JP6576303B2 - Simulation apparatus, simulation apparatus control method, and control program - Google Patents
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Description
本発明は、非圧縮性流体あるいは擬圧縮性のニュートン流体の流れをシミュレーションするシミュレーション装置等に関する。 The present invention relates to a simulation apparatus for simulating a flow of an incompressible fluid or a pseudo-compressible Newtonian fluid.
近年の生態系の保護に対する関心の高まり、人類の安全性確保に対する意識の向上に伴い、河川、湖、海洋等における水系環境の調査研究の重要性が増している。水系環境において、各種生態系に関与する原因要素を直接特定することは困難であり、水系環境に与える影響が大きい因子である、化学物質の濃度、温度、水況等の時空間変化を観測するか、または当該変化を試験にて推定することが行われている。 As interest in the protection of ecosystems in recent years has increased and awareness of ensuring the safety of mankind has increased, the importance of research on the aquatic environment in rivers, lakes, and oceans has increased. In the aquatic environment, it is difficult to directly identify the causal factors involved in various ecosystems. Observe spatio-temporal changes such as chemical concentration, temperature, and water conditions, which are factors that have a large impact on the aquatic environment. Or the change is estimated in a test.
また、水況、すなわち化学物質を輸送する流動は、水系環境に与える影響が極めて大きいため、数日から数年に渡って多点で実測されている事例も存在する。しかし、多額の費用と労力とを必要とするため、実測データが十分に集まっているとは言い難い。 In addition, since the water condition, that is, the flow of transporting chemical substances, has a great influence on the aqueous environment, there are cases where measurements are made at multiple points over several days to several years. However, since it requires a large amount of money and labor, it is difficult to say that the actual measurement data is sufficiently collected.
一方で、流体の数値シミュレーションをベースに、各種モデルを加えて水系環境を補完し予測する試みも行われている。 On the other hand, based on numerical simulation of fluids, attempts have been made to supplement and predict the aqueous environment by adding various models.
流体の数値シミュレーションとして、例えば、非特許文献1には、静水圧近似の代表的な海洋モデルが開示されている。また、非特許文献2には、流体解析モデルが開示されている。
As a fluid numerical simulation, for example, Non-Patent
しかしながら、上述した従来技術では、河川、湖、海洋等の水系環境における数値シミュレーションの課題を解決することができない。河川、湖、海洋等の水系環境では、数値シミュレーションに用いる計算格子の鉛直方向のスケールが、水平方向のスケールと比較して1/10〜1/1000のオーダで小さくなる。非特許文献1の方法では鉛直方向の運動量が考慮されておらず、これが駆動力となる流れについては解の精度が低下するおそれがある。一方、非特許文献2の方法では、一般に解析法に関する安定性の限界を逸脱することから、シミュレーションの演算が収束せず、数値解が得られないおそれがある。
However, the above-described conventional technology cannot solve the problem of numerical simulation in an aqueous environment such as a river, a lake, and the ocean. In an aquatic environment such as a river, a lake, and the ocean, the vertical scale of the calculation grid used for the numerical simulation is smaller on the order of 1/10 to 1/1000 compared to the horizontal scale. In the method of
本発明は、前記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、水系環境における数値シミュレーションの演算を発散させることなく高精度に実行できるシミュレーション装置等を実現することにある。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object thereof is to realize a simulation apparatus and the like that can be executed with high accuracy without diverging numerical simulation operations in an aqueous environment.
上記の課題を解決するために、本発明に係るシミュレーション装置は、三次元空間を運動する非圧縮性流体あるいは擬圧縮性のニュートン流体のシミュレーション装置であって、三次元空間に設定した計算格子の少なくとも1つの座標スケールが他の座標スケールの少なくとも1つの2倍以上であり、基礎式から導出した偏微分方程式を各座標スケールに対応して分解し、さらに直交分解した方程式を用いるものであり、上記少なくとも1つの座標スケールに対応した方程式を用いて、圧力および三方向成分の速度を算出する長波長成分算出部と、上記他の座標スケールに対応した方程式を用いて、圧力および小さな座標スケールに相当する方向成分の速度を算出する短波長成分算出部と、上記長波長成分算出部、および上記短波長成分算出部の算出結果を足し合わせる合成部と、を備える構成である。 In order to solve the above problems, a simulation apparatus according to the present invention is a simulation apparatus for an incompressible fluid or a pseudo-compressible Newtonian fluid that moves in a three-dimensional space, and includes a calculation grid set in the three-dimensional space. At least one coordinate scale is at least twice as large as at least one other coordinate scale, a partial differential equation derived from a basic equation is decomposed corresponding to each coordinate scale, and further an orthogonal decomposition equation is used. Using the equation corresponding to the at least one coordinate scale, the long wavelength component calculation unit for calculating the pressure and the velocity of the three-direction component, and using the equation corresponding to the other coordinate scale, the pressure and the small coordinate scale are calculated. A short wavelength component calculation unit that calculates the velocity of the corresponding direction component, the long wavelength component calculation unit, and the short wavelength component calculation A combining unit for adding the result of calculation, a structure comprising a.
また、上記の課題を解決するために、本発明に係るシミュレーション装置の制御方法は、三次元空間を運動する非圧縮性流体あるいは擬圧縮性のニュートン流体のシミュレーション装置の制御方法であって、三次元空間に設定した計算格子の少なくとも1つの座標スケールが他の座標スケールの少なくとも1つの2倍以上であり、基礎式から導出した偏微分方程式を各座標スケールに対応して分解し、さらに直交分解した方程式を用いるものであり、上記少なくとも1つの座標スケールに対応した方程式を用いて、圧力および三方向成分の速度を算出する長波長成分算出ステップと、上記他の座標スケールに対応した方程式を用いて、圧力および上記他の座標スケールに相当する方向成分の速度を算出する短波長成分算出ステップと、上記長波長成分算出ステップ、および上記短波長成分算出ステップにおける算出結果を足し合わせる合成ステップと、を含む方法である。 In order to solve the above problems, a control method for a simulation apparatus according to the present invention is a control method for a simulation apparatus for an incompressible fluid or a pseudo-compressible Newtonian fluid that moves in a three-dimensional space. At least one coordinate scale of the calculation grid set in the original space is at least twice that of the other coordinate scale, and the partial differential equation derived from the basic equation is decomposed corresponding to each coordinate scale, and further orthogonal decomposition Using the equation corresponding to the at least one coordinate scale, the long wavelength component calculating step for calculating the pressure and the velocity of the three-way component, and the equation corresponding to the other coordinate scale. A short wavelength component calculating step for calculating a velocity of a direction component corresponding to the pressure and the other coordinate scale, and the long The length component calculating step, and the method comprising, a synthetic step adding the calculation result of the short wavelength component calculating step.
上記の構成によれば、運動方程式が偏微分方程式の楕円性を持つ場合において、該偏微分方程式を各座標スケールに応じた方程式に分解し、さらに直交分解して得られた方程式を複数個用いるので、発散させることなく分解したスケールごとに、流体の計算を行うことができる。すなわち、水系環境における数値シミュレーションの演算を発散させることなく高精度に実行できる。 According to the above configuration, when the equation of motion has the ellipticity of a partial differential equation, the partial differential equation is decomposed into equations corresponding to each coordinate scale, and a plurality of equations obtained by orthogonal decomposition are used. Therefore, the fluid can be calculated for each scale that has been decomposed without being diverged. That is, it is possible to execute numerical simulations in an aqueous environment with high accuracy without diverging.
なお、非圧縮性流体とは、圧力に依存して密度が変化しない流体である。また、擬圧縮性のニュートン流体とは、流体の密度を圧力以外の物理因子によって変化させることができる流体を示し、例えば、温度や化学種濃度に依存して密度を変えられる流体である。 An incompressible fluid is a fluid whose density does not change depending on pressure. The pseudo-compressible Newtonian fluid is a fluid whose density can be changed by a physical factor other than pressure. For example, the density can be changed depending on temperature and chemical species concentration.
本発明に係るシミュレーション装置では、現在の時刻の液面の位置を、次の時刻の圧力境界条件とすることが好ましい。 In the simulation apparatus according to the present invention, it is preferable that the position of the liquid surface at the current time is the pressure boundary condition at the next time.
本発明に係るシミュレーション装置では、上記少なくとも1つの座標スケールが、上記他の座標スケールの10の2乗倍より大きいものであってもよい。 In the simulation apparatus according to the present invention, the at least one coordinate scale may be larger than 10 times the other coordinate scale.
上記の構成によれば、海洋計算、静水圧近似の計算に適用することができる。 According to said structure, it can apply to the calculation of an ocean calculation and a hydrostatic pressure approximation.
本発明の各態様に係るシミュレーション装置は、コンピュータによって実現してもよく、この場合には、コンピュータを前記シミュレーション装置が備える各部(ソフトウェア要素)として動作させることにより前記シミュレーション装置をコンピュータにて実現させるシミュレーション装置の制御プログラム、およびそれを記録したコンピュータ読取り可能な記録媒体も、本発明の範疇に入る。 The simulation apparatus according to each aspect of the present invention may be realized by a computer. In this case, the simulation apparatus is realized by a computer by operating the computer as each unit (software element) included in the simulation apparatus. A control program for the simulation apparatus and a computer-readable recording medium on which the control program is recorded also fall within the scope of the present invention.
本発明によれば、運動方程式が偏微分方程式の楕円性を持つ場合において、該偏微分方程式を各座標スケールに応じた方程式に分解し、さらに直交分解して得られた方程式を複数個用いるので、発散させることなく分解したスケールごとに、流体の計算を行うことができるという効果を奏する。すなわち、本発明によれば、水系環境における数値シミュレーションの演算を発散させることなく高精度に実行することができ、計算負荷の面において実用性を得ることが困難な計算も可能になる。 According to the present invention, when the equation of motion has the ellipticity of a partial differential equation, the partial differential equation is decomposed into equations corresponding to each coordinate scale, and a plurality of equations obtained by orthogonal decomposition are used. The fluid can be calculated for each scale that has been decomposed without diverging. That is, according to the present invention, it is possible to execute a numerical simulation operation in an aqueous environment with high accuracy without diverging, and it is possible to perform a calculation that is difficult to obtain practicality in terms of calculation load.
本実施形態に係るシミュレーション装置1は、所定の式を予め記憶させておくことで、シミュレーションを行うことができる。
The
そこでまず、本実施形態に係るシミュレーション装置1が実行するシミュレーション方法で用いる式の導出方法を説明する。
First, a method for deriving equations used in the simulation method executed by the
なお、以下では、三次元空間に設定した計算格子のうち、鉛直方向の座標スケールが、2つの水平方向の座標スケールの2倍以上である場合の式の導出方法について説明する。 In the following, a method for deriving an expression when the vertical coordinate scale of the calculation grid set in the three-dimensional space is twice or more the two horizontal coordinate scales will be described.
三次元直交座標系における非圧縮流体の数値計算では、安定性を確保するため、以下の式(1)(Courant条件)を満たす必要がある。 In the numerical calculation of the incompressible fluid in the three-dimensional orthogonal coordinate system, the following formula (1) (Courant condition) needs to be satisfied in order to ensure stability.
ここで、xおよびyは水平方向座標を示し、zは鉛直方向座標を示す。また、Δx、Δy、Δzはそれぞれの方向の座標スケールを示し、Δtは時間刻み幅を示す。また、u、v、wは各方向の速度を示す。また、下付添字の「max」は計算領域内における最大値を表している。 Here, x and y indicate horizontal coordinates, and z indicates vertical coordinates. Δx, Δy, and Δz indicate coordinate scales in the respective directions, and Δt indicates a time step size. U, v, and w indicate the speed in each direction. The subscript “max” represents the maximum value in the calculation area.
ここで、河川、湖、海洋等の水系環境では、数値シミュレーションに用いる計算格子の鉛直方向のスケールが、水平方向のスケールと比較して1/10〜1/1000のオーダで小さくなる。この点に基づき、Δx≒Δy>>Δzとした場合、式(1)より、Δtはwmax/Δzにほぼ依存することになる。なお、Δx≒Δy≒Δzとした場合は、式(1)を満たせば数値解を得ることができるが、水平方向に膨大な数の計算格子を要することになる。 Here, in an aqueous environment such as a river, a lake, and the ocean, the vertical scale of the calculation grid used for the numerical simulation is smaller on the order of 1/10 to 1/1000 compared to the horizontal scale. Based on this point, when Δx≈Δy >> Δz, Δt substantially depends on w max / Δz from equation (1). In the case of Δx≈Δy≈Δz, a numerical solution can be obtained if Expression (1) is satisfied, but an enormous number of calculation grids are required in the horizontal direction.
そこで、以下の静水圧近似モデルが提案されている。上記のような計算格子スケールの制約から、シミュレーションの演算が収束せず、発散してしまうという問題を回避するため、まず、圧力を静水圧近似した以下の式を用いる。 Therefore, the following hydrostatic pressure approximation model has been proposed. In order to avoid the problem that the calculation of the simulation does not converge and diverges due to the limitations of the calculation grid scale as described above, first, the following expression that approximates the hydrostatic pressure is used.
ここで、pは圧力、p0は大気圧、hは水面高さ、ρは密度、gは重力加速度を示す。この近似式を用いることにより、Courant条件は次式に緩和される。 Here, p is pressure, p 0 is atmospheric pressure, h is water surface height, ρ is density, and g is gravitational acceleration. By using this approximate expression, the Courant condition is relaxed to the following expression.
ただし、前記の式(3)では、鉛直方向の動的挙動を計算することができない。近年のシミュレーションでは、陸地近海や湾内において数百m以下の分解能での精度が求められており、水平方向速度の水深依存性と鉛直方向流の影響を考慮することは不可欠である。したがって、前記の式(3)は必ずしも妥当とは言えない。 However, in the above equation (3), the dynamic behavior in the vertical direction cannot be calculated. In recent simulations, accuracy at a resolution of several hundred meters or less is required in the land near the sea and in the bay, and it is essential to consider the dependency of horizontal velocity on the water depth and the influence of vertical flow. Therefore, the above equation (3) is not necessarily valid.
そこで、本実施形態では、上記のような計算格子スケールの制約から、シミュレーションの演算が収束せず、発散してしまうという問題を回避するため、以下の方法で方程式を導出する。具体的には、まず、鉛直方向に対し準動的な運動方程式を導出し、次に、Projection法に適用するために離散化法を適用する。そして、自由表面を組み込むように拡張する。 Therefore, in the present embodiment, equations are derived by the following method in order to avoid the problem that the calculation of the simulation does not converge and diverges due to the limitations of the calculation grid scale as described above. Specifically, first, a quasi-dynamic equation of motion with respect to the vertical direction is derived, and then a discretization method is applied for application to the Projection method. It is then expanded to incorporate a free surface.
〔式の導出〕
シミュレーション対象となる流体は、流体として相変化がない擬圧縮性のニュートン流体を仮定する。
(Derivation of formula)
As the fluid to be simulated, a pseudo-compressible Newtonian fluid having no phase change is assumed.
まず、カーテシアン三次元直交座標系に対して、以下のように、基礎式として、質量保存式(4)および運動量保存式(5)(6)(7)を与える。 First, a mass conservation equation (4) and momentum conservation equations (5), (6), and (7) are given as basic equations to the Cartesian three-dimensional orthogonal coordinate system as follows.
ここで、tは時間、D/Dtは物質微分、μは粘度である。Δx≒Δy>>Δzを考慮すれば、z方向の式(7)は次式(8)のように近似できる。 Here, t is time, D / Dt is substance differentiation, and μ is viscosity. Taking into account Δx≈Δy >> Δz, the equation (7) in the z direction can be approximated as the following equation (8).
次に、鉛直方向の波長を考慮して、変数wおよび変数pをそれぞれ以下の通り長波長成分と短波長成分との2つに分解する。なお、数式中に示したアルファベット文字の上にハット(^)が付いた文字を、本明細書中では、アルファベット文字の横にハットを付して表記する。以下、他の文字についても同様である。 Next, considering the wavelength in the vertical direction, the variable w and the variable p are decomposed into two, a long wavelength component and a short wavelength component, as follows. In addition, in this specification, a letter with a hat (^) added to an alphabetic character shown in the formula is indicated with a hat next to the alphabetic character. The same applies to other characters.
ここで、上記の式(4)〜式(8)におけるu、v、およびwのうちのw^は、波長がΔx≒Δy>>Δzのスケールで捕捉できる波長成分(以下、長波長成分と称することもある。)の各方向の速度を意味し、pのうちのp^は、長波長成分の圧力を意味する。また、wのうちのw’は、Δzのスケールで捕捉できる波長成分(以下、短波長成分と称することもある。)のz方向の速度を意味し、pのうちのp’は、短波長成分の圧力を意味する。式(9)、および式(10)を用いて、上記の式(4)〜式(6)、および式(8)を書き換えると、次の式(11)、式(12)、式(13)、および式(14)がそれぞれ得られる。 Here, w ^ among u, v, and w in the above formulas (4) to (8) is a wavelength component that can be captured on a scale where the wavelength is Δx≈Δy >> Δz (hereinafter, a long wavelength component and ) Of each direction, and p ^ of p means the pressure of the long wavelength component. In addition, w ′ of w means the velocity in the z direction of a wavelength component (hereinafter also referred to as a short wavelength component) that can be captured on a Δz scale, and p ′ of p is a short wavelength. It means the pressure of the component. When the above equations (4) to (6) and (8) are rewritten using the equations (9) and (10), the following equations (11), (12), and (13) ) And equation (14) are obtained respectively.
次に、数値解法としてProjection法(棚橋隆彦著者「CFDの基礎理論」アイピーシー、pp.201-220、1990を参照)を適用し、Euler陽解法(小林敏雄[ほか]編「数値流体力学ハンドブック」丸善、2003年3月、pp.19−65を参照)を用いて、上記の式(12)、式(13)、および式(14)を時間的に離散化すると、次の式(15)、式(16)、および式(17)を得ることができる。 Next, we applied the Projection method (see Takahiko Tanahashi's "Basic Theory of CFD" IPC, pp. 201-220, 1990) as the numerical method, and the Euler explicit method (Toshio Kobayashi [others] edited "Computational Fluid Dynamics Handbook". Maruzen, March 2003, see pp. 19-65), the above equation (12), equation (13), and equation (14) are discretized in terms of time, and the following equation (15) Equation (16) and Equation (17) can be obtained.
ここで、上付添字の「n+1」は次の時刻(n+1)Δtにおける値であることを示し、Gx、Gy、Gzは、現在時刻nから得られた既知の値をまとめた変数を示す。 Here, the superscript “n + 1” indicates a value at the next time (n + 1) Δt, and G x , G y , and G z are variables summarizing known values obtained from the current time n. Indicates.
(1.速度予測子)
上記の式(15)、式(16)、および式(17)は、p^n+1が未知であるため、圧力項を除いて速度予測子
(1. Speed predictor)
In the above equations (15), (16), and (17), p ^ n + 1 is unknown, so the speed predictor is excluded except for the pressure term.
を計算する。そのため、速度予測子はそれぞれ、次の式(18)、式(19)および式(20)のように記載できる。 Calculate Therefore, each of the speed predictors can be described as the following Expression (18), Expression (19), and Expression (20).
まず、u、およびvについて導出を進める。上記の式(18)、および式(19)を、上記の式(15)、および式(16)に代入することで、次の式(21)、および式(22)が得られる。 First, derivation is advanced for u and v. By substituting the above equations (18) and (19) into the above equations (15) and (16), the following equations (21) and (22) are obtained.
ここから、次の式(23)、および式(24)がそれぞれ得られる。 From this, the following equations (23) and (24) are obtained, respectively.
一方、wについては、上記式(20)を、上記式(17)に代入することで、次の式(25)が得られる。 On the other hand, for w, the following equation (25) is obtained by substituting the above equation (20) into the above equation (17).
ここから、次の式(26)が得られる。 From this, the following equation (26) is obtained.
次に、上記式(11)を、時間的に離散化することで、次の式(27)が得られる。 Next, the following formula (27) is obtained by discretizing the formula (11) with respect to time.
(2.圧力の長波長成分の式)
上記式(27)について、Δx≒Δyのスケールで捕捉できる波長成分を考慮して、w’=p’=0とし、直交分解すると、p^n+1に関する以下のポアソン方程式(28)(圧力の長波長成分の式)を得ることできる。
(2. Expression of long wavelength component of pressure)
In consideration of the wavelength component that can be captured on the scale of Δx≈Δy in the above equation (27), w ′ = p ′ = 0 and orthogonal decomposition, the following Poisson equation (28) for p ^ n + 1 (pressure length) Wavelength component formula) can be obtained.
(3.速度の長波長成分の式)
また同様に、上記の式(21)、式(22)、および式(25)について、Δx≒Δyのスケールで捕捉できる波長成分を考慮して、w’=p’=0とすると、以下の式(29)〜式(31)で示す通り、u、v、w^の時間更新の式(速度の長波長成分の式)を得ることできる。
(3. Formula of long wavelength component of velocity)
Similarly, when w ′ = p ′ = 0 in the above formula (21), formula (22), and formula (25) in consideration of the wavelength component that can be captured on the scale of Δx≈Δy, As shown in Expression (29) to Expression (31), a time update expression (expression of a long wavelength component of velocity) of u, v, and w ^ can be obtained.
(4.圧力の短波長成分の式)
一方、上記式(27)を、Δzのスケールで捕捉できる波長成分に関して、直交分解して解くと、p’n+1に関する以下のポアソン方程式(32)(圧力の短波長成分の式)を得ることできる。
(4. Formula of short wavelength component of pressure)
On the other hand, when the above equation (27) is solved by orthogonal decomposition with respect to the wavelength component that can be captured at the scale of Δz, the following Poisson equation (32) (expression of the short wavelength component of pressure) for p ′ n + 1 can be obtained. .
(5.速度の短波長成分の式)
また同様に、上記式(26)を、Δzのスケールで捕捉できる波長成分に関して解くと、以下の式(33)で示す通り、w’の時間更新の式(速度の短波長成分の式)を得ることできる。
(5. Formula of short wavelength component of velocity)
Similarly, when the above equation (26) is solved with respect to the wavelength component that can be captured on the scale of Δz, as shown in the following equation (33), the time update equation for w ′ (the equation for the short wavelength component of the velocity) is obtained. Can get.
ここで、w’の計算は、安定性の問題からΔtの制約が必要である。そのため、Δtの代わりに、例えば、次の式(34)、および式(35)で算出したΔtzを用いるとよい。
Δtz=Δt/Ez (34)
Here, the calculation of w ′ requires the restriction of Δt due to the stability problem. Therefore, instead of Delta] t, for example, the following equation (34), and preferably used Delta] t z calculated by the equation (35).
Δt z = Δt / E z (34)
ここで、INTは小数点以下を切り捨てて整数化することを意味している。 Here, INT means rounding down to the integer.
〔ポアソン方程式の数値解法の例〕
(1.圧力の長波長成分の式)
圧力の長波長成分の式である、上記のポアソン方程式(28)を数値的に解く方法を述べる。
[Example of numerical solution of Poisson equation]
(1. Long wavelength component of pressure)
A method for numerically solving the Poisson equation (28), which is an expression of the long wavelength component of pressure, will be described.
通常の数値流体力学の手法に倣い、変数はスタガード配置を用いる。図2に示すように、スカラーを格子中心、ベクトルを格子の境界面に配置する。図2は、スタガード配置の格子例を示す図である。なお、図2では、見易さを考慮して、二次元で描いている。これによって、変数の非物理的な振動を抑えられる。x、y、z座標軸の格子位置をそれぞれi、j、kとおくと、ポアソン方程式(28)の第1項、および第2項(=Sijkとおく)は、以下の式(36)で示すように離散化できる。 Following the usual computational fluid dynamics method, the variable uses staggered arrangement. As shown in FIG. 2, the scalar is arranged at the lattice center and the vector is arranged at the lattice boundary surface. FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a lattice with a staggered arrangement. In FIG. 2, it is drawn in two dimensions for easy viewing. This suppresses non-physical vibrations of variables. When the lattice positions of the x, y, and z coordinate axes are set to i, j, and k, respectively, the first and second terms (= Sijk) of the Poisson equation (28) are expressed by the following formula (36). It can be discretized as follows.
また同様に、ポアソン方程式(28)の第3項(圧力項)は、以下の式(37)で示すように離散化できる。なお、以下では、記載を容易にするため、時刻をあらわす上付き添え字を省略している。 Similarly, the third term (pressure term) of the Poisson equation (28) can be discretized as shown by the following equation (37). In the following, superscripts representing time are omitted for easy description.
上記式(28)に上記の式(36)および式(37)を代入すると、pに関する演算ができる。その演算法としては大きく分けて直接法と反復法とがあるが、ここでは、反復法の一例であるGauss−Seidel法(小林敏雄[ほか]編「数値流体力学ハンドブック」丸善、2003年3月、p.19−65を参照)により以下の式(38)を導出する。 By substituting the above equations (36) and (37) into the above equation (28), an operation relating to p can be performed. The calculation method is roughly divided into the direct method and the iterative method. Here, the Gauss-Seidel method, which is an example of the iterative method (Toshio Kobayashi [etc.], “Computational Fluid Dynamics Handbook” Maruzen, March 2003 , P.19-65), the following equation (38) is derived.
ここで、CC、CR、CL、CT、CB、CF、COは、上記式(37)に含まれる添え字が同一のpの係数である。上記式(37)を用いて、i、j、kに関するループを組み、収束するまで繰り返し計算を行うことにより、圧力の長波長成分p^に関する収束値を得る。 Here, C C , C R , C L , C T , C B , C F , and C O are coefficients of p having the same subscript included in the formula (37). By using the above equation (37), a loop for i, j, k is assembled, and calculation is repeated until convergence, thereby obtaining a convergence value for the long wavelength component p ^ of pressure.
(2.圧力の短波長成分の式)
同様に、圧力の短波長成分の式である、上記のポアソン方程式(32)も、次式(39)で示すように離散化できる。
(2. Formula of short wavelength component of pressure)
Similarly, the Poisson equation (32), which is an equation for the short wavelength component of pressure, can also be discretized as shown by the following equation (39).
上記式(39)を用いて、圧力の長波長成分p^と同様に、収束するまで繰り返し計算を行うことにより、圧力の短波長成分p’に関する収束値を得ることができる。 Similar to the long wavelength component p ^ of the pressure, the convergence value regarding the short wavelength component p 'of the pressure can be obtained by repeatedly calculating until convergence using the above formula (39).
〔圧力境界条件〕
次に、液面の位置を考慮した圧力境界条件について説明する。
(Pressure boundary condition)
Next, the pressure boundary condition considering the position of the liquid level will be described.
本実施形態のように、Δx≒Δy>>Δzの計算格子を使用する場合、シミュレーションの不安定性や数値誤差を防止できるため、液面の位置を考慮することが好ましい。自由表面を水平方向に対する一価関数として計算することにより、液面の位置を考慮することができる。自由表面を水平方向に対する一価関数として計算する方法としては、例えば、SOLA−Surf(SOLution Algorithm-Surf)法等が挙げられる。 When using a calculation grid of Δx≈Δy >> Δz as in the present embodiment, it is preferable to consider the position of the liquid surface because instability of the simulation and numerical error can be prevented. By calculating the free surface as a monovalent function in the horizontal direction, the position of the liquid surface can be taken into account. Examples of a method for calculating the free surface as a monovalent function in the horizontal direction include a SOLA-Surf (SOLution Algorithm-Surf) method.
そこで、本実施形態では、SOLA−Surf法(Hirt, C.W., Nichols, B.D., Romero, N.C. (1975): SOLA-A Numerical Solution Algorithm for Transient Fluid Flow ,Los Alamos Scientific Laboratory, LA-5852, pp. 1-50を参照)に倣い、自由表面を水平方向に対する一価関数h(海底からの液面の位置)として計算する。hは、次式(40)を用いて得ることができる。なお、自由表面を再現できる手法であればよく、VOF(Volume of Fluid)法、ALE(Arbitrary Lagrangian-Eulerian)法、BFC(Boundary Fitted Coordinate)法(いずれも小林敏雄[ほか]編「数値流体力学ハンドブック」丸善、2003年3月、pp.19−65を参照)などの方法も適用可能である。 Therefore, in this embodiment, the SOLA-Surf method (Hirt, CW, Nichols, BD, Romero, NC (1975): SOLA-A Numerical Solution Algorithm for Transient Fluid Flow, Los Alamos Scientific Laboratory, LA-5852, pp. 1 -50), and calculate the free surface as a monovalent function h (the position of the liquid level from the seabed) in the horizontal direction. h can be obtained using the following equation (40). Any technique that can reproduce a free surface is acceptable. VOF (Volume of Fluid) method, ALE (Arbitrary Lagrangian-Eulerian) method, BFC (Boundary Fitted Coordinate) method (all of which are edited by Toshio Kobayashi [others] A method such as "Handbook" Maruzen, March 2003, pp. 19-65) is also applicable.
液面の影響を考慮するため、圧力境界条件を課す必要がある。図3は、自由表面における圧力境界条件を説明するための図である。 In order to take into account the effect of the liquid level, it is necessary to impose pressure boundary conditions. FIG. 3 is a diagram for explaining the pressure boundary condition on the free surface.
x方向およびz方向に関する格子位置をそれぞれi、kと番号付けする。位置(i,k)における圧力をpikと表記する。スタガード配置に倣い、pikは格子中心位置で定義するものとする。 The lattice positions in the x and z directions are numbered i and k, respectively. The pressure at the position (i, k) is expressed as p ik . In accordance with the staggered arrangement, p ik is defined by the lattice center position.
一例として、pikの位置とpik+1の位置との間に液面がある場合を考える。セル幅Δzに対する、液面位置とpikの位置との距離の比をηとする。液面位置で大気側の圧力がpatmとなる条件を付与し、線形内挿関係を考慮すれば、次式(41)を得ることができる。 As an example, consider the case where there is a liquid level between the positions of the p ik + 1 of p ik. The ratio of the distance between the liquid surface position and the position of p ik to the cell width Δz is η. The following equation (41) can be obtained by giving the condition that the pressure on the atmosphere side becomes patm at the liquid surface position and considering the linear interpolation relationship.
上記式(41)で得られる圧力を、圧力の式(38)、および式(39)の境界条件として付与する。 The pressure obtained by the above equation (41) is given as the boundary condition of the pressure equation (38) and the equation (39).
Projection法は、圧力を直接、反復計算するので、液面の位置を考慮した条件を直接反映できるのに加え、ポアソン方程式の解法を自由に選択することができる。そのため、本実施形態のように、数値解法としてProjection法を採用することにより、液面の位置を圧力境界条件への組み込むことも容易となる。また他の数値解法としてSOLA法、SMAC(Simplified Maker and Cell)法等が挙げられる。中でもSOLA法は速度と圧力とを同時反復する方法であるため、液面の位置を圧力境界条件として組み込み易い。 In the Projection method, the pressure is directly and repeatedly calculated. Therefore, in addition to directly reflecting the conditions in consideration of the position of the liquid level, the solution method of the Poisson equation can be freely selected. Therefore, by adopting the Projection method as the numerical solution method as in this embodiment, it becomes easy to incorporate the position of the liquid level into the pressure boundary condition. Other numerical solutions include the SOLA method, SMAC (Simplified Maker and Cell) method, and the like. In particular, the SOLA method is a method of repeating speed and pressure at the same time, so that the position of the liquid level is easily incorporated as a pressure boundary condition.
本実施形態に係るシミュレーション装置1は、後述するとおり、予め上記で算出された式を記憶させておくことでシミュレーションを行うことができる。
As will be described later, the
本実施形態に係るシミュレーション装置1の装置構成および処理フローを、以下、詳細に説明する。
The apparatus configuration and processing flow of the
〔シミュレーション装置1の構成〕
まず、図1を参照して、シミュレーション装置1の要部構成について説明する。図1は、シミュレーション装置1の要部構成を示すブロック図である。図1に示すように、シミュレーション装置1には、入力装置2と表示装置3とが接続されている。
[Configuration of Simulation Device 1]
First, with reference to FIG. 1, the principal part structure of the
入力装置2は、シミュレーション装置1を操作するための装置である。入力装置2は、シミュレーション装置1を操作するための入力操作を受け付け、受け付けた入力操作の内容を示す操作データをシミュレーション装置1に送信できるものであればよく、例えばマウス、キーボード等を適用することもできる。
The
表示装置3は、シミュレーション装置1が出力する表示用データを用いて画像を表示する装置である。表示装置3は、画像を表示できるものであればよく、液晶表示装置、有機EL(Electro Luminescence)表示装置等を適用することもできる。表示装置3には、シミュレーション装置1を操作するための操作画面、シミュレーション結果等が表示される。
The
シミュレーション装置1は、制御部10、および記憶部20を備えている。
The
制御部10は、シミュレーション装置1の動作を統括して制御するものである。制御部10は、記憶部20に格納されているプログラムを、例えばRAM(Random Access Memory)等に読み出して実行することによって上記の制御を行う。
The
記憶部20は、シミュレーション装置1が動作するために必要なデータやプログラム等を格納している。また、シミュレーションの過程で算出される途中結果、シミュレーションの最終結果なども記憶部20に格納される。ここで、記憶部20には、シミュレーションの過程で用いられる、流体の物性を示すパラメータ(密度、粘度、熱容量、熱伝導度、等)、初期値、境界条件(壁における圧力、潮の流れ、等)、変数等や、計算命令順序等があらかじめ登録されており、シミュレーションの開始時または参照時に読み込ませるものとする。
The
制御部10には、シミュレーション算出部30、シミュレーション制御部50、および表示制御部60が含まれ、シミュレーション算出部30には、速度予測子算出部31、圧力長波長成分算出部(長波長成分算出部)32、圧力短波長成分算出部(短波長成分算出部)33、圧力合成部(合成部)34、速度長波長成分算出部(長波長成分算出部)35、速度短波長成分算出部(短波長成分算出部)36、速度合成部(合成部)37、および圧力境界条件算出部38が含まれている。
The
速度予測子算出部31は、x,y,z座標軸の各計算格子位置(i、j、k)について、x、y、z方向の速度予測子を算出するものである。具体的には、計算格子毎に、上述した式(18)、式(19)、および式(20)を用いて算出する。 The velocity predictor calculation unit 31 calculates velocity predictors in the x, y, and z directions for each calculation grid position (i, j, k) on the x, y, and z coordinate axes. Specifically, for each calculation grid, calculation is performed using the above-described Expression (18), Expression (19), and Expression (20).
圧力長波長成分算出部32は、x,y,z座標軸の各計算格子位置(i、j、k)について、圧力の長波長成分を算出するものである。具体的には、計算格子毎に、上述した式(38)を用いて、収束するまで繰り返し演算を行い、収束値を圧力の長波長成分の算出結果として圧力合成部34に通知する。
The pressure long wavelength
圧力短波長成分算出部33は、x,y,z座標軸の各計算格子位置(i、j、k)について、圧力の短波長成分を算出するものである。具体的には、計算格子毎に、上述した式(39)を用いて、収束するまで繰り返し演算を行い、収束値を圧力の短波長成分の算出結果として圧力合成部34に通知する。
The pressure short
圧力合成部34は、x,y,z座標軸の各計算格子位置(i、j、k)について、圧力長波長成分算出部32が算出した圧力の長波長成分と、圧力短波長成分算出部33が算出した圧力の短波長成分とを足し合わせ、合計値を当該計算格子の圧力としてシミュレーション制御部50に通知する。
The
速度長波長成分算出部35は、x,y,z座標軸の各計算格子位置(i、j、k)について、速度の長波長成分を算出するものである。具体的には、計算格子毎に、上述した式(29)、式(30)、および式(31)を用いて、x、y、z方向の速度の長波長成分を算出する。そして、算出結果のうち、x、y方向の速度の長波長成分については、当該計算格子のx,y方向の速度としてシミュレーション制御部50に通知する。また、z方向の速度の長波長成分については、速度合成部37に通知する。
The velocity long
速度短波長成分算出部36は、x,y,z座標軸の各計算格子位置(i、j、k)について、z方向の速度の短波長成分を算出するものである。具体的には、計算格子毎に、上述した式(33)を用いてz方向の速度の短波長成分を算出し、算出結果を速度合成部37に通知する。
The velocity short
速度合成部37は、x,y,z座標軸の各計算格子位置(i、j、k)について、速度長波長成分算出部35が算出したz方向の速度の長波長成分と、速度短波長成分算出部36が算出したz方向の速度の短波長成分とを足し合わせ、合計値を当該計算格子のz方向の速度としてシミュレーション制御部50に通知する。
The
圧力境界条件算出部38では、各現在時刻tについて、上記式(40)を用いて、次の時刻t+Δtのシミュレーションの計算に用いる境界条件として、現在時刻の液面位置hを算出する。さらに、上記式(41)を用いて、圧力境界条件を算出する。
For each current time t, the pressure boundary
シミュレーション制御部50は、シミュレーション算出部30を用いて、各時刻、各計算格子位置についての計算を行うことにより、流体のシミュレーションを実行し、実行結果を表示制御部60に送信する。なお、シミュレーション制御部50は、シミュレーションの実行結果を記憶部20に格納してもよい。
The
より詳細には、シミュレーション制御部50は、シミュレーション算出部30による、ある計算格子位置における圧力および速度の算出が終了すると、対象の計算格子位置を更新して、更新後の計算格子位置における圧力および速度の算出をシミュレーション算出部30に実行させる。これを、全ての計算格子位置(i、j、kの全ての組み合わせ)について計算が終了するまで、繰り返しシミュレーション算出部30に実行させる。次に、シミュレーション制御部50は、時刻を更新して、上述した、全ての計算格子位置における圧力および速度の計算をシミュレーション算出部30に実行させる。そして、シミュレーション制御部50は、以上の処理を、シミュレーション終了時刻まで時刻を更新しながら、繰り返す。
More specifically, when the
表示制御部60は、シミュレーション制御部50が実行したシミュレーション結果を表示装置3に表示させる。また、表示制御部60は、表示させる表示データを記憶部20から読み出し、表示装置3にこれを表示させる。すなわち、表示制御部60は、上述したシミュレーション装置1によるシミュレーション結果を表示装置3に表示させたり、シミュレーション装置1を操作するための操作画面データ等を記憶部20から読み出し、表示装置3に表示させる。
The
〔シミュレーション装置1における処理の流れ〕
次に、図4を参照して、シミュレーション装置1におけるシミュレーションの流れについて説明する。図4は、シミュレーション装置1におけるシミュレーションの流れを示すフローチャートである。
[Processing flow in the simulation apparatus 1]
Next, the flow of simulation in the
図4に示すように、まず、速度予測子算出部31が、上記の式(18)、式(19)、および式(20)を用いて速度予測子を算出する(S101)。 As shown in FIG. 4, first, the speed predictor calculation unit 31 calculates a speed predictor using the above equations (18), (19), and (20) (S101).
次に、圧力長波長成分算出部32が、Gauss-Seidel法に倣い、上記式(38)を用いて圧力の長波長成分p^n+1を算出する(S102、長波長成分算出ステップ)。また、これと並行して、圧力短波長成分算出部33が、上記式(39)を用いて圧力の短波長成分p’n+1を算出する(S103、短波長成分算出ステップ)。ここで、上記式(41)で得られる圧力は、上記式(38)、および式(39)の境界条件として与えられる。次に、速度長波長成分算出部35が、ステップS102で算出した圧力の長波長成分p^n+1を上記の式(29)、式(30)、および式(31)に代入して速度の長波長成分un+1、vn+1、w^n+1を算出する(S105、長波長成分算出ステップ)。また、これと並行して速度短波長成分算出部36が、ステップS103で算出した圧力の短波長成分p’n+1を、上記式(33)に代入して速度の短波長成分w’n+1を算出する(S106、短波長成分算出ステップ)。
Next, the pressure long
次に、圧力合成部34は、圧力長波長成分算出部32が算出した圧力の長波長成分p^n+1と圧力短波長成分算出部33が算出した圧力の短波長成分p’n+1とから、p^n+1+p’n+1を算出する(S104、合成ステップ)。
Next, the
また、速度合成部37は、速度長波長成分算出部35が算出した速度の長波長成分un+1、vn+1、w^n+1うち、z方向の長波長成分w^n+1と、速度短波長成分算出部36が算出したz方向の速度の短波長成分w’n+1とから、w^n+1+w’n+1を算出する(S107、合成ステップ)。
The
そして、シミュレーション制御部50は、全ての計算格子位置について、ステップS101〜S107の算出が終了したか否かを判定し(S108)、終了していなければ(S108でNO)、計算格子位置を更新して(S111)、ステップS101に戻る。
Then, the
一方、ステップS108において、全ての計算格子位置について、ステップS101〜S107の算出が終了したと判定した場合(S108でYES)、シミュレーション制御部50は、位置を初期化して(S109)、シミュレーションの終了時刻まで、計算が完了しているか否かを判定する(S110)。終了時刻まで計算が完了していない場合(S110でNO)、シミュレーション制御部50は、圧力境界条件算出部38に現在時刻における液面位置hを算出させて(S112)、時刻を更新する(S113)。そして、ステップS101に戻る。
On the other hand, when it is determined in step S108 that the calculation in steps S101 to S107 has been completed for all the calculation grid positions (YES in S108), the
一方、ステップS110において、シミュレーションの終了時刻まで、計算が完了していると判定した場合(S110でYES)、シミュレーションンの計算を終了する。 On the other hand, if it is determined in step S110 that the calculation has been completed up to the simulation end time (YES in S110), the simulation calculation ends.
なお、現在時刻とは、ステップS101〜S108、S111を実行する時刻である。そして、ステップS108で全ての位置について計算済みとなり(S108でYES)、ステップS109で位置を初期化したとき、次の時刻(シミュレーションを実行する次の時刻)に進めることになる。 The current time is the time when steps S101 to S108 and S111 are executed. Then, calculation has been completed for all positions in step S108 (YES in S108), and when the positions are initialized in step S109, the process proceeds to the next time (next time when the simulation is executed).
ここで、図4では、ステップS102とS103との演算を並列に実行するものとして説明した。すなわち、ステップS102とS103とは、ステップS101で速度予測子が算出された後は、互いに依存性のない独立して演算が可能なステップである。もちろん、ステップS102とS103とを、1ステップずつ演算することも可能であり、その場合、どのステップから実行しても構わない。 Here, in FIG. 4, it has been described that the operations of steps S102 and S103 are executed in parallel. That is, steps S102 and S103 are steps that can be independently calculated without dependency on each other after the speed predictor is calculated in step S101. Of course, steps S102 and S103 can be calculated one step at a time, and in this case, any step may be executed.
上記のように、シミュレーション装置1におけるシミュレーション方法は、長波長の方程式と短波長の方程式とを別途準備して計算するアプローチである。また、上記式(32)(すなわち、上記式(39))は、短いスケールの成分に限定して構成しているため、後述する実施例(計算事例)に示すように、収束に必要な計算回数は極端に増加しない。
As described above, the simulation method in the
ここで、シミュレーション装置1で用いる計算格子のサイズは、鉛直方向のスケール(Δz)が、水平方向のスケール(Δx=Δy)と比較して、1/2より小さいものとする。ただし、鉛直方向のスケール(Δz)が、水平方向のスケール(Δx=Δy)と同程度であっても、シミュレーションを実行することは可能である。なお、格子サイズ比と効果との関係については、後述する。
Here, the size of the calculation grid used in the
なお、シミュレーション装置1は、Δx≒Δy>>Δzであることを前提とするので、uおよびvの対流項の計算に、三次精度CIP(Constrained Interpolation Profile Scheme)法を適用して、空間分解能の向上を図ることができる。また、wの対流項の計算に、一次精度風上差分法を適用して、安定性をさらに向上させることができる。さらに、計算ステップの中で計算負荷が最も高いポアソン方程式はRed−Black SOR法を用いた並列計算によって高速化することができる。
Since the
〔実施例〕
次に、図5〜10を参照して、前述した方法で実施したシミュレーションの結果を説明する。
〔Example〕
Next, with reference to FIGS. 5 to 10, the results of the simulation performed by the above-described method will be described.
〔計算格子のアスペクト比の影響〕
まず、図5〜7を参照して、本実施形態に係る方法で、計算格子のアスペクト比を変更しても、発散させることなく計算結果を得られ、安定性を保持できることを実証する。図5は、計算対象とした矩形三次元領域を示す図である。また、図6は、計算条件を示す図である。また、図7は、計算結果を示す図である。
[Influence of aspect ratio of calculation grid]
First, with reference to FIGS. 5 to 7, it will be demonstrated that, even if the aspect ratio of the calculation grid is changed, the calculation result can be obtained without divergence and the stability can be maintained by the method according to the present embodiment. FIG. 5 is a diagram showing a rectangular three-dimensional area as a calculation target. FIG. 6 is a diagram showing calculation conditions. Moreover, FIG. 7 is a figure which shows a calculation result.
ここでは、前述したように、図5に示す矩形三次元領域を計算対象とした。図5に示す矩形三次元領域は、Lx=Ly=20m、Lz=5mであり、計算領域のアスペクト比(Lx/Lz)は4となっている。水平方向の計算格子サイズはΔx=Δy=1mとしている。流れが三次元運動を起こすように、入口境界および出口境界(いずれも2m×2.5mの面)を対向する面の対角に位置するように配置し、それ以外はすべり壁としている。入口境界および出口境界は、yz面と同じ法線を持ち、速度uを、u=1.0m/sで与えた。 Here, as described above, the rectangular three-dimensional region shown in FIG. The rectangular three-dimensional area shown in FIG. 5 has L x = L y = 20 m and L z = 5 m, and the aspect ratio (L x / L z ) of the calculation area is 4. The calculation grid size in the horizontal direction is set to Δx = Δy = 1 m. The inlet boundary and the outlet boundary (both surfaces of 2 m × 2.5 m) are arranged so as to be diagonally opposite to each other so that the flow causes a three-dimensional motion, and the rest is a slip wall. The inlet and outlet boundaries had the same normal as the yz plane and the velocity u was given by u = 1.0 m / s.
この設定によって,入口境界では、x方向のみに運動量を持つことになるが、圧力を介してy方向およびz方向にも運動量が伝えられる。 With this setting, the entrance boundary has momentum only in the x direction, but the momentum is also transmitted to the y direction and the z direction via pressure.
初期条件として、全方向速度を0m/sとした。また、時間刻み幅Δtは0.1秒とし、滞留時間に相当する400秒後までの過渡計算を実施した。また、鉛直方向の計算格子サイズΔzは、図6に示すように、1m、0.1m、0.01mの3種類に変えて、速度場に及ぼす影響を比較した。 As an initial condition, the omnidirectional speed was set to 0 m / s. In addition, the time interval Δt was set to 0.1 second, and transient calculation was performed up to 400 seconds corresponding to the residence time. Further, as shown in FIG. 6, the vertical calculation lattice size Δz was changed to three types of 1 m, 0.1 m, and 0.01 m, and the influence on the velocity field was compared.
計算結果を図7に示す。図7の(a)は、実行ナンバー1の結果を示し、(b)は、実行ナンバー2の結果を示し、(c)は、実行ナンバー3の結果を示す。また、図7では、計算開始から400秒後の、z=2.5mの位置におけるxy断面上の速度場を示している。図7を参照すると、全ての実行結果において、壁面付近で圧力を介して速度の向きが変化している傾向が一致していることが分かる。また、パーソナルコンピュータ(CPU:Intel Xeon 3.4Ghz,Memory:32GB)を用いて計算に要した時間は、最も負荷の高い実行ナンバー3で約70時間であった。なお、従来(小林敏雄[ほか]編「数値流体力学ハンドブック」丸善、2003年3月、pp.19−65に記載の方法)の計算手法を用いた場合、実行ナンバー1以外は、時間ステップ100以下で発散し、計算結果を得ることができなかった。
The calculation results are shown in FIG. (A) of FIG. 7 shows the result of
〔海洋に用いた場合の計算例〕
次に、図8〜10を参照して、本実施形態を海洋に用いた場合の計算例を説明する。図8は、海洋に用いた場合の計算例を説明するための図であり、瀬戸内海の深さ情報を示す図である。図9は、海洋に用いた場合の計算例を説明するための図であり、瀬戸内海の潮流の時間と速度との関係を示す図である。図10は、海洋に用いた場合の計算例の結果を示す図である。
[Calculation example when used in the ocean]
Next, a calculation example when the present embodiment is used in the ocean will be described with reference to FIGS. FIG. 8 is a diagram for explaining a calculation example when used in the ocean, and is a diagram illustrating depth information of the Seto Inland Sea. FIG. 9 is a diagram for explaining a calculation example when used in the ocean, and is a diagram showing a relationship between the tidal current time and speed in the Seto Inland Sea. FIG. 10 is a diagram illustrating a result of a calculation example when used in the ocean.
本計算例では、海洋の事例として瀬戸内海の潮流計算をおこなった。図8に示す、香川県、愛媛県、広島県に接する瀬戸内海を計算対象とした。海底形状は、海上保安庁日本海洋データセンターの水深データから入力した。 In this calculation example, the tidal current of the Seto Inland Sea was calculated as an example of the ocean. The Seto Inland Sea that touches Kagawa Prefecture, Ehime Prefecture, and Hiroshima Prefecture shown in FIG. The seafloor shape was input from the water depth data of the Japan Marine Data Center of the Japan Coast Guard.
計算格子はΔx=Δy=500m、Δz=5mのサイズであり、総格子数は、255000である。瀬戸内海の東端を入口境界、西端を出口境界として設定した。境界条件である入口流速として、図9に示す観測期間(1992年6月2日4:00〜1992年6月17日3:00)のデータを基に求めた時間平均値4.97m/sを与えた。 The calculation grid has a size of Δx = Δy = 500 m and Δz = 5 m, and the total number of grids is 255000. The eastern end of the Seto Inland Sea was set as the entrance boundary and the west end as the exit boundary. Time average value 4.97m / s calculated based on the observation period (June 2, 1992 4:00 to June 17, 3:00 3:00) data shown in Fig. 9 as the inlet flow velocity which is a boundary condition. Gave.
計算結果を図10に示す。図8に示したように、計算対象となる領域は、多島を含み水深が50m以下の領域が多いにもかかわらず、図10に示すように、本実施形態では、この領域の複雑な潮流を適切に計算できていることが分かる。 The calculation results are shown in FIG. As shown in FIG. 8, the calculation target area includes many islands including the archipelago and has a water depth of 50 m or less. However, in this embodiment, as shown in FIG. It can be seen that can be calculated appropriately.
〔まとめ〕
以上のように、本実施形態では、鉛直方向に対し準動的な運動方程式を導出し、Projection法に適用するために離散化している。さらに、自由表面を境界条件に組み込んで計算方法を拡張している。これにより、Δx≒Δy>>Δzの計算格子を用いた計算を行った結果、以下の結論を得ている。
(1)格子サイズのアスペクト比が1から離れた場合の計算であっても、本実施形態では、計算可能となった。
(2)例えば瀬戸内海のような、多島を含み、水深が数mの領域を多く含んだ海域を対象としても、本実施形態では、複雑な潮流を計算できた。
(3)格子サイズ比と本実施形態の効果との関係を具体的に示せば以下の通りである。格子サイズ比(Δx/Δz)が「100以上」の場合、従来の方法では、演算が収束しない可能性があるが、本実施形態では上述したように、適切に演算を実行し、シミュレーションを行うことができる。なお、多くの海洋計算や静水圧近似の計算では格子サイズ比(Δx/Δz)が100以上となる可能性が高いため、本実施形態による方法が有利となる。
[Summary]
As described above, in this embodiment, a quasi-dynamic equation of motion with respect to the vertical direction is derived and discretized for application to the Projection method. Furthermore, the calculation method is expanded by incorporating the free surface into the boundary condition. As a result of the calculation using the calculation grid of Δx≈Δy >> Δz, the following conclusion is obtained.
(1) Even when the aspect ratio of the lattice size is away from 1, calculation is possible in this embodiment.
(2) For example, a complex tidal current can be calculated in the present embodiment even in a sea area including many islands including several islands including the archipelago such as the Seto Inland Sea.
(3) The relationship between the lattice size ratio and the effect of the present embodiment is specifically shown as follows. When the lattice size ratio (Δx / Δz) is “100 or more”, there is a possibility that the calculation does not converge with the conventional method, but in the present embodiment, the calculation is appropriately executed and the simulation is performed as described above. be able to. Note that the method according to the present embodiment is advantageous because the lattice size ratio (Δx / Δz) is likely to be 100 or more in many ocean calculations and calculations with hydrostatic approximation.
なお、本実施形態は本発明の範囲を限定するものではなく、本発明の範囲内で種々の変更が可能であり、例えば、以下のように構成することができる。 In addition, this embodiment does not limit the scope of the present invention, and various modifications are possible within the scope of the present invention. For example, the present embodiment can be configured as follows.
本発明に係る計算方法は、三次元空間を運動する非圧縮性流体あるいは擬圧縮性のニュートン流体の計算方法であって、必要となる分解能になるように空間領域を分割した場合に、その三次元領域のうち少なくとも一つの座標スケールが、他の座標スケールの2倍以上、望ましくは10の2乗倍より大きい要素を対象とし、その運動方程式が偏微分方程式の楕円性を持つ場合において、該偏微分方程式を各座標スケールに応じた方程式に分解し、さらに直交分解することで圧力について得られた方程式を複数個用いることで、発散させることなく分解したスケールごとに計算できる方法であってもよい。なお,擬圧縮性のニュートン流体とは、流体の密度が圧力以外の物理因子によって変化できる流体を指し、例えば温度や化学種濃度には依存して密度を変えられる。 A calculation method according to the present invention is a calculation method for an incompressible fluid or a pseudo-compressible Newtonian fluid that moves in a three-dimensional space, and when the spatial region is divided so as to have a required resolution, the cubic is obtained. In the case where at least one coordinate scale of the original region is intended for an element that is more than twice the other coordinate scale, preferably larger than 10 squared, and the equation of motion has ellipticity of a partial differential equation, Even if the partial differential equation is decomposed into equations corresponding to each coordinate scale, and by using multiple equations obtained for pressure by further orthogonal decomposition, it is possible to calculate for each decomposed scale without causing divergence Good. The pseudo-compressible Newtonian fluid refers to a fluid whose fluid density can be changed by physical factors other than pressure. For example, the density can be changed depending on temperature and chemical species concentration.
さらに、本発明に係る計算方法は、液面などあらわすための圧力に関する境界条件を有した状態で安定な水象を計算する方法であってもよい。 Furthermore, the calculation method according to the present invention may be a method of calculating a stable hydrology in a state having boundary conditions relating to a pressure such as a liquid level.
本実施形態では、Δx≒Δy>>Δzの場合について説明した。しかし、本発明は、少なくとも1つの座標スケールが他の座標スケールの少なくとも1つの2倍以上であればよく、例えば、Δx>>Δy≒Δz、Δx<<Δy≒Δz、Δx>>Δy>>Δzのケース等にも適用することが可能である。すなわち、座標方向に分解する格子のスケールが異なる場合、各スケールに応じて方程式を分解すれば、水系環境における数値シミュレーションの演算を発散させることなく高精度に実行でき、安定性を向上させた計算が可能になる。 In the present embodiment, the case where Δx≈Δy >> Δz has been described. However, the present invention only requires that at least one coordinate scale is at least twice as large as at least one other coordinate scale. For example, Δx >> Δy≈Δz, Δx << Δy≈Δz, Δx >> Δy >> It can also be applied to the case of Δz. In other words, if the scale of the grid to be decomposed in the coordinate direction is different, if the equation is decomposed according to each scale, the calculation of the numerical simulation in the water environment can be executed with high accuracy without diverging, and the calculation with improved stability Is possible.
また本発明は、極座標等の直交系でも適用可能である。さらに、例えばBFC(Boundary Fitted Coordinate)法等の座標変換を施す方法に適用することで、非ユークリッド座標系(小林敏雄[ほか]編「数値流体力学ハンドブック」丸善、2003年3月、pp.19−65等を参照)にも適用できる。 The present invention is also applicable to orthogonal systems such as polar coordinates. Furthermore, by applying to coordinate transformation methods such as the BFC (Boundary Fitted Coordinate) method, the non-Euclidean coordinate system (Toshio Kobayashi [etc.] “Computational Fluid Dynamics Handbook” Maruzen, March 2003, pp.19 (See -65 etc.).
〔ソフトウェアによる実現例〕
シミュレーション装置1の制御ブロック(特に、シミュレーション算出部30、シミュレーション制御部50、および表示制御部60)は、集積回路(ICチップ)等に形成された論理回路(ハードウェア)によって実現してもよいし、CPU(Central Processing Unit)を用いてソフトウェアによって実現してもよい。
[Example of software implementation]
The control blocks (in particular, the
後者の場合、シミュレーション装置1は、各機能を実現するソフトウェアであるプログラムの命令を実行するCPU、上記プログラムおよび各種データがコンピュータ(またはCPU)で読み取り可能に記録されたROM(Read Only Memory)または記憶装置(これらを「記録媒体」と称する)、上記プログラムを展開するRAM(Random Access Memory)などを備えている。そして、コンピュータ(またはCPU)が上記プログラムを上記記録媒体から読み取って実行することにより、本発明の目的が達成される。上記記録媒体としては、「一時的でない有形の媒体」、例えば、テープ、ディスク、カード、半導体メモリ、プログラマブルな論理回路などを用いることができる。また、上記プログラムは、該プログラムを伝送可能な任意の伝送媒体(通信ネットワークや放送波等)を介して上記コンピュータに供給されてもよい。なお、本発明は、上記プログラムが電子的な伝送によって具現化された、搬送波に埋め込まれたデータ信号の形態でも実現され得る。
In the latter case, the
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible within the scope shown in the claims, and embodiments obtained by appropriately combining technical means disclosed in different embodiments. Is also included in the technical scope of the present invention. Furthermore, a new technical feature can be formed by combining the technical means disclosed in each embodiment.
1 シミュレーション装置
2 入力装置
3 表示装置
10 制御部
20 記憶部
30 シミュレーション算出部
31 速度予測子算出部
32 圧力長波長成分算出部(長波長成分算出部)
33 圧力短波長成分算出部(短波長成分算出部)
34 圧力合成部(合成部)
35 速度長波長成分算出部(長波長成分算出部)
36 速度短波長成分算出部(短波長成分算出部)
37 速度合成部(合成部)
38 圧力境界条件算出部
50 シミュレーション制御部
60 表示制御部
DESCRIPTION OF
33 Pressure short wavelength component calculation unit (short wavelength component calculation unit)
34 Pressure synthesis unit (synthesis unit)
35 Velocity Long Wavelength Component Calculation Unit (Long Wavelength Component Calculation Unit)
36 Speed short wavelength component calculation unit (short wavelength component calculation unit)
37 Speed synthesis unit (synthesis unit)
38 Pressure boundary
Claims (5)
三次元空間に設定した計算格子の少なくとも1つの座標スケールが他の座標スケールの少なくとも1つの2倍以上であり、基礎式から導出した偏微分方程式を各座標スケールに対応して分解し、さらに直交分解した方程式を用いるものであり、
上記少なくとも1つの座標スケールに対応した方程式を用いて、圧力および三方向成分の速度を算出する長波長成分算出部と、
上記他の座標スケールに対応した方程式を用いて、圧力および上記他の座標スケールに相当する方向成分の速度を算出する短波長成分算出部と、
上記長波長成分算出部、および上記短波長成分算出部の算出結果を足し合わせる合成部と、を備えることを特徴とするシミュレーション装置。 A simulation device for incompressible fluid or pseudo-compressible Newtonian fluid moving in three-dimensional space,
At least one coordinate scale of the calculation grid set in the three-dimensional space is at least twice that of the other coordinate scale, and the partial differential equation derived from the basic equation is decomposed corresponding to each coordinate scale, and further orthogonal Using the decomposed equations,
A long wavelength component calculator that calculates the pressure and velocity of the three-way component using an equation corresponding to the at least one coordinate scale;
Using an equation corresponding to the other coordinate scale, a short wavelength component calculation unit that calculates the pressure and the velocity of the direction component corresponding to the other coordinate scale,
A simulation apparatus comprising: the long wavelength component calculation unit; and a synthesis unit that adds the calculation results of the short wavelength component calculation unit.
三次元空間に設定した計算格子の少なくとも1つの座標スケールが他の座標スケールの少なくとも1つの2倍以上であり、基礎式から導出した偏微分方程式を各座標スケールに対応して分解し、さらに直交分解した方程式を用いるものであり、
上記少なくとも1つの座標スケールに対応した方程式を用いて、圧力および三方向成分の速度を算出する長波長成分算出ステップと、
上記他の座標スケールに対応した方程式を用いて、圧力および上記他の座標スケールに相当する方向成分の速度を算出する短波長成分算出ステップと、
上記長波長成分算出ステップ、および上記短波長成分算出ステップにおける算出結果を足し合わせる合成ステップと、を含むことを特徴とするシミュレーション装置の制御方法。 A control method of a simulation device for an incompressible fluid or a pseudo-compressible Newtonian fluid moving in a three-dimensional space,
At least one coordinate scale of the calculation grid set in the three-dimensional space is at least twice that of the other coordinate scale, and the partial differential equation derived from the basic equation is decomposed corresponding to each coordinate scale, and further orthogonal Using the decomposed equations,
A long wavelength component calculating step of calculating a pressure and a velocity of a three-way component using an equation corresponding to the at least one coordinate scale;
A short wavelength component calculating step for calculating a pressure and a velocity of a direction component corresponding to the other coordinate scale using an equation corresponding to the other coordinate scale;
A simulation apparatus control method comprising: the long wavelength component calculation step; and a synthesis step of adding the calculation results in the short wavelength component calculation step.
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