Droplets Simulation

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

Fordは導入&生成手順は下記の通りです.

Linuxの場合

• $ pip install ford
• $ sudo apt install graphviz
• $ source build.shで先にコンパイルして下さい.
• $ ford api-doc-ford-settings.md

Windowsの場合

• Anacondaをインストールして下さい.
• Anaconda Promptにて
  • > conda install -c conda-forge ford
  • > conda install graphviz
• > .\build.batで先にコンパイルして下さい.
• > ford api-doc-ford-settings.md

使い方

依存関係解決・コンパイル&実行

• ビルドにcmakeコマンドとmakeコマンドを使うので, 要インストール.
• CMakeに関する説明はこちら

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) 1. 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. 1. 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

• $ mkdir buildでビルドディレクトリ作成する.

• $ cd buildで移動する.
• $ 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)
• $ 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

$$\frac{dr}{dt} \space = \space -\left(1-\frac{RH}{100}\right) \cdot \frac{D e_{s}(T)}{\rho_{w} R_{v} T} \cdot \frac{1}{r}$$

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

$$m \frac{d \mathbf{v}}{dt} \space = \space m \mathbf{g} \space + \space C_D (\mathbf{v}) \space \cdot \space \frac{1}{2} \rho_a S \left | \mathbf{u}_a - \mathbf{v} \right | (\mathbf{u}_a - \mathbf{v})$$

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.

$$\bar{\mathbf{v}}^{n + 1} \space = \space \frac{\bar{\mathbf{v}}^{n} \space + \space (\bar{\mathbf{g}} \space + \space C \bar{\mathbf{u}}_a)\Delta \bar{t}}{1 \space + \space C\Delta \bar{t}} \quad \left ( C \space = \space \frac{3 \rho_a}{8 \rho_w} \frac{C_D ( \mathbf{v}^{n} ) \left | \bar{\mathbf{u}}_a - \bar{\mathbf{v}}^{n} \right |}{\bar{r}^{n+1}} \right )$$

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.