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1 CFD の基礎 九州大学応用力学研究所 内田孝紀

2 非定常 非線形風況 拡散シミュレータ RIAM-COMPACT Research Institute for Applied Mechanics, Kyushu University, COMputational Prediction of Airflow over Complex Terrain 数 ( 十 )km 以下の局所域局所域スケールに的を絞り, 時々刻々と変化する, 風に対する地形や建物の効果を高精度に予測するする九州大学応用力学研究所数値モデル (CFD モデル ) 最大の特徴 非定常に変化する風況特性をアニメーションとして視覚化できる

3 風洞実験の代替ツールとしての CFD ー CFD(Computational Fluid Dynamics) ー 風洞実験 模型製作を含めて高価である 膨大な時間を要する 市街地 風洞実験を補完する数値シミュレーション (CFD) 風洞実験を先導する数値シミュレーション (CFD) 風洞実験に代わる数値シミュレーション (CFD) 実地形 数値シミュレーション (CFD) による実験 ( 数値実験 ) 風工学の分野 : CWE(Computational Wind Engineering) CFD 技術 ( ソフト ) コンピュータ ( ハード ) 急速な進展 風洞実験の様子

4 風洞実験から数値実験 ( 数値シミュレーション ) へ ー数値風洞 NWT(Numerical Wind Tunnel) の確立ー

5 CAE: コンピュータによる設計製造支援 CAE(Computer Aided Engineering)... コンピューター上で仮想的にモノを作り, 様々な条件下での仮想実験を行うシミュレーション技術のこと. 仮想実験を繰り返すことで, 試作品製作や実物モデルでの実験回数を減らすことができ, モノ作りの開発期間短縮, コスト削減に大きく貢献しているる. 自動車メーカは運輸省の衝突安全基準に基づいて, コンピュータ システムをフル活用した衝突シミュレーションや実車衝突実験を行い, 衝突安全性の向上を目指しているる. 実車試験 オフセット衝突実験コンピュータシミュレーションオフセット衝突実験とは 実際の衝突事故では, ドライバーは衝突を避けようとするため, 障害物に対して全面ではなく部分的に衝突することが多くなる. そうした状況を想定したのがオフセット衝突実験.

6 流体力学 (Fluid Dynamics) の分類 数値流体力学 (Computational Fluid Dynamics) コンピュータを用いて流れを解明しようとする方法 実験流体力学 (Experimental Fluid Dynamics) 風洞実験や水槽実験などの室内実験において流れの速度や圧力を計測し, 流れを解明しようとする方法 理論流体力学 (Theoretical Fluid Dynamics) 数学的 解析的に流れを解明しようとする方法 レオナルド ダヴィンチによる渦のスケッチ 済州島の下流に形成されたカルマン渦

7 CFD における計算手法の分類 ( 有限 ) 差分法 FDM (Finite Difference Method) 対象とする領域を格子 ( セル, メッシュ ) に分割し, 支配方程式を離散化し, 格子点上の値を未知数とする連立代数方程式を解くことで解を求める方法. 使用できる格子は構造格子のみで, プログラミング化が容易であること, 高次 (4 次,5 次 ) の差分スキームが使用できること, ベクトル化が容易であるという利点がある. その反面, 複雑な形状に対しては非構造格子が使用できないため, 適用が困難という欠点がある. RIAM-COMPACT で採用している計算手法 有限体積法 FVM (Finite Volume Method) 対象とする領域を格子 ( セル, メッシュ ) に分割し, 個々の格子において支配方程式を積分して全領域において保存則を満たす離散化式を導く手法. 使用できる格子は構造, 非構造格子で, 高次 (4 次,5 次 ) の差分スキームの使用は困難であるという欠点がある. しかし, 複雑形状に対して適用が可能であるという利点があり, 現在の流体解析では主流となっている方法である. 商用コードの FLUENT や STAR-CD でもこの有限体積法が使用されている. 有限要素法 FEM (Finite Eelement Method) 構造力学などの分野において, 構造物の変形や応力解析にも広く用いられている. 解析対象物や対象とする流体領域を, 三角形や四角形, 六角形などの細かい 要素 に分割して全体の挙動を求める手法.

8 差分法 (FDM) の考え方 1 微分方程式 ( 支配方程式 ) 2 dt 0 2 dx 100 ( 境界条件 ) 2 差分方程式 Ti 1 2Ti Ti x T 2T T 0 i 1 i i 1 3 連立代数方程式 T T T T T T 6 0 T 1 連続体 離散化 T 2 T 3 T 4 T 5 T 6 0 ( 境界条件 ) 未知数 x 4 行列の解法 直接法 : ガウスの消去法 緩和法 : ヤコビ法, ガウスザイデル法 SOR 法 etc 流体解析ではこちらが一般的 5 解の取得 T 2 =80,T 3 =60,T 4 =40,T 5 =20

9 計算格子 ( グリッド, メッシュ, セル ) の種類 構造格子 (Structured grid) 整然と配置されて i,j,k 番目 などと指定可能 1) 直交直線不等間隔スタガード格子 (Orthogonal non-uniform staggered grid) 2) 一般曲線座標系コロケート格子 (Generalized curvilinear collocagted grid) 非構造格子 (Unstructured grid)

10 風の流れ ( 流体 ) の支配方程式 我々が対象にする流れ 非圧縮 粘性流体 非圧縮とは... 圧縮も膨張もせず, 密度 ( 質量 ) が変化しない. マッハ数 M<0.3 粘性とは... 実在する流体 ( 水, 空気 etc) は全て粘性の影響は無視できない. u x i i 0 連続の式 2 i i p 1 i u j j i j j u u u 時間項 t x x Re x x 対流項 ( 非線形項 ) 圧力勾配項 時間項 + 対流項 ( 非線形項 ) 粘性項 f 時間とともに波形が変化, 高周波の生成 Navier-Stokes 方程式 ( 運動方程式 ) Re:Reynolds( レイノルズ ) 数非常に重要な無次元パラメータ 時間項 + 粘性項 f 時間とともに波形が減衰 Time Time

11 レイノルズ数とは レイノルズ数 (Reynolds number) とは... 慣性力と粘性力との比で定義される無次元数. イギリスの物理学者 技術者オズボーン レイノルズ (Osborne Reynolds) が定義した. 物性値 代表速度スケール 代表長さスケール 物体が大きいほど 速いほど 粘性が小さいほど Re の値が大きくなる. 風力発電で対象にする複雑地形を過ぎる風の流れは, 高 Re 数の複雑乱流場である.

12 不規則性瞬時の運動度捉えるのは困難 乱流とは 散逸性粘性に伴う運動エネルギー散逸のため, エネルギーの供給がなければ, 乱れは完全に減衰 連続性大きな渦から小さな渦まで連続的に存在 拡散現象運動量, 物質, エネルギーの移動に大きく寄与 高レイノルズ数一般的にレイノルズ数の増加に伴い, 流れは不安定になり層流から乱流へ遷移 Navier-Stokes 方程式の対流項 ( 非線形項 ) が卓越する. 3 次元的な渦運動回転を伴う 3 次元運動する渦の集合体

13 代表的な乱流場 gallery/gallery_1998_0.html 一様等方性乱流 乱れの大きさが空間的に一様, 等方である. 実現象としては起こりにくい, 理想的な乱流場. applications/channel/index_e.html 壁面せん断乱流 固体壁に接する乱流場. 自由せん断乱流 空間的に拡散する乱流場. efluids/gallery/

14 複雑乱流場 Man made structure God made structure 鈍頭物体 : ブラフボディ (Bluff Body) 複雑乱流場

15 風の流れ ( 流体 ) の支配方程式 : Navier-Stokes( ナビエ ストークス ) 方程式 乱流 CFD の戦略 1 何のモデル化も施さず, 人工的な数値拡散成分などを一切付加しない手法 DNS (Direct Numerical Simulation) 現在の計算機環境では不可能 一般的に DNS に必要な格子点数 N は Re 9/4 Re=10 4 の場合には N=10 9,1 辺に 10 3 点が必要 計算メッシュの例

16 乱流 CFD の戦略 2 何らかのモデル化が必要! 時間平均 ( アンサンブル平均, レイノルズ平均 ) RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes eq.) 流体力学モデル LAWEPS 工学モデル, MASCOT 気象モデル LAWEPS 気象モデル, LOCALS, MM5, RAMS, ARPS, WRF 空間平均 LES (Large Eddy Simulation) 流体力学モデル RIAM-COMPACT 時間平均を施した N-S 方程式には, 非線形であるため二重相関項であるレイノルズ応力が含まれる. これを知るためにはその輸送方程式を解かなければならない. ところが, そこには三重相関項が含まれ, 三重相関項の輸送方程式には四重相関項が含まれる, といったように方程式が閉じることはない ( クロージャー問題 ). レイノルズ応力, あるいは, レイノルズ応力の輸送方程式中の未知項のモデル化が必要. 高次相関項を低次の物理量 ( 既知量 ) でモデル化する必要がある ( 渦粘性モデルなど ). RANS のモデル化は全ての乱流成分に対して行なわれる. 流れ場の形状や境界条件に大きく依存する. LES でモデル化される SGS 成分は, 小スケールの等方的な変動である. 流れ場の形状や境界条件への依存性は RANS に比べて小さい.

17 乱流 CFD の戦略 3 DNS(Direct Numerical Simulation) 厳密な支配方程式を直接的に解く手法. 物理モデルは適用しない. 計算コストが非常に高く, 複雑形状への適用も困難なため, 現在でも基礎研究の分野での活用に留まっている. 将来的にも実用化の可能性はかなり低い. LES(Large Eddy Simulation) 空間的に平均化 ( フィルタリング ) された支配方程式を数値的に解く手法. 大きな渦は直接計算され, フィルタ幅よりも小さな渦は物理モデル (Subgrid scale モデル ) でその影響をモデル化する. DNS に比べて計算コストは低い.3 次元非定常解析が前提条件である. RANS(Reynolds Averaged Navier-Stokes eq.) アンサンブル ( 集合 ) 平均された支配方程式を解く手法. 乱れ成分 ( 乱流成分 ) は全てモデル化. 定常解析も可能なため, 産業分野で一般的に活用されている. DNS 研究の一例 直接測定できない情報を得る 瞬時の 3 次元流れ場, 渦度場, 圧力場 高次の統計量など PastFluids/ /Kaneda_abs.html

18 乱流 CFD の戦略 4 Model Dependency Grid Dependency Computer Dependency DNS LES Negligible Small Essential Large Very Large Large 急激な進展 LES はDNS とRANS の中間的な手法 RANS Large Small Small 実用計算 RANS(Reynolds Averaged Navier-Stokes eq.) ほとんどの乱れスケールをモデル化する ( 平均成分 + 乱流成分 ). LES(Large Eddy Simulation) 小スケールの等方的な乱れのみをモデル化する (GS 成分 +SGS 成分 ). DNS(Direct Numerical Simulation) 乱れのエネルギーのほとんど全てを計算する. 基礎研究

19 乱流 CFD の戦略 5 RANS 乱れの効果は乱流応力 (turbulence stress) という形で平均流れの支配方程式に現れる. この応力を何からかの形で近似することを乱流モデルと言う. LES DNS 乱流解析法の分類 ( 渦粘性型モデル ) ( レイノルズ応力輸送型モデル ) モデル化の容易さから代数近似型モデルが主流 1)SGS 応力 :GS 成分の速度勾配に比例すると仮定 2)SGS 渦粘性係数 : 解く程度に応じて分類される 0 方程式 SGS 渦粘性モデル ( 平均流れ場 (GS 成分 ) の情報だけで決定 :Smagorinsky モデル ) 1 方程式 SGS 渦粘性モデル (SGS エネルギーの輸送方程式を解き, その平方根で与える )

20 乱流 CFD の戦略 6 DNS(Direct Numerical Simulation) スペクトル法 擬似 DNS( 風上差分による数値粘性の導入 ) LES(Large Eddy Simulation) 渦粘性モデル (Smagorinsky モデル : 代数近似 (0 方程式モデル )) スケール相似則モデル (Bardina モデル ) Smagorinsky/ スケール相似則混合モデル 混合時間スケールモデル ( 渦粘性モデル ) 1 方程式 SGS 渦粘性モデル (SGS エネルギーの輸送方程式を解く ) ダイナミックプロシージャーに基づいた各種 SGS モデル RANS(Reynolds Averaged Navier-Stokes eq.) 0 方程式渦粘性モデル ( プラントルの混合距離モデル ) 1 方程式渦粘性モデル (Prandtl model,spalart-allmaras model, Baldwin-Barth model) 2 方程式渦粘性モデル (k-ε モデル,k-ω モデル,k-l モデル ) 応力方程式モデル乱流解析法の分類

21 低波数でエネルギーの供給 RANS LES 3 次元乱流のエネルギースペクトル 乱流 CFD の戦略 7 DNS 高波数へ輸送 ( 非線形効果 ) いわゆる,-5/3 乗則 熱エネルギーとして散逸 or 普遍平衡領域 波数空間での乱流解析法の分類 エネルギー保有領域 乱流が作られて, エネルギーの大部分を保有する領域. 慣性小領域 慣性力による波数間のエネルギー伝達が支配的で粘性の作用を含まない領域. エネルギーカスケードが主要な現象であり, 乱流エネルギーの生起や消失はない. 渦の分裂 合体のみ. エネルギー散逸領域 粘性摩擦により運動エネルギーが熱に変換される領域. コルモゴロフの第一仮説 小さな渦運動の統計的性質は乱流エネルギー散逸率 ε と動粘性係数 ν のみで決定される. コルモゴロフの第二仮説 慣性小領域 :-5/3 乗スペクトル

22 乱流エネルギーのスペクトル分布 E(k) 乱流 CFD の戦略 8 渦の大きさ E(k) k -5/3 局所平衡領域 ( 小さい渦は等方的 ) 慣性小領域 ( エネルギーの生成も散逸もない平衡領域, 渦の分裂 合体のみ ) エネルギー散逸領域 ( 渦の運動エネルギーが粘性摩擦で熱エネルギーに変換 ) k e k d k エネルギー生成領域 ( 平均流からエネルギーの注入 ) コルモゴロフの散逸スケールコルモゴロフの散逸スケール : : 最小の渦スケール最小の渦スケール : : 長さスケール長さスケール η=(ν η=(ν 3 /ε) 3 /ε) 1/4 1/4 : : 波数波数 k k d =1/η,ε: d =1/η,ε: 乱流エネルギー散逸率乱流エネルギー散逸率,ν:,ν: 動粘性係数動粘性係数

23 Flow L η 乱流 CFD の戦略 9 エネルギーカスケード Injection of energy Dissipation of energy L η: コルモゴロフの最小渦スケール Large-scale eddies Dissipating eddies L η=l/re 3/4 DNS Flux of energy Resolved ΔDNS LES Resolved ΔLES Modeled 七ツ釜五段の滝 ( 山梨県山梨市 ) ~taro/tabi/siryouko/taki100.html RANS Modeled

24 ソフトウエア RIAM-COMPACT の実行手順 ( フローチャート ) 前処理 国土地理院の 50m 標高数値データなど ソルバー ( 乱流モデル LES) DXF 形式の CAD データなど 実地形版 ( 中型 大型風車用 ) 後処理 ( 共通 ) 市街地版 ( 小型風車用 )

25 実地形版リアムコンパクトソフトウエアの操作手順 Windows 搭載の PC1 台で動作可能 前処理 Pre-processing 格子生成 (RC-Elevgen) ステップ 1 風車図挿入のための作業 (RC-WindmillMaker) ステップ 3 ソルバー (RC-Solver) ステップ 2 後処理 Post-processing ステップ 4 流れの可視化 (RC-Scope) ステップ 5 年間発電量の評価 (RC-Explorer)

26 前処理 ( プリプロセッシング ) 計算対象領域を選定し, 計算格子 ( メッシュ ) を生成するソフト RC-Elevgen 地形表面に沿った計算格子 国土地理院の 50m 標高データ, 北海道地図 ( 株 ) の 10m 標高データが利用可能 紙地図や DXF 形式の CAD データから作成した 2~5m の高解像度標高データが利用可能 格子節点上の公共座標 ( 緯度 経度情報 ) を出力可能 水平方向および鉛直方向のメッシュ幅の編集が可能 ( 可変メッシュ ) 任意地形の削除が可能 ( 地形干渉などの調査に利用 ) 公共座標を十進経緯度で指定することで, 風力タービン位置を表示可能

27 前処理 ( プリプロセッシング ) 計算結果に挿入する風力タービン線図を作成するソフト 最大 60 基まで設定可能 10 進経緯度による立地点の指定 風向, ブレード直径 ( ローター直径 ), タワー ( 支柱 ) 高さ, 表示色を設定可能 RC-WindmillMaker 風力タービン線図を実際に挿入した様子

28 u i ソルバー 1 粗視化 (Coarse graining) 複雑地形上の大気乱流場 : 複雑乱流場 : 大小様々な渦の流れ : 大規模非定常渦が本質的 Large-Eddy Simulation : 複雑乱流場に適した次世代モデル u u u i i ' i 非線形相互作用 u i ' u i 格子で解像される, 格子に引っかかった大規模渦ふるい落とされた細かい小規模渦 ( 乱れの影響 ) グリッドスケール (GS) 直接解くサブグリッドスケール (SGS) モデル化する (SGS モデリング )

29 ソルバー 2 大まかな流れの抽出 フィルター操作 SGS 成分 瞬間値 GS 成分 SGS 成分 GS 成分 Δ Δ フィルター幅

30 ソルバー 3 乱流モデルの必要性 カットオフ波数 : 計算で捉えられる最小渦の大きさ u i ' u i 非線形相互作用 Re 数の増加とともに波数帯は広がる. 粗い格子での小規模変動 (u i ) を無視したナビエ ストークス方程式の直接計算は大まかな乱流 (u i ) の計算ではない. 基礎式は, 計算格子捉えられない小規模変動 (u i ), すなわち, 乱れの作用 ( 非線形相互作用 ) を含んだものでなければならない. コルモゴロフ相似則

31 ソルバー 4 LES の物理的背景 カットオフ波数 : 計算で捉えられる最小渦の大きさ 小さい渦は等方的であり, 統計的な性質は流れ場全体の特徴に拠らず普遍的 局所等方性の仮説 大きい渦は流れ場の形状, レイノルズ数に依存する. GS 成分 ( 直接計算 ) コルモゴロフ相似則 E(k) k -5/3 SGS 成分 ( モデル化 ) LES の理論的根拠コルモゴロフ相似則 ( コルモゴロフの第二仮説,-5/3 乗則 ) 物理的考察に基づいてモデル化が可能! 普遍性のある慣性小領域にフィルタを置くことで普遍性の高い物理モデル構築の期待!

32 ソルバー 5 LES(Large-Eddy Simulation) の支配方程式 : 非定常解析が可能な乱流モデル 連続の式連続の式 u x i i 0 Filtered Navier-Stoke 方程式 2 i i 1 p i ij u j j i j j j u u u t x x x x x ' ' ' ' ij uu i j uu i j uu i u u j i j uu i j R と称する Leonard 項 Lij Cross 項 Cij SGS Reynolds Stress 項 Rij フィルタ操作により新たに生じた項 基礎式の完結 (close) 基礎式 4 vs 未知変数 4 スマゴリンスキーモデル (LES と同一視される代表的モデル ) 局所平衡と渦粘性 ( 分子粘性における類推 ) を仮定 b g ' ' 1 ' ' SGS Cf s s 2 ij S ij uu uu i j k k ij 2 SGSS 3 Lij+Cij=0,SGS Reynolds stress 項 Rijのみをモデル化 F fs 1 exp e 12 z / 25 S d2s ij Si / u u i j ij Sij I 1 代表スケール 2 x j xi hhh / s HG KJ d i 13 x y z 乱流モデル (SGS モデル ) R=R(u i,p) が必要 j C : モデル定数

33 ソルバー 6 スマゴリンスキーモデルの有次元のまとめ 連続の式連続の式 Filtered Navier-Stoke 方程式 2 i i 1 p i 2 j SGS ij SGS j i j j j u u u u i 0 u k 2 Sij t x x x x x 3 x i ui ui p 2 uj ksgs 2 SGS Sij t xj x i 3 xj ui ui P uj 2 SGS Sij t xj xi xj 1 1 但し, k u u u u u u スマゴリンスキーモデルの有次元のまとめ 2 2 d i ' ' SGS k k k k k k 連続の式連続の式 u x i i 0 Filtered Navier-Stoke 方程式 :SGS 渦粘性が付加された NS 方程式 ui u P 1 t x x x Re i uj 2 SGS Sij j i j

34 ソルバー 7 市街地版実地形版 CodeⅠ CodeⅡ Coordinate System Cartesian Coordinate System Generalized Curvilinear Coordinate System Variable Arrangement Staggered Grid Collocated Grid Discretization Method Coupling Algorithm Time Advancement Method Poisson Equation for Pressure Convective Terms Other Spatial Derivative Terms SGS Model Finite-Difference Method (FDM) Fractional Step Method Euler Explicit Method Successive Over Relaxation (SOR) Method 3rd-order Upwind Biased Scheme based on an Interpolation Method (α=0.5) 2nd-order Central Scheme Smagorinsky Model + Wall Damping Function

35 ソルバー 8 RC-Solver ユーザーは, 計算格子と数個の計算パラーメータを指定するだけで計算がスタート!

36 後処理 ( ポストプロセッシング ) 膨大な数値データの羅列を人間が見て分かるように視覚化するソフト RC-Scope 計算格子 ( 計算メッシュ ) 速度ベクトル 等値線, 等値面 カラーシェーディング 流線, 流跡線, 流脈線, 粒子追跡 サーフェスパスレンダリング ボリュームレンダリング グラフ表示などの種々の可視化技術が標準実装

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