使用表面算法模拟物理过程的计算机系统技术方案

本公开涉及使用表面算法模拟物理过程的计算机系统。描述了用于模拟流体流动的元素的计算机实现的技术。这些技术包括在存储器中存储多个体元的状态向量，该状态向量包括与体元处多个可能的动量状态中的特定动量状态对应的多个条目；在存储器中存储至少一个表面的表示，该至少一个表面的尺寸和朝向与体元的尺寸和朝向无关；对状态向量执行相互作用操作，该相互作用操作对不同动量状态的元素之间的相互作用进行建模；对表面的表示执行表面相互作用操作，该表面相互作用操作对表面和体元的基本上所有元素之间的相互作用进行建模；以及对状态向量执行移动操作以反映元素移动到新的体元。体元。体元。

【技术实现步骤摘要】
使用表面算法模拟物理过程的计算机系统


[0001]本描述涉及模拟物理过程，例如流体流动。

技术介绍

[0002]晶格玻尔兹曼方法(LBM)被用于模拟各种几何形状(诸如汽车和飞机)周围的各种复杂流体流动。整体求解器的关键部分之一是其处理边界条件的算法，即，处理流体计算域边缘处(诸如实体壁的表面附近)的LBM粒子分布的动力学的算法。这种算法被制定得多好对模拟的结果准确性有直接影响。
[0003]美国专利5,848,260描述了一种用于基于体积的制定的新技术('260滑移算法)，该技术确保质量的精确守恒以及跨边界表面的动量通量的精确执行。

技术实现思路

[0004]虽然专利方法取得了巨大成功，但存在一些局限性。例如，结果得到的壁附近的流体量表现出高于期望的人工噪声。这种伪影表现为有效的表面粗糙度，导致数值耗散增加并且比期望的边界层厚。这会对模拟的下一级准确性产生不利影响，尤其是对于非常光滑和流线型的主体。其次，该专利过程的稳定性范围不够高，因此限制了其模拟更高速流体流动的能力。
[0005]'260专利中描述的过程或滑移算法基于晶格玻尔兹曼流体域的体积表示以及表面表示。在'260专利中，表面被描述为各自具有特定的表面积和表面法线的表面元素的集合。在'260专利中，边界条件是通过相邻表面元素与流体域中粒子的相互作用来实现的。
[0006]但是，在本文讨论的新颖滑移算法中，边界条件由所有表面元素与流体域中的粒子的相互作用提供，如由以下三个基本过程所定义的：
[0007]根据所谓的平行四边形/平行六面体，从边界表面附近的流体域聚集传入分布函数(与那些朝着边界表面移动的粒子对应)。表面动力学涉及将传入分布函数的集合转换成满足通过边界的质量和动量通量的特定边界条件的传出分布函数(与从边界表面反射的那些粒子对应)的集合。根据平行四边形/平行六面体，将传出分布函数分布回边界附近的流体域。
[0008]这种方法显著解决了上面提到的限制。虽然新方法的总体框架与
‘
260专利中的类似，但将传入分布函数的集合转换成传出分布的集合的表面动力学存在重大改变。更具体而言，表面动力学中使用的处理显著改变，以便实现通过表面的零动量通量。实现确切为零的切向动量通量是准确边界条件算法的基础，以便随后可以精确地添加任何特定量的动量通量。这个改变有助于克服上面提到的长期存在的限制。
[0009]根据一方面，一种用于模拟流体流动的元素的计算机实现的方法，包括：在存储器中存储多个体元的状态向量，该状态向量包括与体元处多个可能的动量状态中的特定动量状态对应的多个条目；在存储器中存储至少一个表面的表示，该至少一个表面的尺寸和朝向与体元的尺寸和朝向无关；对状态向量执行相互作用操作，该相互作用操作对不同动量
状态的元素之间的相互作用进行建模；对表面的表示执行表面相互作用操作，该表面相互作用操作对表面和体元的基本上所有元素之间的相互作用进行建模；以及对状态向量执行移动操作以反映元素移动到新的体元。
[0010]根据附加方面，一种用于模拟流体流动的元素的数据处理系统，该数据处理系统包括用于使数据处理系统执行以下操作的指令：在存储器中存储多个体元的状态向量，该状态向量包括与体元处多个可能的动量状态中的特定动量状态对应的多个条目；在存储器中存储至少一个表面的表示，该至少一个表面的尺寸和朝向与体元的尺寸和朝向无关；对状态向量执行相互作用操作，该相互作用操作对不同动量状态的元素之间的相互作用进行建模；对表面的表示执行表面相互作用操作，该表面相互作用操作对表面和体元的基本上所有元素之间的相互作用进行建模；以及对状态向量执行移动操作以反映元素移动到新的体元。
[0011]根据附加方面，一种非暂态计算机可读介质，存储用于模拟流体流动的元素的计算机程序产品，该计算机程序产品包括用于使数据处理系统执行以下操作的指令：在存储器中存储多个体元的状态向量，该状态向量包括与体元处多个可能的动量状态中的特定动量状态对应的多个条目；在存储器中存储至少一个表面的表示，该至少一个表面的尺寸和朝向与体元的尺寸和朝向无关；对状态向量执行相互作用操作，该相互作用操作对不同动量状态的元素之间的相互作用进行建模；对表面的表示执行表面相互作用操作，该表面相互作用操作对表面和体元的基本上所有元素之间的相互作用进行建模；以及对状态向量执行移动操作以反映元素移动到新的体元。
[0012]上述方面中的一个或多个可以包括在本文描述的特征中的以下特征中的一个或多个。
[0013]执行表面相互作用操作的指令包括执行以下操作的指令：从与面元相互作用的至少一个体元的第一集合中聚集元素，对聚集的元素与所有面元之间的相互作用进行建模以产生表面相互作用元素的集合，并将表面相互作用元素分散到与面元相互作用的至少一个体元的第二集合。状态向量的条目表示每单位体积的处于体元的特定动量状态的元素的密度。状态向量包括表示每单位体积的处于特定动量状态的元素的密度并且具有多个可能值的多个整数和/或浮点值中的一个或多个。
[0014]使用整数值和/或浮点值中的一个或多个来执行表面相互作用操作，并且其中使用代表实数的值来执行表面相互作用操作。使用整数和/或浮点数来执行表面相互作用操作。表面相互作用操作包括将与表面相交的体元表示为局部体元。至少一个表面的表示包括多个面元，该多个面元的尺寸和朝向与体元的尺寸和朝向无关，并且该多个面元表示至少一个表面；并且还包括对面元和在面元附近的至少一个体元的元素之间的相互作用进行建模。
[0015]元素表示流体的粒子，而面元表示流体流过的至少一个表面。
[0016]执行表面相互作用操作包括计算传入分布与玻尔兹曼分布之间的差异，根据所有状态向量差异确定组合动量，并基于确定的差异生成传出分布。
[0017]上述方面中的一个或多个可以提供本文公开的优点中的一个或多个。
[0018]除了处理实体壁表面上的边界条件外，滑移算法还可以被用于处理两个不同晶格玻尔兹曼求解器的域以及两个不同参考系之间的流体边界。与实体壁不同，跨边界的质量
通量一般不为零。此外，动量通量包含表示从一个域到另一个域的流动对流的额外的项。所有这些都涉及对先前的针对实体表面的滑移算法('260)的简单但非平凡的扩展。
[0019]从优选实施例的以下详细描述和权利要求中，本专利技术的其它特征和优点将是清楚的。
附图说明
[0020]图1描绘了用于模拟流体流动的系统，其包括新颖的表面动力学转换。
[0021]图2描绘了示出用表面动力学转换来制定晶格玻尔兹曼模型模拟的操作的流程图。
[0022]图3描绘了示出使用具有表面动力学转换的晶格玻尔兹曼模型的模拟操作的流程图。
[0023]图4描绘了示出动态转换的流程图。
[0024]图5和图6图示了在欧几里德空间中表示的两个LBM模型的速度分量(现有技术)。
[0025]图7是使用经校正的CAD绘图的物理过程模拟系统所遵循的过程的流程图。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于模拟流体流动的元素的计算机实现的方法，该方法包括：在存储器中存储多个体元的状态向量，该状态向量包括与体元处多个可能的动量状态中的特定动量状态对应的多个条目；在存储器中存储至少一个表面的表示，该至少一个表面的尺寸和朝向与体元的尺寸和朝向无关；对状态向量执行相互作用操作，该相互作用操作对不同动量状态的元素之间的相互作用进行建模；对表面的表示执行表面相互作用操作，该表面相互作用操作对表面和体元的基本上所有元素之间的相互作用进行建模；以及对状态向量执行移动操作以反映元素移动到新的体元。2.如权利要求1所述的方法，其中表面相互作用操作包括：从与面元相互作用的至少一个体元的第一集合中聚集元素；对聚集的元素与所有面元之间的相互作用进行建模以产生表面相互作用元素的集合，以及将表面相互作用元素分散到与面元相互作用的至少一个体元的第二集合。3.如权利要求1所述的方法，其中状态向量的条目表示每单位体积的处于体元的特定动量状态的元素的密度。4.如权利要求1所述的方法，其中状态向量包括表示每单位体积的处于特定动量状态的元素的密度并且具有多个可能值的多个整数和/或浮点值中的一个或多个。5.如权利要求1所述的方法，其中使用整数值和/或浮点值中的一个或多个来执行表面相互作用操作，并且其中使用代表实数的值来执行表面相互作用操作。6.如权利要求1所述的方法，其中使用整数和/或浮点数来执行表面相互作用操作。7.如权利要求1所述的方法，还包括：将与表面相交的体元表示为局部体元。8.如权利要求1所述的方法，其中至少一个表面的表示包括多个面元，所述多个面元的尺寸和朝向与体元的尺寸和朝向无关，并且所述多个面元表示至少一个表面；以及对面元和在面元附近的至少一个体元的元素之间的相互作用进行建模。9.如权利要求1所述的方法，其中元素表示流体的粒子，而面元表示流体流过的至少一个表面。10.如权利要求1所述的方法，其中执行表面相互作用操作还包括：计算传入分布与玻尔兹曼分布之间的差异；根据所有状态向量差异确定组合动量；以及基于确定的差异生成传出分布。11.一种用于模拟流体流动的元素的数据处理系统，该数据处理系统包括用于使数据处理系统执行以下操作的指令：在存储器中存储多个体元的状态向量，该状态向量包括与体元处多个可能的动量状态中的特定动量状态对应的多个条目；在存储器中存储至少一个表面的表示，该至少一个表面的尺寸和朝向与体元的尺寸和朝向无关；
对状态向量执行相互作用操作，该相互作用操作对不同动量状态的元素之间的相互作用进行建模；对表面的表示执行表面相互作用操作，该表面相互作用操作对表面和体元的基本上所有元素之间的相互作用进行建模；以及对状态向量执行移动操作以反映元素移动到新的体元。12.如权利要求11所述的数据处理系统，其中执行表面相互作用操作的指令包括执行以下操作的指令：从与面元相互作用的至少一个体元的第一集合中聚集元素；对聚集的元素与所有面元之间的相互作用进行建模以产生表面相互作用元素的集合，以及将表面相互作用元素分散到与面元相互作用的至少一个体元的第二集合...

【专利技术属性】
技术研发人员：P，
申请(专利权)人：达索系统西姆利亚公司，
类型：发明
国别省市：