LSMPS法における壁境界条件の改良
本研究では非圧縮性流れ解析のための粒子法であるLSMPS法において新しい壁境界の取り扱い方法の開発を行った．従来の壁境界の取り扱いでは，壁面上に補助的な計算点 (壁粒子) を配置し，壁粒子にも流体粒子同様に速度と圧力の変数を定義することによって壁境界条件を課していた．しかしながら，壁粒子の速度と圧力を変数として取り扱うことによる計算の非効率化や数値不安定性等の課題があった．本研究で提案する手法では，壁粒子の速度と圧力を変数として定義せず，与えられる壁境界条件そのものを用いて空間離散化スキームを定式化する．また，壁粒子を動的に配置するコピー粒子の方法を用いることで，壁粒子配置を陽的に決定する必要...
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| Published in | 日本計算工学会論文集 Vol. 2019; p. 20190012 |
|---|---|
| Main Authors | , , |
| Format | Journal Article |
| Language | Japanese |
| Published |
一般社団法人 日本計算工学会
18.07.2019
|
| Subjects | |
| Online Access | Get full text |
| ISSN | 1347-8826 |
| DOI | 10.11421/jsces.2019.20190012 |
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| Abstract | 本研究では非圧縮性流れ解析のための粒子法であるLSMPS法において新しい壁境界の取り扱い方法の開発を行った．従来の壁境界の取り扱いでは，壁面上に補助的な計算点 (壁粒子) を配置し，壁粒子にも流体粒子同様に速度と圧力の変数を定義することによって壁境界条件を課していた．しかしながら，壁粒子の速度と圧力を変数として取り扱うことによる計算の非効率化や数値不安定性等の課題があった．本研究で提案する手法では，壁粒子の速度と圧力を変数として定義せず，与えられる壁境界条件そのものを用いて空間離散化スキームを定式化する．また，壁粒子を動的に配置するコピー粒子の方法を用いることで，壁粒子配置を陽的に決定する必要がなく，複雑な形状や動的な変形を含む壁面に対しても簡便に適用することができる利点をもつ．検証問題として，二次元平行平板間流れ，三次元正方形管内流れ，二次元剛体回転問題，二次元正方キャビティ流れの数値解析を実施した．その結果，これら全ての問題において提案手法を用いて得られた数値解が理論解等の参照解と極めて良く一致することが確認され，提案手法の妥当性が示された． |
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| AbstractList | 本研究では非圧縮性流れ解析のための粒子法であるLSMPS法において新しい壁境界の取り扱い方法の開発を行った．従来の壁境界の取り扱いでは，壁面上に補助的な計算点 (壁粒子) を配置し，壁粒子にも流体粒子同様に速度と圧力の変数を定義することによって壁境界条件を課していた．しかしながら，壁粒子の速度と圧力を変数として取り扱うことによる計算の非効率化や数値不安定性等の課題があった．本研究で提案する手法では，壁粒子の速度と圧力を変数として定義せず，与えられる壁境界条件そのものを用いて空間離散化スキームを定式化する．また，壁粒子を動的に配置するコピー粒子の方法を用いることで，壁粒子配置を陽的に決定する必要がなく，複雑な形状や動的な変形を含む壁面に対しても簡便に適用することができる利点をもつ．検証問題として，二次元平行平板間流れ，三次元正方形管内流れ，二次元剛体回転問題，二次元正方キャビティ流れの数値解析を実施した．その結果，これら全ての問題において提案手法を用いて得られた数値解が理論解等の参照解と極めて良く一致することが確認され，提案手法の妥当性が示された． |
| Author | 松永, 拓也 柴田, 和也 越塚, 誠一 |
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| ContentType | Journal Article |
| Copyright | 2019 The Japan Society For Computational Engineering and Science |
| Copyright_xml | – notice: 2019 The Japan Society For Computational Engineering and Science |
| DOI | 10.11421/jsces.2019.20190012 |
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| Discipline | Applied Sciences |
| EISSN | 1347-8826 |
| EndPage | 20190012 |
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| PublicationCentury | 2000 |
| PublicationDate | 2019/07/18 |
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| PublicationDecade | 2010 |
| PublicationTitle | 日本計算工学会論文集 |
| PublicationYear | 2019 |
| Publisher | 一般社団法人 日本計算工学会 |
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| References | (9) 鈴木幸人, 粒子法の高精度化とマルチフィジクスシミュレータに関する研究, 博士論文, 東京大学, 2007. (17) Guermond, J.L., Minev, P., and Shen, J., An overview of projection methods for incompressible flows, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 195, 2006, pp. 6011-6045. (22) Kundu, B., Simlandi, S., and Das, P.K., Analytical techniques for analysis of fully developed laminar flow through rectangular channels, Heat and Mass Transfer, 47, 2011, pp. 1289-1299. (13) Tamai, T. and Koshizuka, S., Least squares moving particle semi-implicit method, Computational Particle Mechanics, 1, 2014, pp. 277-305. (12) Khayyer, A., Gotoh, H., Shimizu, Y., and Gotoh, K., On enhancement of energy conservation properties of projection-based particle methods, European Journal of Mechanics B/Fluids, 66, 2017, pp. 20-37. (19) Seibold, B., Minimal positive stencils in meshfree finite difference methods for the Poisson equation, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 198, 2008, pp. 592-601. (21) Morris, J.P., Fox, P.J., and Zhu, Y., Modeling low Reynolds number incompressible flows using SPH, Journal of Computational Physics, 136, 1997, pp. 214-226. (23) 松永拓也, 柴田和也, 越塚誠一, MPS 法における境界積分を用いたポリゴン壁境界表現, 日本機械学会論文集, 84, 2018, p. 18-00197. (14) Tanaka, M., Cardoso, R., and Bahai, H., Multiresolution MPS method, Journal of Computational Physics, 359, 2018, pp. 106-136. (15) Xu, R., Stansby, P., and Laurence, D., Accuracy and stability in incompressible SPH (ISPH) based on the projection method and a new approach, Journal of Computational Physics, 228, 2009, pp. 6703-6725. (7) Khayyer, A., Gotoh, H., Falahaty, H., and Shimizu, Y., An enhanced ISPH-SPH coupled method for simulation of incompressible fluid-elastic structure interactions, Computer Physics Communications, 232, 2018, pp. 139-164. (16) Bochev, P. and Lehoucq, R.B., On the finite element solution of the pure Neumann problem, SIAM Review, 47, 2005, pp. 50-66. (20) 室谷浩平, 玉井佑, 越塚誠一, 流体シミュレーションにおける粒子法: MPS 法と LSMPS 法の数値解析精度の比較, 応用数理, 26, 2016, pp. 2-13. (10) Oger, G., Doring, M., Alessandrini, B., and Ferrant, P., An improved SPH method: Towards higher order convergence, Journal of Computational Physics, 225, 2007, pp. 1472-1492. (1) Monaghan, J.J., Smoothed particle hydrodynamics, Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 30, 1992, pp. 543-574. (18) Matsunaga, T., Yuhashi, N., Shibata, K., and Koshizuka, S., A wall boundary treatment using analytical volume integrations in a particle method, Journal of Computational Physics, under review, 2019. (8) 玉井佑, 柴田和也, 越塚誠一, Taylor 展開を用いた高次精度 MPS 法の開発, 日本計算工学会論文集, 2013, Paper No.20130003. (3) Colagrossi, A. and Landrini, M., Numerical simulation of interfacial flows by smoothed particle hydrodynamics, Journal of Computational Physics, 191, 2003, 448-475. (2) Koshizuka, S. and Oka, Y., Moving-particle semi-implicit method for fragmentation of incompressible fluid, Nuclear Science and Engineering, 123, 1996, pp. 421-434. (24) Ghia, U., Ghia, K.N., and Shin, C.T., High-Re solutions for incompressible ow using the Navier-Stokes equations and a multigrid method, Journal of Computational Physics, 48, 1982, p. 387-411. (11) Khayyer, A. and Gotoh, H., Enhancement of stability and accuracy of the moving particle semi-implicit method, Journal of Computational Physics, 230, 2011, pp. 3093-3118. (6) 松永拓也, 越塚誠一, 粒子法による撹拌槽解析と気泡モデルを用いた脱揮プロセスシミュレーション, 混相流, 32, 2018, pp. 408-415. (5) Shao, J.R., Li, H.Q., Liu, G.R., Liu, M.B., An improved SPH method for modeling liquid sloshing dynamics, Computers & Structures, 100, 2012, pp. 18-26. (4) Murotani, K., Koshizuka, S., Tamai, T., Shibata, K., Mitsume, N., Yoshimura, S., Tanaka, S., Hasegawa, K., Nagai, E., and Fujisawa, T., Development of hierarchical domain decomposition explicit MPS method and application to large-scale tsunami analysis with floating objects, Journal of Advanced Simulation in Science and Engineering, 1, 2014, pp. 16-35. |
| References_xml | – reference: (6) 松永拓也, 越塚誠一, 粒子法による撹拌槽解析と気泡モデルを用いた脱揮プロセスシミュレーション, 混相流, 32, 2018, pp. 408-415. – reference: (16) Bochev, P. and Lehoucq, R.B., On the finite element solution of the pure Neumann problem, SIAM Review, 47, 2005, pp. 50-66. – reference: (13) Tamai, T. and Koshizuka, S., Least squares moving particle semi-implicit method, Computational Particle Mechanics, 1, 2014, pp. 277-305. – reference: (15) Xu, R., Stansby, P., and Laurence, D., Accuracy and stability in incompressible SPH (ISPH) based on the projection method and a new approach, Journal of Computational Physics, 228, 2009, pp. 6703-6725. – reference: (2) Koshizuka, S. and Oka, Y., Moving-particle semi-implicit method for fragmentation of incompressible fluid, Nuclear Science and Engineering, 123, 1996, pp. 421-434. – reference: (12) Khayyer, A., Gotoh, H., Shimizu, Y., and Gotoh, K., On enhancement of energy conservation properties of projection-based particle methods, European Journal of Mechanics B/Fluids, 66, 2017, pp. 20-37. – reference: (19) Seibold, B., Minimal positive stencils in meshfree finite difference methods for the Poisson equation, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 198, 2008, pp. 592-601. – reference: (8) 玉井佑, 柴田和也, 越塚誠一, Taylor 展開を用いた高次精度 MPS 法の開発, 日本計算工学会論文集, 2013, Paper No.20130003. – reference: (9) 鈴木幸人, 粒子法の高精度化とマルチフィジクスシミュレータに関する研究, 博士論文, 東京大学, 2007. – reference: (11) Khayyer, A. and Gotoh, H., Enhancement of stability and accuracy of the moving particle semi-implicit method, Journal of Computational Physics, 230, 2011, pp. 3093-3118. – reference: (14) Tanaka, M., Cardoso, R., and Bahai, H., Multiresolution MPS method, Journal of Computational Physics, 359, 2018, pp. 106-136. – reference: (5) Shao, J.R., Li, H.Q., Liu, G.R., Liu, M.B., An improved SPH method for modeling liquid sloshing dynamics, Computers & Structures, 100, 2012, pp. 18-26. – reference: (20) 室谷浩平, 玉井佑, 越塚誠一, 流体シミュレーションにおける粒子法: MPS 法と LSMPS 法の数値解析精度の比較, 応用数理, 26, 2016, pp. 2-13. – reference: (22) Kundu, B., Simlandi, S., and Das, P.K., Analytical techniques for analysis of fully developed laminar flow through rectangular channels, Heat and Mass Transfer, 47, 2011, pp. 1289-1299. – reference: (18) Matsunaga, T., Yuhashi, N., Shibata, K., and Koshizuka, S., A wall boundary treatment using analytical volume integrations in a particle method, Journal of Computational Physics, under review, 2019. – reference: (10) Oger, G., Doring, M., Alessandrini, B., and Ferrant, P., An improved SPH method: Towards higher order convergence, Journal of Computational Physics, 225, 2007, pp. 1472-1492. – reference: (17) Guermond, J.L., Minev, P., and Shen, J., An overview of projection methods for incompressible flows, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 195, 2006, pp. 6011-6045. – reference: (1) Monaghan, J.J., Smoothed particle hydrodynamics, Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 30, 1992, pp. 543-574. – reference: (4) Murotani, K., Koshizuka, S., Tamai, T., Shibata, K., Mitsume, N., Yoshimura, S., Tanaka, S., Hasegawa, K., Nagai, E., and Fujisawa, T., Development of hierarchical domain decomposition explicit MPS method and application to large-scale tsunami analysis with floating objects, Journal of Advanced Simulation in Science and Engineering, 1, 2014, pp. 16-35. – reference: (7) Khayyer, A., Gotoh, H., Falahaty, H., and Shimizu, Y., An enhanced ISPH-SPH coupled method for simulation of incompressible fluid-elastic structure interactions, Computer Physics Communications, 232, 2018, pp. 139-164. – reference: (21) Morris, J.P., Fox, P.J., and Zhu, Y., Modeling low Reynolds number incompressible flows using SPH, Journal of Computational Physics, 136, 1997, pp. 214-226. – reference: (23) 松永拓也, 柴田和也, 越塚誠一, MPS 法における境界積分を用いたポリゴン壁境界表現, 日本機械学会論文集, 84, 2018, p. 18-00197. – reference: (24) Ghia, U., Ghia, K.N., and Shin, C.T., High-Re solutions for incompressible ow using the Navier-Stokes equations and a multigrid method, Journal of Computational Physics, 48, 1982, p. 387-411. – reference: (3) Colagrossi, A. and Landrini, M., Numerical simulation of interfacial flows by smoothed particle hydrodynamics, Journal of Computational Physics, 191, 2003, 448-475. |
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| SourceID | jstage |
| SourceType | Publisher |
| StartPage | 20190012 |
| SubjectTerms | Computational fluid dynamics Least squares approach LSMPS method Meshfree discretization scheme Particle method Wall boundary condition |
| Title | LSMPS法における壁境界条件の改良 |
| URI | https://www.jstage.jst.go.jp/article/jsces/2019/0/2019_20190012/_article/-char/ja |
| Volume | 2019 |
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| ispartofPNX | 日本計算工学会論文集, 2019/07/18, Vol.2019, pp.20190012-20190012 |
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