(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
輻射エネルギーの移動が生じている場を数値計算用の空間セルを含む複数の輻射要素に分割し、複数の輻射要素間の輻射エネルギーの交換を解析装置が計算する輻射計算方法において、
計算対象の一の輻射要素から近い場所ほど他の複数の輻射要素を接合した接合数が小さい小輻射要素をメモリに設定し、前記計算対象の一の輻射要素に遠い場所ほど他の複数の輻射要素を接合した接合数が大きい大輻射要素をメモリに設定して、前記計算対象の一輻射要素と他の輻射要素との輻射エネルギーの交換を計算することを特徴とする輻射計算方法。
【請求項２】
輻射エネルギーの移動が生じている場を数値計算用の空間セルを含む複数の輻射要素に分割し、各輻射要素からの複数の輻射線(レイ)の放出又は各輻射要素での複数の輻射線(レイ)の吸収を解析装置が計算する輻射計算方法において、
計算対象の一の輻射要素から近い場所ほど他の複数の輻射要素を接合した接合数が小さい小輻射要素をメモリに設定し、前記計算対象の一の輻射要素に遠い場所ほど他の複数の輻射要素を接合した接合数が大きい大輻射要素をメモリに設定して、前記計算対象の一の輻射要素に係る輻射線（レイ）の放出と吸収を計算するものとし、前記輻射要素の接合数は、各輻射線(レイ)の受け持つ視野角に応じて設定することを特徴とする輻射計算方法。
【請求項３】
輻射エネルギーの移動が生じている場を複数の数値計算用の空間セルを含む輻射要素に分割し、複数の輻射要素間の輻射エネルギーの交換を、各輻射要素間の熱交換面積から輻射熱交換量を解析装置が計算する輻射計算方法において、
計算対象の一の輻射要素から近い場所ほど他の複数の輻射要素を接合した接合数が小さい小輻射要素をメモリに設定し、前記計算対象の一の輻射要素に遠い場所ほど他の複数の輻射要素を接合した接合数が大きい大輻射要素をメモリに設定して、前記計算対象の一の前記輻射熱交換量を計算するものとし、前記輻射要素の接合数は、輻射線(レイ)の受け持つ視野角に応じて設定することを特徴とする輻射計算方法。
【請求項４】
請求項２又は３に記載の輻射計算方法において、
前記輻射要素の接合数は、輻射線(レイ)の受け持つ視野角に入る最も大きな輻射要素の接合数を設定することを特徴とする輻射計算方法。
【請求項５】
請求項２又は３に記載の輻射計算方法において、
輻射線(レイ)を放出又は吸収する前記計算対象の輻射要素からの各輻射線(レイ)が通る全領域を埋めるように、輻射要素の接合数を設定することを特徴とする輻射計算方法。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の輻射計算方法において、
前記輻射要素の接合数は、２のべき乗個であることを特徴とする輻射計算方法。
【請求項７】
請求項１，４，５，６のいずれか一項に記載の輻射計算方法において、
輻射計算法としてＤＴ法を使用することを特徴とする輻射計算方法。
【請求項８】
請求項２に記載の輻射計算方法において、
輻射計算法としてレイトレーシング法又はモンテカルロ法を使用することを特徴とする輻射計算方法。
【請求項９】
請求項３に記載の輻射計算方法において、
輻射計算法としてゾーン法を使用することを特徴とする輻射計算方法。
【請求項１０】
請求項1乃至3のいずれか一項に記載の輻射計算方法を用いた熱吸収分布図作成方法であって、
前記解析装置が、前記壁要素を前記計算対象の一の輻射要素として前記壁要素の熱吸収を計算し、該計算結果に基づいて複数の前記壁要素の熱吸収分布図を作成することを特徴とする熱吸収分布図作成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、輻射計算方法に係り、特に、火力発電所，核融合炉，エンジン，火災，たき火などの輻射を放出する種々のエネルギー源からの輻射の分布や強度を正確かつ迅速に計算する手段に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発熱，対流などが生ずる領域の流れを解析する装置としては、特開平８−２２１３８６号公報に記載された流れ解析装置が知られている。
【０００３】
この従来例においては、注目した一部領域については、密なメッシュを張り付けて流れを解析し、それ以外の領域には、一様に粗なメッシュを張り付けて流れを解析し、計算の工数と計算時間とを削減できるとしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ＤＴ(Discrete Transfer)法，レイトレーシング法，モンテカルロ法，ゾーン法などの輻射計算方法は、輻射エネルギーが入射または放射する計算セル，壁面要素などの輻射要素からレイまたはフォトンを放出させて輻射のエネルギー交換を計算している。
【０００５】
従来は、上記従来例のように、注目した一部領域については、密なメッシュを張り付けて流れを解析している場合もあるが、それ以外の領域については、計算セル，壁面要素などの輻射要素から近くても遠くても、同じ大きさの粗なメッシュすなわち計算セルを使用していた。
【０００６】
そのため、粗なメッシュに覆われた遠い場所と注目しているセルとのエネルギー交換を計算するために、計算時間が非常にかかっていた。
【０００７】
また、従来の輻射計算方法おいては、輻射計算で注目している輻射要素から遠い場所には、計算に影響しないセルが多いために、計算精度が低かった。
【０００８】
本発明の目的は、計算精度を保ちながら、計算を迅速に完了させる手段を備えた輻射計算方法を提案することである。
【０００９】
【課題を解決すための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、第１に、輻射エネルギーの移動が生じている場を数値計算用の空間セルを含む複数の輻射要素に分割し、複数の輻射要素間の輻射エネルギーの交換を解析装置が計算する輻射計算方法において、計算対象の一の輻射要素から近い場所ほど他の複数の輻射要素を接合した接合数が小さい小輻射要素をメモリに設定し、前記計算対象の一の輻射要素に遠い場所ほど他の複数の輻射要素を接合した接合数が大きい大輻射要素をメモリに設定して、前記計算対象の輻射要素と他の輻射要素との輻射エネルギーの交換を計算する輻射計算方法を提案する。
【００１０】
本発明は、第２に、輻射エネルギーの移動が生じている場を数値計算用の空間セルを含む複数の輻射要素に分割し、各輻射要素からの複数の輻射線(レイ)の放出又は各輻射要素での複数の輻射線(レイ)の吸収を解析装置が計算する輻射計算方法において、計算対象の一の輻射要素から近い場所ほど他の複数の輻射要素を接合した接合数が小さい小輻射要素をメモリに設定し、前記計算対象の一の輻射要素に遠い場所ほど他の複数の輻射要素を接合した接合数が大きい大輻射要素をメモリに設定して、前記計算対象の輻射要素に係る輻射線（レイ）の放出と吸収を計算するものとし、前記輻射要素の接合数は、各輻射線(レイ)の受け持つ視野角に応じて設定する輻射計算方法を提案する。
【００１１】
本発明は、第３に、輻射エネルギーの移動が生じている場を複数の数値計算用の空間セルを含む輻射要素に分割し、複数の輻射要素間の輻射エネルギーの交換を、各輻射要素間の熱交換面積から輻射熱交換量を解析装置が計算する輻射計算方法において、計算対象の一の輻射要素から近い場所ほど他の複数の輻射要素を接合した接合数が小さい小輻射要素をメモリに設定し、前記計算対象の一の輻射要素に遠い場所ほど他の複数の輻射要素を接合した接合数が大きい大輻射要素をメモリに設定して、前記計算対象の前記輻射熱交換量を計算するものとし、前記輻射要素の接合数は、輻射線(レイ)の受け持つ視野角に応じて設定する輻射計算方法を提案する。
【００１２】
第４に、第２または第３の輻射計算方法において、前記輻射要素の接合数は、輻射線(レイ)の受け持つ視野角に入る最も大きな輻射要素の接合数を設定する輻射計算方法を提案する。
【００１３】
第５に、第２または第３の輻射計算方法において、輻射線(レイ)を放出又は吸収する前記計算対象の輻射要素からの各輻射線(レイ)が通る全領域を埋めるように、輻射要素の接合数を設定する輻射計算方法を提案する。
【００１４】
第６に、上記いずれかの輻射計算方法において、前記輻射要素の接合数は、２のべき乗個とする輻射計算方法を提案する。
【００１５】
第７に、第１，４，５，６のいずれかの輻射計算方法において、輻射計算法としてＤＴ法を使用する輻射計算方法を提案する。
【００１６】
第８に、第２の輻射計算方法において、輻射計算法としてレイトレーシング法またはモンテカルロ法を使用する輻射計算方法を提案する。
【００１７】
第９に、第３の輻射計算方法において、輻射計算法としてゾーン法を使用する輻射計算方法を提案する。
【００１８】
本発明においては、輻射エネルギーが出る計算セルまたは輻射エネルギーを吸収する計算セルＰの近くにおいては、小さい(レベル０)セルを使用し、計算セルＰから遠くにおいては、複数個の小さいセルをまとめた大きい(レベルｎ)セルを使用する輻射計算方法が得られる。また、一つのレイが受け持つ視野角内ΔΩに入る最も大きな計算セルを選択する。その結果、輻射計算の精度が高まり、計算時間を短縮でき、計算時に必要なメモリも削減できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、図１〜図１２を参照して、本発明による輻射計算方法の実施形態を説明する。
【００２０】
図２は、従来のＤＴ法による輻射計算の状況を示す図である。図２では、輻射要素を２次元的に示してあるが、３次元であっても、同様の輻射計算方法を適用できる。また、モンテカルロ法などの他の輻射計算方法においても、壁要素から輻射線(レイ)を出す場合には、同じ計算方法を使用できる。なお、輻射線(レイ)とは、輻射エネルギーを輸送する経路すなわち放射または吸収する経路である。
【００２１】
図２に示した従来のＤＴ法では、点Ｑから出た輻射エネルギーは、１７個のセルを通過して点Ｐに到達する。計算時間は、この通過するセルの数に比例する。従来のＤＴ方法では、点Ｐに入射する輻射エネルギーの強度を計算するために、点Ｐから遠い場所でも、細かいセルの計算が必要である。
【００２２】
実際には、点Ｐから遠くになればなるほど、各レイの間には、影響しないセルが多くなる。物理的には、輻射を遮るものがなければ、全領域の輻射エネルギーが点Ｐに到達するはずである。しかし、レイの本数が少ない場合には、影響しない領域が増加し、誤差が増加する。
【００２３】
【実施形態１】
図１は、本発明による輻射計算方法の実施形態１における輻射要素の接合状況を示す図である。図１の本実施形態１では、点Ｑから出た輻射エネルギーは、１から１１までのセルを通過して点Ｐへ到達する。
【００２４】
本発明では、通常の計算で使用するレベル０の計算セルに加えて、その計算セルを複数個接合したレベル１，２，３，…という大きさの異なるセルを考える。
【００２５】
このレベル１以上の計算セルは、レベル０のセルをどのように組み合わせてもよい。図１に示す例では、レベル１の計算セルは、レベル０の計算セルを２×２個接合した。レベル２の計算セルは、レベル１の計算セルを４×４個接合した。
【００２６】
この方法の利点は、数値計算で２のｎ乗個を接合したセルを使用する場合に効率が良いからである。また、領域の境界近くになると、必ずしも２ｎ×２ｎの計算セルを採ることができなくなる。この場合は、セル１のように、境界からはみ出した部分を無視したセルを考える。
【００２７】
複数の大きさを考えて効率を高める計算方法には、マルチグリッド法などがあり、接合した個数の異なるセルを考えるところは、一致している。
【００２８】
レベル１以上のセルは、点Ｑと点Ｐとの間のレイだけで使用されるのではなくて、他の場所でのレイの計算にも使用される。このように、セルを重複して使用すると、計算効率が高まる。また、同じ大きさであっても、位置がずれているセルを用意することもできる。
【００２９】
これらの接合の結果、後で詳しく説明するように、セルを選ぶとき、より適したセルを選択できる。また、一方向のみに接合したセルを使用すると、計算時間を増加させることなく、計算精度を高めることができる。
【００３０】
次に、レベルの異なるセルの選び方について説明する。計算上は、点Ｑと点Ｐとの間で、通過長さが合っていれば、どのようにセルを選んでもよい。計算の効率化，高精度化を考えると、次のような選び方が考えられる。
【００３１】
(１)個々のレイが受け持つ視野角に入っている中で最もレベルの高いセルを選ぶ。視野角をΔΩとしたとき、図１がそれに対応する。点Ｐに近いセルは、点Ｐに影響が大きいので、小さいレベル０のセルで計算する。点Ｑに近いセルは、Ｐに影響が少ないので、レベルが大きなセルを使用する。この結果、点Ｐから遠い場所において、使用するセル数が減り、計算を高速化できる。
【００３２】
(２)１番目の方法を使用しても、計算領域の中には、影響しないセルが少し残る。図１に示す視野角ΔΩと影響セルとの間に存在する白いセルである。このセルを少なくするために、視野角よりも大きい範囲内において、最大のセルを探すとよい。大きい範囲は、計算パラメータとして与える。この大きい範囲が、隣のレイを含めないように設定する。例えば、図１において、視野角をΔΩとした場合に、ΔΩｇという広い範囲を考え、その中に入る最も大きなセルを探す。
【００３３】
(３)温度などの物理量の変化が大きい場所で、レベルの高いセルを使用すると誤差が大きくなる場合がある。そこで、(１)，(２)の方法を基にして物理量の勾配が急な場所では、レベルの低いセルを使用する。
【００３４】
(４)領域内に計算しない物体や壁などの場所がある場合には、(１)から(３)の方法で大きなセルを使用できない。この場合は、レベルの低いセルを使用する。
【００３５】
(５)計算セルが細かい場合には、レベル０のセルで計算する必要はなく、レベル１以上のセルを選ぶこともできる。
【００３６】
これらの方法で、最小のレベル数を指定すると、計算時間を短縮できる。
【００３７】
図３は、従来のレイのデータベース作成アルゴリズムと輻射輸送計算方法の処理手順とを示す図である。この処理手順では、ＤＴ法によっているが、その他の輻射計算方法においても、同様の処理手順を使用できる。ＤＴ法においては、レイが通過するセルにインデックスを付けて、データベースとして保存し、処理を高速化している。
【００３８】
図４は、本発明によるレイのデータベース作成アルゴリズムと輻射輸送計算方法の処理手順とを示す図である。本発明においても、レイが通過するセルにインデックスを付けて、データベースに保存する。その際に、各種あるセルの中からセルを選択することが特徴である。セルの選択方法については、図１に関連して既に説明した。
【００３９】
本発明において、輻射を計算する際、レベル１以上の計算セルを使用すると、このセルにガス温度やガスの吸収係数を設定する必要がある。ガス温度は、輻射の強度を計算するために使用するので、単なる総和平均ではなく、４乗和の平均とする方がよい。平均するセル毎に体積が異なる場合は、体積の影響も考慮する必要がある。ガスの吸収係数やその他輻射計算で使用するパラメータは、物理現象を考えて平均処理する。
【００４０】
次に、全ての壁要素，全ての方向のレイについて輻射エネルギーの輸送を計算する。この計算方法には、従来の輻射計算方法をそのまま使用できる。レベルの高いセルについては、セル内の分布も考慮して輻射の輸送を計算すると、精度の高い計算ができる。
【００４１】
全ての壁要素，全ての方向のレイについて計算が終了すると、入射輻射強度の計算が終了する。この状態では、輻射によるエネルギーの生成項が、各レベルの計算セルに分かれている。これらの生成項をレベル０に集める必要がある。
【００４２】
レベルの高いセルは、複数のレベル０の格子から形成される。
エネルギーの生成項をレベル０の格子に、分配する一番簡単な方法は、体積で分配する方法である。しかし、レベルの高いセルに含まれるレベル０のセルには、温度にばらつきがあるために、エネルギーの生成項にも差がある。各セル毎に生成項を割り振るアルゴリズムを組み込むと、精度を高めることができる。
【００４３】
図５は、複数のレベル０のセルから構成されているレベルｎのセルを示す図である。図５の上段に示すように、レベルｎのセルが複数のレベル０のセルから構成される場合に、このレベルｎのセルに入る輻射強度の強さをi１とする。i１は、輻射の方向により異なる、ここでは、簡単のためにi１として平均の入射輻射強度を考える。
【００４４】
レベル０の各セルには、異なる強度の輻射が入射するが、i１で入射すると考える。また、各セルから出た輻射は、他のセルに入るが、これを無視する。
【００４５】
これらの仮定から、図５の下段に示すように、各セルの入射強度，輻射が出る強度，その差である生成項を求めることができる。
【００４６】
ここで求めたレベル０の生成項とレベル０の生成項との和から、生成項の割合を各レベル０で求める。
【００４７】
最終的に、求めた生成項の割合とレベルｎで求めた生成項との掛け算により、各セルの生成項を計算する。
【００４８】
以上の説明は、壁からレイを出す場合を考えたが、レイトレーシング法，ゾーン法，モンテカルロ法では、内部の計算セルからレイやフォトンを放出する。
【００４９】
【実施形態２】
図６は、本発明による輻射計算方法の実施形態２における輻射要素の接合状況を示す図である。すなわち、本実施形態２において、レイが通過するセルを示す図である。
【００５０】
図７は、従来の方法において、レイが通過するセルを示す図である。既に述べたように、従来方法では、輻射エネルギーの発生源Ｐから遠い場所でも、近い場所と同様に、同じ大きさのセルを使用していた。この場合、点Ｐから遠い場所、すなわち、点Ｑに近い場所において、計算に影響しないセルが多く生じている。
【００５１】
これに対して、本実施形態２では、図６に示すように、点Ｐから遠い場所で大きなセルを使用する。特に、視野角ΔΩに入る最も大きなセルを選んでいる。
【００５２】
本実施形態２においては、通過するセルの個数が従来の１４個から７個に減少した。壁からレイを出す場合と同様に、セルの選び方には自由度がある。
【００５３】
【実施例】
次に、輻射計算方法を適用した具体的実施例を説明する。
【００５４】
図８は、従来のＤＴ法により計算した熱吸収分布を示す図である。このボイラには、石炭を燃料とし、４８本のバーナと１６本の空気ポートOＡＰとを備えている。
【００５５】
この例は、１０００ＭＷのボイラの熱吸収分布を計算した結果である。ボイラ前水壁とボイラ後水壁とにおける熱吸収の最大場所も併せて示している。レイの本数は３６本である。
【００５６】
なお、レイの本数が異なる計算を実行した結果、３６本以上では、結果が変わらないことを確認している。
【００５７】
図９は、本発明の輻射計算方法により計算した熱吸収分布を示す図である。このボイラには、図８と同一であり、石炭を燃料とし、４８本のバーナと、１６本の空気ポートOＡＰとを備えている。
【００５８】
本実施例は、１０００ＭＷのボイラの熱吸収分布を計算した結果である。ボイラ前水壁とボイラ後水壁とにおける熱吸収の最大場所も併せて示している。レイの本数は３６本である。
【００５９】
図８と図９とを比べると明らかなように、分布は、ほとんど同じである。最大の熱吸収の計算誤差を調べた結果、ボイラ前水壁では０.６％であり、ボイラ後水壁では１.２％であった。したがって、本発明の輻射計算方法の誤差が小さいことを確認できた。
【００６０】
図１０は、レイの本数を１６本に減らして本発明の輻射計算方法により計算した熱吸収分布を示す図である。
【００６１】
分布に関しては、ほぼ従来方法と同じであることを確認した。最大の熱吸収の計算誤差を調べた結果、ボイラ前水壁では２.４％であり、ボイラ後水壁では２.９％であった。したがって、本発明の輻射計算方法の誤差が小さいことを確認できた。
【００６２】
図１１は、この計算で使用したレイ要素数を示す図である。
【００６３】
従来のＤＴ法では、レベル０のレイ要素しかなく、レイ本数が３６本の場合は、８.８メガセルであった。
【００６４】
これに対して、本発明の輻射計算方法において、レイ本数が３６本の場合は、レイ要素数は、６.４７メガセルであった。セル数を２６％削減できた。
【００６５】
また、本発明のレイ本数が１６本の場合は、レイ要素数が２.０６メガセルであり、７７％も削減できた。これだけレイ要素数を減らしても、精度が低下しないのは、重要な場所に細かいセルを使用しているためである。
【００６６】
また、輻射計算に必要なメモリの中では、レイ要素の記憶に必要なメモリが多い。すなわち、レイを１６本にした場合は、必要なメモリを約１／４にできる。
【００６７】
図１２は、従来例と本発明の実施例における計算時間を測定した結果を示す図である。石炭を燃料とし４８本のバーナと１６本の空気ポートOＡＰとを備えている図８のボイラについて計算に要した時間を測定した。簡易輻射計算法であるＦＬＵＸ法により、計算の初期値を計算した。その後は、従来の方法と本発明の輻射計算方法とにより計算した。
【００６８】
エンタルピーの誤差が収束基準以下になるまでの計算時間は、約１／２０になった。レイ本数が.約１／４であるので、計算時間は、１／４になるはずであったが、それ以上高速になった。
【００６９】
本発明の輻射計算方法では、視野角を埋めるようにセルを選んでおり、ソース項の入らないセルが少ないために、ソース項の分布が滑らかになり、計算が安定したことが好結果をもたらした理由であると推定される。
【００７０】
【発明の効果】
本発明によれば、輻射エネルギーが出る計算セルまたは輻射エネルギーを吸収する計算セルＰの近くにおいては、小さい(レベル０)セルを使用し、計算セルＰから遠くにおいては、複数個の小さいセルをまとめた大きい(レベルｎ)セルを使用する輻射計算方法が提供される。また、一つのレイが受け持つ視野角内ΔΩに入る最も大きな計算セルを選択する。その結果、輻射計算の精度が高まり、計算時間を短縮でき、計算時に必要なメモリも削減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による輻射計算方法の実施形態１における輻射要素の接合状況を示す図である。
【図２】従来のＤＴ法による輻射計算の状況を示す図である。
【図３】従来のレイのデータベース作成アルゴリズムと輻射輸送計算方法の処理手順とを示す図である。
【図４】本発明によるレイのデータベース作成アルゴリズムと輻射輸送計算方法の処理手順とを示す図である。
【図５】複数のレベル０のセルから構成されているレベルｎのセルを示す図である。
【図６】本発明による輻射計算方法の実施形態２における輻射要素の接合状況を示す図である。
【図７】従来の方法において、レイが通過するセルを示す図である。
【図８】従来のＤＴ法により計算した熱吸収分布を示す図である。
【図９】本発明の輻射計算方法により計算した熱吸収分布を示す図である。
【図１０】レイの本数を１６本に減らして本発明の輻射計算方法により計算した熱吸収分布を示す図である。
【図１１】この計算で使用したレイ要素数を示す図である。
【図１２】従来例と本発明の実施例における計算時間を測定した結果を示す図である。
【符号の説明】
ＯＡＰ  空気ポート
Ｐ  輻射エネルギー計算点／吸収点
Ｑ  輻射エネルギー放射点
ΔΩ  視野角
ΔΩｇ  広い視野角
１〜１７  セル
【図１】
0004592245.tif 000002
【図２】
0004592245.tif 000003
【図３】
0004592245.tif 000004
【図４】
0004592245.tif 000005
【図５】
0004592245.tif 000006
【図６】
0004592245.tif 000007
【図７】
0004592245.tif 000008
【図８】
0004592245.tif 000009
【図９】
0004592245.tif 000010
【図１０】
0004592245.tif 000011
【図１１】
0004592245.tif 000012
【図１２】
0004592245.tif 000013