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1 .9.5 夏のターボセミナー伊豆高原 圧縮性流れの数値解法 東北大学大学院情報科学研究科 山本悟

2 講義の内容 数値流体力学の歴史 偏微分方程式の型の分類と特性の理論の適用 次元圧縮性オイラー方程式と特性の理論の適用 流束分離と流束差分離 リーマン解法とMUSC 補間

3 以前 MC 法 ational-step 法 Simpliied MC 法 Rihadson(9) Sothwell(94) Von Namann and Rihitmye(95) DM Godnov(959) a and Wendo (96) Halow and Welh (965) Choin(968) msden and Halow (97) MaComa (969) 非圧縮性粘性流れ 圧縮性非粘性流れ M a and iedihs (954) 応用数学特性の理論 (Coant and Hilbet 97)

4 非圧縮性粘性流れ Johns and ande (97) ande and Spalding (974) 非圧縮性乱流 圧縮性非粘性流れ -ε モデル MaComa and Baldwin (974) Cebei-Smith (974) 人工粘性法 代数モデル MDonald and Biley (975) RNS DNS ES Baldwin and oma (978) van ee (979) MUSC 圧縮性非粘性流れ Beam and Waming (978) 陰解法 近似因子化法 形式近似因子化法

5 Enqist and Oshe (98) Oshe(98) Woodwad and Colella (984) 高次精度リーマン解法 PPM 近似リーマン解法 圧縮性非粘性流れ 陰解法 Stege and Waming (98) van ee (98) Haten (98) 流束分離法 (l Veto Splitting) Roe(98) 流束差分離法 (l Dieene Splitting) Plliam and Chassee (98) 対角化近似因子化法 Yee, Davis, Roe, Sweby, Chaavathy et. 流束制限関数 (l imite) TVD VS DS Impliit

6 TVD Haten(987) Yamamoto and Daigi(99) Compat MUSC ENO VS 高次精度流束制限関数 io and Steen (99) 対流圧力分離法 USM DS Impliit Yoon and Jameson (987) U-SGS

7 粒子法 気象 海洋流 非圧縮性流れ CD バイオ マイクロ流体 乱流 evel Set 法, CIP 法 B 法 IB 法 流体構造連成 複雑形状 前処理法 混相流音波 ノイズ 乱流遷移 特異流体 最適化 Compat 差分法 相変化 圧縮性流れ CD 希薄流 反応 燃焼流 電磁場 プラズマ

8 偏微分方程式の型の分類 (Type o Patial Dieential Eqation(PDE) 特性方程式の根 ( 特性曲線の傾斜 ) で型を分類 つの複素根重根 つの実数根 楕円型 (Ellipti) aplae (Poisson) 方程式 放物型 (Paaboli) 熱伝導方程式 双曲型 (Hypeboli) 波動方程式 楕円型方程式の差分解法 Gass-Seidel 法 SOR 法 放物型方程式の差分解法 SOR 法 +Can-Niolson 法 双曲型方程式の差分解法特性曲線法 圧縮性流れの数値解法

9 C B yy y p y q y s 二階線形偏微分方程式 (Seond-ode linea PDE) 特性の理論 (Chaateisti theoy) に基づき式を変形 C d B d and ただしこれが成り立つためには d d dq C d d dp C d B d s d d dq C d d dp

10 特性方程式 (Chaateisti eqation) d B d C 特性方程式の根 d B B C 根の符号による型の分類 B C つの異なる実根 双曲型 (Hypeboli) B C 重根 放物型 (Paaboli) B C つの異なる複素根 楕円型 (Ellipti)

11 もう つの方程式 d dq C d dp 常微分方程式に帰着 d dq C d dp C B B d d dq C d dp C B B d d d dq C d d dp

12 y 初期値特性曲線とその勾配ならびに常微分方程式との関係 d dq C d dp C B B d d dq C d dp C B B d

13 t p e p e, t e e 次元圧縮性オイラー方程式 (-D Compessible Ele Eqations) ヤコビ行列 (Jaobian Mati) p RT 状態方程式 (Eqation o state) 線形化 (ineaization)

14 e m e m e m, m m e m e m e m ヤコビ行列導出上の留意点

15 p e p e e e ヤコビ行列の特質オイラーの同次関係 (Ele s homogeneity elation) ヤコビ行列は微分に影響されない!

16 t t t N N, p NN 非保存形への変換 (Tansom to nononsevative om) 非保存形の未知変数 ( 初期変数, Pimitive vaiables) と非保存形のヤコビ行列非保存形への変換行列保存形と非保存形ヤコビ行列の関係 N

17 I, 特性条件 ( 固有値 ) の導出 (Deivation o eigenvales) ヤコビ行列の固有値 ( 特性速度 Chaateisti speeds) 流跡線 つの圧縮波

18 ,, I 非保存形の左固有ベクトルの導出 (Deivation o nononsevative let eigenvales)

19 NN N N 固有値 固有ベクトル ヤコビ行列の関係

20 t W W t W p p p p W 特性変数の導出 (Deivation o haateisti vaiables) 特性変数からなる方程式系の導出

21 t t s t s W t W エントロピーとリーマン変数を未知変数とする独立した方程式系 (Eqations o Entopy and Riemann vaiables) dt dw w dt d t w w w t 熱力学の関係式を駆使特性速度を勾配に持つ特性曲線上で成り立つ独立した つの常微分方程式! リーマン変数 リーマン不変量 (Riemann invaiant)

22 t. onst s dt d. onst dt d 初期値特性曲線とその勾配ならびに特性変数との関係. onst dt d

23 t N N 特性の理論に基づく流束分離式の導出 (Deivation o l-veto Splitting om based on Chaateisti Theoy) / /

24 H H p e H ) ( 流束分離式 (l-veto Splitting om) Stege and Waming(98) たとえば超音速流れ ( ) の場合 ) ( / /,, / /

25 流束差分離式 (l-dieene Splitting om) t / / / W R W W N N N N w w w p p p W

26 w w w w W R w N R w w t / / 流束差分離式 ( つづき )

27 リーマン問題 (Riemann Poblem) 区分的領域の境界で 次元衝撃波管問題を解く R / /

28 Roe 近似リーマン解法 (Roe s ppoimate Riemann Solve) Roe(98) / / /, / / R R R R w H H H / H Roe 平均

29 MUSC 補間 (Monotone Upsteam-enteed Sheme o Consevation aws) van ee(979) / / / / R : nd-ode lly pwind : / d-ode biased pwind * / * / * / * / 6 6 R Compat MUSC Yamamoto and Daigi (99) / / / / / / * / 6

30 重要な補足事項 独立変数の特性の理論は 次元圧縮性オイラー方程式にのみ厳密 多次元圧縮性オイラー方程式に厳密な特性の理論を適用した例は皆無 圧縮性ナビエ ストークス方程式は双曲型方程式ではない エントロピー変化を考慮しないと膨張扇(Epansion an) が膨張波 (Epansion sho) になる 特性の理論は等エントロピー流れを仮定 Stege-Waming の流束分離式は超音速領域で特性の理論に忠実 リーマン解法は圧縮性流れに含まれる波動である流跡線と圧縮波を分解するための方法 次精度以上のMUSC 補間では不連続面 ( 衝撃波 接触不連続面 ) で数値振動する 次精度上流差分は単調関数 詳しくは大宮司久明著数値流体力学大全第 6 章圧縮性流れの解法 次元 Ele 方程式 もしくは Google で 数値流体力学大全 を検索 時間切れ つづく

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