[論文レビュー] Grid2Grid : HOS Wrapper Program for CFD solvers

Young-Myung Choi, Maïté Gouin+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2017

Ocean Waves and Remote Sensing被引用数 12

ひとこと要約

Grid2Grid は、逆FFTとbスプライン補間を用いて、高次スペクトル（HOS）シミュレーションからの非線形波場を再構築する高性能なHOSラッパー・プログラムであり、OpenFOAMなどのCFDソルバとの効率的な結合を可能にする。実験データとの妥当な一致を確認した上で、極端な波に対して正確かつリアルタイムで非線形波を生成することが可能である。

ABSTRACT

Wave generation solvers using Higher Order Spectral Method (HOS) have been validated and developed over the years. HOS solves nonlinear wave propagation in open sea (HOS-Ocean) and in numerical wave tank (HOS-NWT) with low computation time comparing with other nonlinear solvers. HOS solvers are released as open-source codes under the terms of GNU General Public Licence (GPLv3). Nonlinear irregular wave generation in computational fluids dynamic (CFD) solvers becomes important recently in naval fiels to better estimate the loads on offshore structure. The conventional linear superposition methods imply a long computational time for wave generation and the simulation is made almost impossible without having enough computational power. And if the method is based on linear wave theory, there is also question on occurence of nonlinear phenomenon and the interaction between waves as the simulation goes. Therefore dedicated nonlinear wave solvers with high computational speed are needed. Grid2Grid is developed as a wrapper program of HOS to generate wave fields from the results of HOS computation. Grid2Grid reconstructs wave fields of HOS with inverse fast Fourier transforms (FFTs) and uses a quick spline module, the nonlinear wave fields can be fastly reconstructed for arbitrary simulation time and space. The nonlinear wave simulation is then possible for a particular position and time where specific non linear phenomenon occur. Grid2Grid is developed as a wrapper program of HOS to generate wave fields from the results of HOS computation. Grid2Grid reconstructs wave fields of HOS with inverse fast Fourier transforms (FFTs) and uses a quick spline module, the nonlinear wave fields can be fastly reconstructed for arbitrary simulation time and space. The nonlinear wave simulation is then possible for a particular position and time where specific non linear phenomenon occur.

研究の動機と目的

• オフショア構造物のCFDシミュレーションにおける線形波生成手法の計算効率の低さと不正確さを是正すること。
• 事前に計算されたHOS波場を活用することで、CFDソルバにおける高精度で非線形な波動シミュレーションを可能にすること。
• HOSで生成された波場を多様なCFDフレームワークに統合するためのポータブルで再利用可能なインターフェースを提供すること。
• VTK形式での波場出力および時系列出力を通じて、HOS結果の後処理と検証・分析を可能にすること。
• メキシコ湾における1000年周期の波動を含む極端な非線形波イベントのシミュレーションを、正確な波の崩壊予測とともに可能にすること。

提案手法

• HOSモードデータから逆FFT（H₂演算子）を用いて、スペクトルモードを空間的波場に変換することで、体積波場を再構築する。
• 多次元bスプライン補間モジュール（bspline-fortran）を活用し、任意の時間および空間位置における波場の高速かつ高精度な補間を実現する。
• C、C++、Python、およびその他の言語との相互運用性を実現するため、ISO_C_BINDINGインターフェースを備えた共有ライブラリ（libGrid2Grid.so）を提供する。
• 波場をVTK形式および波面高さの時系列として出力するための後処理モジュール（PostGrid2Grid）を提供し、可視化および検証を可能にする。
• 動的ブレンド関数を用いてHOSで生成された波データをシミュレーション領域に統合する、foamStarを介したCFDソルバ（OpenFOAMなど）との統合を実施する。
• 自由表面付近での高波数モードの物理的に不適切な増幅を防ぐために、モードカット基準（Cf(z) = 10）を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HOSで生成された波場は、最小限の計算オーバーヘッドで、任意のCFDソルバにおいて効率的に再構築され、補間可能か？
• RQ2 Grid2Gridは、波の崩壊や極端な波動イベントを含む非線形波動現象を、CFDシミュレーションでどれほど正確に再現できるか？
• RQ3 線形重ね合わせ法と比較して、Grid2Gridの使用が非線形波生成の忠実性と効率性をどの程度向上させるか？
• RQ4 Grid2Gridは、正確な波の崩壊予測とともに、極端な波動条件（例：メキシコ湾における1000年周期波）の正確なシミュレーションを可能にするか？
• RQ5 Grid2Gridの波面高さおよび波場出力は、制御された波塘実験の測定値とどの程度一致するか？

主な発見

• Grid2Grid は逆FFTおよびbスプライン補間を用いてHOS波場を効果的に再構築し、任意の時刻および位置での波場への高速かつ高精度なアクセスを実現した。
• メキシコ湾における1000年周期波動のシミュレート波面高さと実験測定値との間に良好な一致が得られ、極端な波動条件における正確性が妥当であることが検証された。
• HOS-NWTで予測された波の崩壊イベントは、シミュレーションおよび実験の両方で正しく捉えられており、崩壊のタイミングと位置が期待されるものと一致した。
• HOSとVOF-CFDの結果にわずかな差異が生じたのは、有限体積法ソルバにおける自由表面近傍のメッシュ解像度が不足していることが主な要因とされた。
• OpenFOAMにおけるfoamStarとのGrid2Grid統合により、HOSベースのターゲット波場を用いた安定的かつ高精度な波生成が実現され、数値拡散が最小限に抑えられた。
• 共有ライブラリインターフェース（libGrid2Grid.so）により、複数のプログラミング言語でのシームレスな利用が可能となり、マルチフィジックスシミュレーションにおける再利用性と相互運用性が向上した。