直接シミュレーション・モンテカルロ法による超音速のアルゴン気体の流れ

OpenFOAM 4.x

ケース

$FOAM_TUTORIALS/discreteMethods/dsmcFoam/supersonicCorner

概要

直接シミュレーション・モンテカルロ（Direct Simulation Monte Carlo, DSMC）法を使って、超音速のアルゴン気体の流れを計算します。DSMC 法は1960年代に G. A. Bird によって提案された手法で、ボルツマン方程式を使って希薄気体の流れを計算するものです。

気体の物性などの設定はディレクトリ constant のファイル dsmcProperties で、初期状態はディレクトリ system のファイル dsmcInitialiseDict で定義されています。

モデルは X、Y、Z 軸方向のサイズがそれぞれ30 cm、18 cm、18 cm の直方体で、Y、Z 座標の最小面に領域 entrance1（赤色部）、entrance2（緑色部）、walls（青色部）が設定されています。またこれら以外の面は領域 flow として設定されています。

モデル形状 モデル形状

境界条件として領域 flow に温度 300 K、速度（1936, 0, 0）m/s の超音速を設定します。また領域 entrance1、entrance2 は対称面、領域 walls は温度 1000 K のすべり無し壁とします。

ディレクトリ 0 にある各変数の意味は以下の通りです。

  • boundaryT - 境界温度
  • boundaryU - 境界速度
  • dsmcRhoN - DSMC粒子の密度
  • fD - 力密度（force Density、応力ベクトル）
  • q - 壁面熱流束
  • iDof - 内部自由度の密度
  • internalE - 内部エネルギー密度
  • linearKE - 1次運動エネルギー密度
  • momentum - 運動量密度
  • rhoM - 質量密度
  • rhoN - 数密度
  • dsmcSigmaTcRMax - 各セルでの「sigmaT × cR」の最大値（Bird p220 を参照）

計算結果は以下の通りです。

X 軸横断面での運動量密度分布 X 軸横断面での運動量密度分布
Y 軸横断面での運動量密度分布 Y 軸横断面での運動量密度分布
Z 軸横断面での運動量密度分布 Z 軸横断面での運動量密度分布

実行コマンド

cp -r $FOAM_TUTORIALS/discreteMethods/dsmcFoam/supersonicCorner supersonicCorner
cd supersonicCorner

blockMesh
decomposePar
mpirun -np 4 dsmcInitialise -parallel
mpirun -np 4 dsmcFoam -parallel
reconstructPar -noLagrangian

paraFoam

プロセッサーごとに分割したデータをコマンド reconstructPar で結合する際にオプション -noLagrangian を付けて不要なラグランジアン系のデータは結合しないようにしています。

計算時間

1時間36分17.2秒　※4並列、Inter(R) Core(TM) i7-2600 CPU @ 3.40GHz 3.40GHz

参照