Droplets Simulation

August 7, 2023 · View on GitHub

Simulation of Virus-Laden Droplets Behavior in AFDET

ドキュメント

https://enehentaro.github.io/droplets_simulation/

※FORDを使用しています.

使い方

依存関係解決・コンパイル&実行

ルートディレクトリ(README.mdのある階層)での作業.

  1. 「SampleCase」ディレクトリを複製したのち, 名前を変更する. (ケース名を付ける)
  2. ケースディレクトリ内の条件ファイル(condition.nml, initial_position.csv)を編集する.
  3. 以下OSに応じてコンパイル&実行する.

Linuxの場合

  • $ source build.shでビルド・CTest・パス通しまで出来る. (コンパイル手法を変える場合は各自で編集)
  • $ MAINで実行. (プログラム名は自分で変える)

Windowsの場合

  • > .\build.bat(Windows powershellにて実行)でビルドする.
    • batファイル内のcmake .. の後に-G "MinGW Makefiles"でGeneratorを指定する.
  • > .\build\bin\main.exeで実行. (プログラム名は自分で変える) ※おそらくVSCodeでコンパイラ指定のポップアップウィンドウが出るので, そこでgfortranのパスを通す.

シェルスクリプトの説明

  • シェルスクリプトを使用しない場合は, 下記順序に従ってコマンドを入力
  1. $ mkdir buildでビルドディレクトリ作成する.
  2. $ cd buildで移動する.
  3. $ cmake ..で依存関係解決.
    • -D CMAKE_Fortran_COMPILER=[ifort/gfortran]でコンパイラ指定.
    • -D CMAKE_BUILD_TYPE=Debugでデバッグ用コンパイルオプション付与.
    • -D use_OpenMP=ONでOpenMP用コンパイルオプション付与.(FPH解析時のみ有効)
      • find_packageでエラーが起こる場合はコンパイラにOpenMPが付属していないので, 要インストール. (tdm-gccはデフォルトでついてない)
  4. $ makeでコンパイル.

条件ファイル(condition.nml, initial_position.csv)解説

condition.nml

  • リスタート位置 num_restart
    • 通常は0を指定する.
    • 1以上にすると, その値に対応するbackupファイルが読み込まれ, そこからリスタートが始まる.
  • 初期分布ファイル名 initialDistributionFName
    • 指定したbackupファイル(.bu)が読み込まれ, それを飛沫初期分布とする.
    • 初期分布を固定したくない場合はコメントアウトする.
  • 飛沫周期発生 periodicGeneration
    • 1秒当たりの発生飛沫数(整数)を指定する.
    • 初期配置飛沫をすべてNonActiveにしたのち, 順次Activateしていくので, 初期配置数が飛沫数の上限となる.
  • 気流データファイル名 path2FlowFile
    • 実行ディレクトリからの相対パス, もしくは絶対パスを指定する.
    • 現在可能な流れ場ファイル:
      • VTK
      • INP
      • FLD
      • FPH
    • CUBE格子(PLOT3D)は、予め非構造格子に変換してから計算してください.
    • .arrayファイルを指定する場合、別途メッシュファイルが必要なので,meshFile = ***と指定する.
  • ステップ数オフセット OFFSET
    • 飛沫計算を, 流体連番ファイルの途中の番号から始めたいときに指定する.
  • 気流データを周期的に用いる場合の先頭と末尾 LoopHead, LoopTail
    • 任意の区間の流体連番ファイルを繰り返し用いるときに指定する. (例えば呼吸のサイクル)
    • (先頭) = (末尾) とすると, そのステップ数到達後は流れ場の更新が起こらなくなる.
    • (先頭) > (末尾) とすれば, 特殊な処理は起こらず, 流体連番ファイルが順番に読み込まれる.

initial_position.csv

  • 初期飛沫の配置帯（直方体）を設定する.
  • 左から順に, 直方体の中心座標(x,y,z), 直方体の幅(x,y,z).
  • 改行すれば配置帯を複数設定できる.

方程式

飛沫の蒸発方程式

drdt = −(1−RH100)⋅Des(T)ρwRvT⋅1r\frac{dr}{dt} \space = \space -\left(1-\frac{RH}{100}\right) \cdot \frac{D e_{s}(T)}{\rho_{w} R_{v} T} \cdot \frac{1}{r}

プログラム内では,2次精度ルンゲクッタ法で解いている.

飛沫の運動方程式

mdvdt = mg + CD(v) ⋅ 12ρaS∣ua−v∣(ua−v)m \frac{d \mathbf{v}}{dt} \space = \space m \mathbf{g} \space + \space C_D (\mathbf{v}) \space \cdot \space \frac{1}{2} \rho_a S \left | \mathbf{u}_a - \mathbf{v} \right | (\mathbf{u}_a - \mathbf{v})

プログラム内では,上式を無次元化・離散化した次式を解いている.

vˉn+1 = vˉn + (gˉ + Cuˉa)Δtˉ1 + CΔtˉ(C = 3ρa8ρwCD(vn)∣uˉa−vˉn∣rˉn+1)\bar{\mathbf{v}}^{n + 1} \space = \space \frac{\bar{\mathbf{v}}^{n} \space + \space (\bar{\mathbf{g}} \space + \space C \bar{\mathbf{u}}_a)\Delta \bar{t}}{1 \space + \space C\Delta \bar{t}} \quad \left ( C \space = \space \frac{3 \rho_a}{8 \rho_w} \frac{C_D ( \mathbf{v}^{n} ) \left | \bar{\mathbf{u}}_a - \bar{\mathbf{v}}^{n} \right |}{\bar{r}^{n+1}} \right )

サブプログラム

  • CUBE2USG
    • CUBE格子を非構造格子に変換できる.
  • droplet2CSV
    • 飛沫計算結果を再度読み込み, 統計データ(浮遊数推移など)をCSVファイルに書き出す.
  • dropletCount
    • 飛沫計算結果を再度読み込み, カウントボックスを通過した飛沫数を調べる. optionディレクトリ内の"boxList.csv"を, ケースディレクトリに配置する必要がある.
  • initialTranslate
    • 飛沫の初期配置データを読み込み, 任意の座標への回転, 平行移動を行う. by Konishi

おまけ機能

  • 複数ケース連続実行
    • 実行時にTXTファイル名を入力すると, そのファイルに列挙された複数ケースを連続実行できる.
  • basicSetting.nml
    • optionディレクトリ内にある, 付着判定のオンオフや, 飛沫間合体の設定が可能.初期半径分布ファイルの指定も可能.

CTest

  • コンパイル後, $ ctestでCTestが実行可. (buildディレクトリにて)
  • CTestの実行ディレクトリは、test/になる. (buildディレクトリではない)
  • テスト用プログラムはすべてtest/で管理しよう.