction.
以上説明したように、3次元シミュレーションでは、x方向の法線ベクトルnxとy方向の法線ベクトルnyとz方向の法線ベクトルnzとが算出される。そして、これらが式(16)に利用されて、x方向、y方向、z方向の各方向についてのβが算出されることにより、3次元シミュレーションに基づく各セルの再構築が実現される。 As described above, in the three-dimensional simulation, and the normal vector n z of the normal vector n y and z direction of the normal vector n x and y direction of the x-direction is calculated. These are used in the equation (16) to calculate β for each of the x direction, the y direction, and the z direction, thereby realizing reconstruction of each cell based on the three-dimensional simulation.
3次元シミュレーションでは、シミュレーションの対象の領域として、3次元方向に配列されたセルの格子(図20では100×100×100のセルの格子)が定義される。そして、図7のステップS20からステップS60の処理が一回行なわれるごとに、図21に示されるように各セルの占有率αの計算結果が更新され、更新後の各セルの占有率αが利用されて、各セルにおける界面の再構築が行なわれる。 In the three-dimensional simulation, a lattice of cells arranged in a three-dimensional direction (100 × 100 × 100 cell lattice in FIG. 20) is defined as a simulation target region. Then, each time the process from step S20 to step S60 in FIG. 7 is performed once, the calculation result of the occupancy rate α of each cell is updated as shown in FIG. Used to reconstruct the interface in each cell.
また、図21に示されたような各セルの占有率αに基づき、上記の式(17)に従って各セルの密度が算出される。図22は、図21に対応した密度の算出結果を示す図である。図22では、ρGの値の一例として1kg/m3が、ρlの値の一例として1000kg/m3が、それぞれ採用されている。 Further, the density of each cell is calculated according to the above equation (17) based on the occupation ratio α of each cell as shown in FIG. FIG. 22 is a diagram illustrating a density calculation result corresponding to FIG. In Figure 22, the 1 kg / m 3 as an example of the value of [rho G, is 1000 kg / m 3 as an example of the value of [rho l, are employed respectively.
<計算結果の比較>
次に、本実施の形態による界面の再構築の結果を、これまでの種々の方法による再構築の結果と比較する。
<Comparison of calculation results>
Next, the result of the reconstruction of the interface according to the present embodiment is compared with the result of the reconstruction by various methods so far.
図23〜図25は、異なったシミュレーション内容についての、THINC/WLIC法、THAINC法、および、THAINC_M法のそれぞれによるシミュレーションの結果を示す図である。各図では、シミュレーションの結果がプロットされたグラフ、当該結果の数値を示すテーブル、および、シミュレーションの内容の説明図が、上から順に示されている。 FIG. 23 to FIG. 25 are diagrams showing simulation results by the THINC / WLIC method, the THAINC method, and the THAINC_M method for different simulation contents. In each figure, a graph in which the result of the simulation is plotted, a table indicating the numerical value of the result, and an explanatory diagram of the contents of the simulation are shown in order from the top.
グラフでは、各方法の、気泡についての、初期形状に対する誤差(ERR)が、クーラン数(CO)に対してプロットされている。誤差は、百分率で示されている。THINC/WLIC法の結果はひし形で、THAINC法の結果は四角で、そして、THAINC_M法の結果は三角で、それぞれプロットされている。この誤差は、次の式(22)に従って、誤差(ESP)として算出される。 In the graph, for each bubble, the error (ERR) relative to the initial shape for each bubble is plotted against the Courant number (CO). The error is shown as a percentage. The results of the THINC / WLIC method are plotted as diamonds, the results of the THAINC method as squares, and the results of the THAINC_M method as triangles. This error is calculated as an error (E SP ) according to the following equation (22).
テーブルでは、クーラン数(CO)と、COに対応する誤差の百分率の値とが、示されている。 In the table, the Courant number (CO) and the percentage value of the error corresponding to CO are shown.
(5回回転)
図23は、液相中の気泡を5回回転移動させるシミュレーションをした際の界面の再構築の結果を示す図である。このシミュレーションは、説明図に示されるように、気泡BUで示される初期状態の気泡を液体LQ内を矢印R1で示される回転方向に5回転させて元の位置に戻すというものである。
(Rotate 5 times)
FIG. 23 is a diagram illustrating a result of the reconstruction of the interface when a simulation is performed in which bubbles in the liquid phase are rotated and moved five times. In this simulation, as shown in the explanatory diagram, the bubble in the initial state indicated by the bubble BU is rotated five times in the liquid LQ in the rotation direction indicated by the arrow R1 and returned to the original position.
図23のグラフおよびテーブルから理解されるように、THAINC_M法は、示されたクーラン数のほぼ全域に渡って、THINC/WLIC法に対して誤差が1%程度低く、また、THAINC法に対しても誤差が低くなっている。 As understood from the graph and table of FIG. 23, the THAINC_M method has an error of about 1% lower than that of the THINC / WLIC method over the almost entire range of the indicated Couran number. Even the error is low.
(2次元シミュレーションでの移動)
図24は、2次元シミュレーションにおいて、液相中の気泡を移動させた際の界面の再構築の結果を示す図である。このシミュレーションは、説明図に示されるように、気泡BUで示される初期状態の気泡を液体LQ内を矢印R2に従って移動させるものである。
(Movement in 2D simulation)
FIG. 24 is a diagram showing a result of reconstruction of the interface when bubbles in the liquid phase are moved in the two-dimensional simulation. In this simulation, as shown in the explanatory diagram, the bubble in the initial state indicated by the bubble BU is moved in the liquid LQ according to the arrow R2.
図24のグラフおよびテーブルから理解されるように、THAINC_M法は、示されたクーラン数のほぼ全域に渡って、THINC/WLIC法およびTHAINC法に対して誤差が低くなっている。特に、THAINC法に対し、THAINC_M法は、COが0.5の場合には1.5%程度、COが0.25の場合には3%近く、そして、COが0.1の場合には3%以上、誤差が低くなっている。 As understood from the graph and table of FIG. 24, the THAINC_M method has a lower error than the THINC / WLIC method and the THAINC method over almost the entire range of the indicated Couran number. In particular, the THAINC_M method is about 1.5% when CO is 0.5, close to 3% when CO is 0.25, and when CO is 0.1. The error is low by 3% or more.
(3次元シミュレーションでの移動)
図25は、3次元シミュレーションにおいて、液相中の気泡を移動させた際の界面の再構築の結果を示す図である。このシミュレーションは、説明図に示されるように、気泡BUで示される初期状態の気泡を液体LQ内を矢印R3に従って3次元空間内を移動させるものである。図25では、移動後の気泡が、気泡BU01で示されている。
(Movement in 3D simulation)
FIG. 25 is a diagram showing a result of reconstruction of the interface when bubbles in the liquid phase are moved in the three-dimensional simulation. In this simulation, as shown in the explanatory diagram, the bubble in the initial state indicated by the bubble BU is moved in the three-dimensional space in the liquid LQ according to the arrow R3. In FIG. 25, the bubble after the movement is indicated by a bubble BU01.
図25のグラフおよびテーブルから理解されるように、THINC/WLIC法とTHAINC法の間では、COの値によって誤差の大小関係が入れ替わったりしているが、THAINC_M法は、示されたクーラン数のほぼ全域に渡って、3%程度も、THINC/WLIC法およびTHAINC法に対して誤差が低くなっている。 As can be understood from the graph and table of FIG. 25, the magnitude relationship of the error is switched between the THINC / WLIC method and the THAINC method depending on the value of CO. However, the THAINC_M method Over almost the entire area, the error is about 3% lower than that of the THINC / WLIC method and THAINC method.
<実施の形態のまとめ>
以上説明した本実施の形態のTHAINC_M法は、2以上の軸が定義された場合に、式(2)(図6参照)に示されたTHINC法の特殊関数のβの算出方法に特徴がある。具体的には、各セルの、各軸についての法線ベクトルを用いて、βが算出される。より具体的には、式(15)および式(16)等に示されるように、第1の軸方向についての再構築に用いるβは、当該第1の軸の法線ベクトルの、それ以外の軸の法線ベクトルの合成されたベクトルに対する比として、算出される。
<Summary of Embodiment>
The THAINC_M method of the present embodiment described above is characterized by the method of calculating β of the special function of the THINC method shown in Equation (2) (see FIG. 6) when two or more axes are defined. . Specifically, β is calculated using the normal vector for each axis of each cell. More specifically, as shown in Equation (15), Equation (16), and the like, β used for reconstruction in the first axial direction is the normal vector of the first axis, Calculated as the ratio of the axis normal vector to the combined vector.
図26には、2次元シミュレーションにおける或るセルについての法線ベクトルのx成分(ベクトルnx)とy成分(ベクトルny)が、界面SBおよび法線ベクトル(ベクトルn)とともに、模式的に示されている。図26に示された例では、界面SBの左右で注目している流体の占有率αの値が変化している。界面SBより左方ではα=0であり、右方ではα=1である。そして、この場合には、式(15)を参照して説明したように、x軸方向の再構築に利用されるβ(つまり、βx)は、法線ベクトルnのx軸方向に対する勾配として算出される。また、y軸方向の再構築に利用されるβ(つまり、βy)は、法線ベクトルnのy軸方向に対する勾配として算出される。 In FIG. 26, the x component (vector n x ) and y component (vector n y ) of a normal vector for a certain cell in the two-dimensional simulation are schematically shown along with the interface SB and the normal vector (vector n). It is shown. In the example shown in FIG. 26, the value of the fluid occupancy α that is focused on the left and right of the interface SB changes. Α = 0 on the left side of the interface SB, and α = 1 on the right side. In this case, as described with reference to the equation (15), β (that is, β x ) used for reconstruction in the x-axis direction is a gradient of the normal vector n with respect to the x-axis direction. Calculated. Further, β (that is, β y ) used for reconstruction in the y-axis direction is calculated as a gradient of the normal vector n with respect to the y-axis direction.
図27には、3次元シミュレーションにおける或るセルについての法線ベクトルのx成分(ベクトルnx)と、法線ベクトル(ベクトルn)と、そのy成分とz成分の合成ベクトル(ベクトルnyz)とが、模式的に示されている。なお、図27では、法線ベクトルnのy成分がy軸上に「ny」で示され、また、法線ベクトルnのz成分がz軸上に「nz」で示されている。また、当該合成ベクトル(ベクトルnyz)のスカラー量は、次の式(23)で表される。 FIG. 27 shows an x component (vector n x ) of a normal vector for a certain cell in a three-dimensional simulation, a normal vector (vector n), and a combined vector (vector n yz ) of its y component and z component. Are schematically shown. In FIG. 27, the y component of the normal vector n is indicated by “n y ” on the y axis, and the z component of the normal vector n is indicated by “n z ” on the z axis. Further, the scalar quantity of the combined vector (vector n yz ) is expressed by the following equation (23).
x軸方向の再構築に利用されるβ(つまり、βx)は、法線ベクトルnのx軸方向に対する勾配として、つまり、式(16)に示されたように、算出される。 β (that is, β x ) used for reconstruction in the x-axis direction is calculated as a gradient of the normal vector n with respect to the x-axis direction, that is, as shown in Expression (16).
以上説明した本実施の形態のTHAINC_M法によれば、2種類以上の流体からなる混相流における自由界面のシミュレーションにおいて、シミュレーションの次元が変わっても、その誤差を、従来の計算方法よりも低く抑えることができる。 According to the THAINC_M method of the present embodiment described above, in a simulation of a free interface in a multiphase flow composed of two or more fluids, even if the simulation dimension changes, the error is suppressed to be lower than that of the conventional calculation method. be able to.
<その他の変形例等>
以上説明した本実施の形態では、ステップS50を実行するCPU105によって、各セルの占有率を算出するための算出手段が構成されている。そして、ステップS60を実行するCPU105によって、各セルの界面の再構築を行なう再構築手段が構成されている。
<Other variations, etc.>
In the present embodiment described above, the
100 コンピュータ、101 コンピュータ本体、102 モニタ、103 キーボード、104 マウス、106 メモリ、107 固定ディスク、109 通信インターフェース、111 FD駆動装置、113 CD−ROM駆動装置。 100 computer, 101 computer main body, 102 monitor, 103 keyboard, 104 mouse, 106 memory, 107 fixed disk, 109 communication interface, 111 FD drive device, 113 CD-ROM drive device.
Claims (6)
シミュレーション対象が分割された複数のセルのそれぞれにおける前記2種類以上の流体のうちの1の流体の占有率αを算出するための算出手段と、
変数βおよびγを含む式(A1)および式(A2)を用いるTHINC(tangent of hyperbola for interface capturing)法に従って、各前記セルの第1の軸に沿った界面χ(x)の再構築を行なうための再構築手段とを備え、
A calculating means for calculating an occupancy ratio α of one of the two or more types of fluid in each of the plurality of cells into which the simulation target is divided;
Reconstructing the interface χ (x) along the first axis of each cell according to the tangent of hyperbola for interface capturing (THINC) method using equations (A1) and (A2) including variables β and γ Restructuring means for
シミュレーション対象が分割された複数のセルのそれぞれにおける前記2種類以上の流体のうちの1の流体の占有率αを算出するための算出手段と、A calculating means for calculating an occupancy ratio α of one of the two or more types of fluid in each of the plurality of cells into which the simulation target is divided;
変数βおよびγを含む式(A1)および式(A2)を用いるTHINC(tangent of hyperbola for interface capturing)法に従って、各前記セルの第1の軸に沿った界面χ(x)の再構築を行なうための再構築手段とを備え、Reconstructing the interface χ (x) along the first axis of each cell according to the tangent of hyperbola for interface capturing (THINC) method using equations (A1) and (A2) including variables β and γ Restructuring means for
シミュレーション対象が分割された複数のセルのそれぞれにおける前記2種類以上の流体のうちの1の流体の占有率αを算出するステップと、
変数βおよびγを含む式(A1)および式(A2)を用いるTHINC(tangent of hyperbola for interface capturing)法に従って、各前記セルの第1の軸に沿った界面の再構築を行なうステップと、
前記再構築を行なうステップは、各前記セルの前記第1の軸に沿った方向についての前記変数βを、式(A3)を用いて算出する、シミュレーション方法。
Calculating an occupancy ratio α of one of the two or more fluids in each of a plurality of cells into which a simulation target is divided;
Reconstructing the interface along the first axis of each said cell according to a tangent of hyperbola for interface capturing (THINC) method using equations (A1) and (A2) comprising variables β and γ;
The step of performing the rebuilding is a simulation method in which the variable β for the direction along the first axis of each of the cells is calculated using Expression (A3) .
シミュレーション対象が分割された複数のセルのそれぞれにおける前記2種類以上の流体のうちの1の流体の占有率αを算出するステップと、Calculating an occupancy ratio α of one of the two or more fluids in each of a plurality of cells into which a simulation target is divided;
変数βおよびγを含む式(A1)および式(A2)を用いるTHINC(tangent of hyperbola for interface capturing)法に従って、各前記セルの第1の軸に沿った界面χ(x)の再構築を行なうステップと、Reconstructing the interface χ (x) along the first axis of each cell according to the tangent of hyperbola for interface capturing (THINC) method using equations (A1) and (A2) including variables β and γ Steps,
前記再構築を行なうステップは、各前記セルの前記第1の軸に沿った方向についての前記変数βを、式(A4)または式(A5)を用いて算出する、シミュレーション方法。The step of performing the reconstruction is a simulation method in which the variable β with respect to the direction along the first axis of each cell is calculated using the formula (A4) or the formula (A5).
前記シミュレーションプログラムは、前記コンピュータに、
シミュレーション対象が分割された複数のセルのそれぞれにおける前記2種類以上の流体のうちの1の流体の占有率αを算出するステップと、
変数βおよびγを含む式(A1)および式(A2)を用いるTHINC(tangent of hyperbola for interface capturing)法に従って、各前記セルの第1の軸に沿った界面の再構築を行なうステップと、
前記再構築を行なうステップは、各前記セルの前記第1の軸に沿った方向についての前記変数βを、式(A3)を用いて算出する、シミュレーションプログラム。
The simulation program is stored in the computer.
Calculating an occupancy ratio α of one of the two or more fluids in each of a plurality of cells into which a simulation target is divided;
Reconstructing the interface along the first axis of each said cell according to a tangent of hyperbola for interface capturing (THINC) method using equations (A1) and (A2) comprising variables β and γ;
The step of performing the reconstruction is a simulation program for calculating the variable β with respect to the direction along the first axis of each of the cells using the formula (A3) .
前記シミュレーションプログラムは、前記コンピュータに、
シミュレーション対象が分割された複数のセルのそれぞれにおける前記2種類以上の流体のうちの1の流体の占有率αを算出するステップと、
変数βおよびγを含む式(A1)および式(A2)を用いるTHINC(tangent of hyperbola for interface capturing)法に従って、各前記セルの第1の軸に沿った界面χ(x)の再構築を行なうステップと、
前記再構築を行なうステップは、各前記セルの前記第1の軸に沿った方向についての前記変数βを、式(A4)または式(A5)を用いて算出する、シミュレーションプログラム。
Before Symbol simulation program, in the computer,
Calculating an occupancy ratio α of one of the two or more fluids in each of a plurality of cells into which a simulation target is divided;
Reconstructing the interface χ (x) along the first axis of each cell according to the tangent of hyperbola for interface capturing (THINC) method using equations (A1) and (A2) including variables β and γ Steps,
The step of performing the reconstruction is a simulation program for calculating the variable β with respect to a direction along the first axis of each of the cells using the formula (A4) or the formula (A5).
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