[論文レビュー] SPHinXsys: an open-source multi-physics and multi-resolution library based on smoothed particle hydrodynamics

Chi Zhang, Massoud Rezavand+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 23, 2020

Fluid Dynamics Simulations and Interactions参考文献 35被引用数 17

ひとこと要約

SPHinXsys は、流体、固体、熱拡散、反応拡散、流体構造挙動相互作用を含む複雑な産業用システムをシミュレートするために開発されたオープンソースでマルチフィジックス、マルチリゾリューションの滑らかさ粒子流体力学（SPH）ライブラリである。メッシュレスラグランジュ粒子法とカーネルベースの近似を用い、汎用的な C++ API を提供することで、流体動力学、固体力学、電磁機械学、心臓モデリングのベンチマークケースを含む、多様な物理現象における柔軟で統合的なモデリングを可能にし、検証済みである。

ABSTRACT

In this paper, we present an open-source multi-resolution and multi-physics library: SPHinXsys (pronunciation: s'finksis) which is an acronym for \underline{S}moothed \underline{P}article \underline{H}ydrodynamics (SPH) for \underline{in}dustrial comple\underline{X} \underline{sys}tems. As an open-source library, SPHinXsys is developed and released under the terms of Apache License (2.0). Along with the source code, a complete documentation is also distributed to make the compilation and execution easy. SPHinXsys aims at modeling coupled multi-physics industrial dynamic systems including fluids, solids, multi-body dynamics and beyond, in a multi-resolution unified SPH framework. As an SPH solver, SPHinXsys has many advantages namely, (1) the generic design provides a C++ API showing a very good flexibility when building domain-specific applications, (2) numerous industrial or scientific applications can be coupled within the same framework and (3) with the open-source philosophy, the community of users can collaborate and improve the library. SPHinXsys presently (v0.2.0) includes validations and applications in the fields of fluid dynamics, solid dynamics, thermal and mass diffusion, reaction-diffusion, electromechanics and fluid-structure interactions (FSI).

研究の動機と目的

• 産業的および科学的応用における連成マルチフィジックス系をシミュレートできる統合的でオープンソースの SPH フレームワークの開発。
• 空間的・時間的スケールの異なる複雑なシステムの効率的シミュレーションを可能にするマルチリゾリューションモデリングの実現。
• ドメイン特化の応用とコミュニティ主導の開発を支援する、柔軟で拡張可能な C++ API の提供。
• 流体構造相互作用、熱拡散、反応拡散、電磁機械学の多様な物理現象に対するライブラリの検証。
• GitHub での公開ソースコード、包括的なドキュメンテーション、チュートリアルを活用して、再現可能性の高い研究を実現。

提案手法

• ライブラリは、空間微分のカーネル近似と連続体場の粒子ベース離散化に基づく滑らかさ粒子流体力学（SPH）フレームワークを採用している。
• 破壊や衝撃を伴う激しい自由表面流の正確なシミュレーションを実現するため、リーマンソルバを用いた低散逸 SPH スキームを実装している。
• 弱圧縮性 SPH（WCSPH）の安定性と精度を向上させるために、二重基準時間刻み法を採用している。
• 計算効率を高めるために、流体構造相互作用（FSI）問題にマルチリゾリューション技術を適用し、適応的粒子リゾリューションを可能にしている。
• 熱拡散と物質拡散は、適切な拡散係数テンソルの取り扱いを含む等方的および異方的拡散スキームでモデル化されている。
• 電磁機械的結合は、アクティブストレインモデルと Holzapfel-Ogden 定式化を用いて実装されており、心筋組織での妥当性が検証済みである。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一の SPH フレームワークが、流体動力学、固体力学、熱拡散といった多様な物理現象を統合的に効率的かつ正確にシミュレートできるか。
• RQ2 SPH を用いた激しい自由表面流および流体構造相互作用のシミュレーションにおいて、安定で正確な数値戦略は何か。
• RQ3 マルチリゾリューション粒子技術を SPH フレームワークに効果的に統合することで、正確性を損なわずに計算効率を向上できるか。
• RQ4 SPHinXsys は、電磁機械的結合と反応拡散ダイナミクスを用いて、心臓のような複雑な生物学的系をどの程度正確にモデル化できるか。
• RQ5 コミュニティ主導のオープンソース SPH ライブラリとして、再現可能性、拡張性、産業応用可能性を両立できるか。

主な発見

• SPHinXsys v0.2.0 は、波の破壊を伴う激しい自由表面流のベンチマークに対して、既存の基準と一致する流体動力学のシミュレーションを正当化した。
• 反応拡散系における渦巻き波パターンの再現が成功しており、長方形および円形領域において Ratti と Verani (2018) の結果と一致した。
• 単位立方体心筋組織の電磁機械的シミュレーションでは、膜電位活性化下での変形が一貫して再現され、既存の文献データと同等の結果を得た。
• 右左心室モデルのシミュレーションでは、膜電位の自由パルスおよびスクロール波の伝播を通じて、興奮収縮結合が再現された。
• マルチリゾリューション FSI と位置ベースの Verlet 時間刻み法の実装により、連成流体-固体系の安定的で長期的なシミュレーションが可能になった。
• 完全なドキュメンテーションと再現可能なテストケースを備えたオープンソースリリースにより、コードの可用性、拡張性、コミュニティ連携が保証された。