[論文レビュー] EOF Library: Open-Source Elmer and OpenFOAM Coupler for Simulation of MHD With Free Surface

Juris Venčels, Andris Jakovičs+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2017

Magnetic confinement fusion research参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、自由表面を伴う磁気流体力学（MHD）のシミュレーションを目的として、有限要素法（FEM）を用いるElmerと、計算流体力学（CFD）を用いるOpenFOAMの間で双方向連成を行うオープンソースのフレームワーク、EOF Libraryを提示する。本フレームワークは、ソルバ間での効率的な場の補間とデータ交換を可能にし、導電性流体と電磁誘導を伴う2次元軸対称MHD問題を用いた検証により、基準結果と良好な一致を示した。

ABSTRACT

An open-source library called EOF which provides efficient two-way coupling between the finite element multi-physics simulation software Elmer and computational fluid dynamics software OpenFOAM is presented. Library controls interpolation and communication of fields between two codes. The main focus of this code is industrial magnetohydrodynamics with free surface, but it can be extended to other 2D and 3D multi-physics problems. Simulation results for 2D axisymmetric problem of conductive fluid with free surface surrounded by alternate electromagnetic field created by inductor are compared with analogous simulation results made by another author.

研究の動機と目的

• 産業的MHDシミュレーションにおける高精度で効率的な自由表面の取り扱いのニーズに対応する。これは、複雑なマルチフィジックス問題である。
• 単独でのソルバでは制限が生じるため、ElmerとOpenFOAM間でのシームレスなデータ交換によりその限界を克服する。
• 再利用可能でオープンソースのライブラリを開発し、FEMとFVMソルバ間のマルチフィジックス問題における連成を容易にする。
• 電磁場下での自由表面動態を伴う2次元および3次元MHD問題のシミュレーションを可能にする。
• 金属鋳造や液体金属処理などの産業応用に適した検証済みフレームワークを提供する。

提案手法

• 共有メモリおよびファイルベース通信を用いて、ElmerとOpenFOAM間で双方向データ連成を実装する。
• 異なるソルバの非構造格子間での場（例：速度、磁場、圧力）の転送のための補間ルーチンを開発する。
• 並列計算をサポートしスケーラビリティを維持するため、メッシュのパーティショニング処理を採用する。
• プラグインとしてライブラリをElmerおよびOpenFOAMに統合し、モジュラリティと拡張性を実現する。
• Elmerではステガレート有限要素法、OpenFOAMでは有限体積法を採用し、界面で一貫した連成を実現する。
• 時間ステップの同期と保存則および精度を保持する補間スキームを用いることで、時間的一致性を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ElmerとOpenFOAMの間で、マルチフィジックスMHDシミュレーションに適した効率的でオープンソースの双方向連成ライブラリを開発できるか？
• RQ2 EOF Libraryは、電磁誘導下での自由表面を伴うMHDに対して、既知の結果をどれほど正確に再現できるか？
• RQ3 2次元軸対称MHD設定における連成フレームワークの性能と安定性はいかがなものか？
• RQ4 MHDに限らず、他の2次元および3次元マルチフィジックス問題へ、このフレームワークをどの程度拡張可能か？
• RQ5 場の補間手法は、連成システムにおける保存則および収束性にどのように影響を与えるか？

主な発見

• EOF Libraryは、ElmerとOpenFOAM間での双方向データ交換を成功裏に実現し、複雑なマルチフィジックスシミュレーションを可能にした。
• 導電性流体と電磁誘導を伴う2次元軸対称MHD問題のシミュレーション結果は、他の研究からの基準データと良好に一致した。
• 一貫した補間と時間同期により、数値的安定性と精度が維持された。
• ライブラリは拡張可能であり、自由表面を伴うMHDにとどまらず、他のマルチフィジックス問題へも応用可能である。
• オープンソースの性質により、計算物理学分野における再現可能性とコミュニティ主導の開発が促進された。
• 自由表面および電磁場を伴う産業スケールのMHDシミュレーションの実現可能性が、本実装により示された。