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朝比 祐一; 小野寺 直幸; 長谷川 雄太; 下川辺 隆史*; 芝 隼人*; 井戸村 泰宏
Boundary-Layer Meteorology, 186(3), p.659 - 692, 2023/03
被引用回数：0 パーセンタイル：0.01(Meteorology & Atmospheric Sciences)定点観測された風向などの時系列データおよび汚染物質放出点を入力として、汚染物質の地表面拡散分布を予測する機械学習モデルを開発した。問題設定としては、一様風が都市部へ流入し、都市部内にランダムに設置された汚染物質放出点から汚染物質が拡散するという状況を扱っている。機械学習モデルとしては、汚染物質放出点から汚染物質の拡散分布を予測するCNNモデルを用いた。風向などの時系列データは、Transformerや多層パーセプトロンによってEncodeし、CNNへと引き渡す。これによって、現実的に取得可能な定点測時系列データのみを入力とし、実用上価値の高い汚染物質の地表面拡散分布の予測を可能とした。同一のモデルを用いて定点観測時系列データから汚染物質放出点の予測が可能であることも示した。
Wang, Z.; 杉山 智之
Engineering Analysis with Boundary Elements, 144, p.279 - 300, 2022/11
被引用回数：3 パーセンタイル：59.94(Engineering, Multidisciplinary)Numerical simulation of gas bubbles rising in liquid is challenging due to high density and viscosity ratios. This study proposes to separately model the liquid and gas phases by the incompressible Moving Particle Semi-implicit (MPS) method and the Weakly Compressible MPS (WCMPS) method. The liquid-gas phase interface is explicitly represented by a series of discrete nodes. By adequately enforcing the stress balance equation on these moving interface nodes, the MPS and WCMPS methods are coupled. Rather than being treated as the volume force, the surface tension is considered as a pressure jump at the interface. Without applying any smoothing or averaging scheme, the density, viscosity and pressure are discontinuous across the interface. The axisymmetric formulation is directly introduced based on the least squares scheme to save computational cost. In addition, a multi-time step algorithm is proposed so that independent time increments can be adopted for different phases. Furthermore, the particle shifting technique is extended to control the multi-spatial resolution dynamically and maintain the particle distribution quasi-isotropic. Several numerical tests, including hydrostatic pressure problems, droplet deformation and bubble rising benchmark are conducted to show the accuracy, efficiency and stability. Finally, validations are performed using experimental results with wide ranges of Reynolds number and Bond number, which dominate the bubble shape.
Wang, Z.; 杉山 智之
Engineering Analysis with Boundary Elements, 135, p.266 - 283, 2022/02
被引用回数：4 パーセンタイル：51.26(Engineering, Multidisciplinary)The moving particle semi-implicit (MPS) method has great potential in dealing with free surface flow due to its Lagrangian nature. In most cases, the free surface boundary is simply served as the pressure boundary condition. In this paper, an improved MPS method is presented for thermocapillary driven free surface flow. A series of surface nodes explicitly represent the free surface boundary. The normal stress on the free surface provides the Dirichlet pressure boundary condition, while the velocity boundary condition, i.e., Marangoni stress, is enforced through the Taylor series expansion and least squares method. Meanwhile, a quasi-Lagrangian formulation is introduced to avoid particle clustering and the corresponding numerical instability by slightly modifying the advection velocity. The upwind scheme is employed for the convection term to obtain accurate and stable results. A novel constraint scheme with the divergence of provisional velocity is developed for the pressure gradient to enhance stability further. The consistency of the derived generalized boundary condition is firstly verified with a simple convergence test. Then, several numerical tests, including square patch rotation, lid-driven and square droplet oscillation, are simulated to show the improvements. Finally, thermocapillary driven flows in an open cavity without and with buoyancy effect are studied. Good agreements are obtained by comparing with reference simulations taken from literature. Heat transfer characteristics are further investigated for different dimensionless numbers, including the Rayleigh number and Marangoni number.
渡辺 力*; 高木 毬衣*; 下山 宏*; 川島 正行*; 小野寺 直幸; 稲垣 厚至*
Boundary-Layer Meteorology, 181(1), p.39 - 71, 2021/10
被引用回数：6 パーセンタイル：44.03(Meteorology & Atmospheric Sciences)速度場とスカラー場に対する二つの分布関数を用いた格子ボルツマン法を用いて、植生キャノピー内およびその上部における、パッシブスカラを含む流れのラージエディ・シミュレーションを実施した。植物キャノピーが分散型シンクとして機能するトップダウンスカラーの場合、キャノピー上面のスカラー流束は、はるか上方から発生するキャノピーへ侵入する流れ(スイープ)により決定される。一方で、キャノピーからスカラーが放出される現象は、キャノピー上部で発生する渦により引き起こされる。本論文では、この様な渦の発生は、キャノピー上方からの大規模なスイープと、キャノピー内部の幅広い範囲での放出現象が接近することで引き起こされることを明らかとした。
小野寺 直幸; 井戸村 泰宏; 長谷川 雄太; 中山 浩成; 下川辺 隆史*; 青木 尊之*
Boundary-Layer Meteorology, 179(2), p.187 - 208, 2021/05
被引用回数：13 パーセンタイル：75.07(Meteorology & Atmospheric Sciences)汚染物質の拡散解析手法CityLBMは、GPUスーパーコンピュータ上において、適合細分化格子(AMR)法を適用する事で、数kmの解析領域の実時間解析が可能である。本論文では、CityLBMの検証としてオクラホマ市で実施された野外拡散実験(JU2003)に対する解析を実施した。計算条件として、Weather Research and Forecasting(WRF)モデルを用いた風況条件および、建物と植生を考慮した地表面データをCityLBMに与えることで、JU2003の実験条件を再現した。さらにアンサンブル計算の実施により、乱流の不確実性を軽減した。汚染物質の時間平均濃度および最大値を実験測定値と比較した結果、アンサンブル計算により解析精度を向上すると共に、2m解像度・4km四方の解析では、24個の計測値に対して70%の高い割合でFactor2を満たす事を確認した。
稲垣 厚至*; 神田 学*; Ahmad, N. H.*; 八木 綾子*; 小野寺 直幸; 青木 尊之*
Boundary-Layer Meteorology, 164(2), p.161 - 181, 2017/08
被引用回数：30 パーセンタイル：73.03(Meteorology & Atmospheric Sciences)本研究では、東京都市部に対して、中立安定状態における大気境界層に対する数値解析を行なった。GPUを用いた並列計算を実施することで、19.2km
4.8km1kmの領域に対して2m解像度のラージエディ・シミュレーションが可能となった。大規模計算結果より、境界層上部の乱流統計量や境界層全域におよび特徴的なストリーク構造等の再現が可能であることが確認された。
Lee, S.; 木村 富士男*
Boundary-Layer Meteorology, 101(2), p.157 - 182, 2001/11
被引用回数：53 パーセンタイル：74.5(Meteorology & Atmospheric Sciences)都市化など急激な土地利用の変化が局地気象条件に変化を及ぼしている。局地気象の変化は大気汚染物質の拡散や移動にも強く関係している。そこで本研究は複雑地形で土地利用の変化と地形により発生する局地循環を比較し局地循環の変化に及ぼす影響を明らかにした。また理論的解析を通じ複雑地形での局地循環の傾向を判断出来るインデックスを提案した。
江草 茂則
Boundary, 12(8), p.7 - 11, 1996/08
チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)のセラミックス微粉末とエポキシ樹脂からなる圧電性塗料は、構造材料と一体化した振動センサ及び亀裂センサとしての将来性を有している。この圧電性塗料を従来の構造材料の表面に塗布することにより、その構造材料に異常振動や微小亀裂の発生・蓄積に対する自己診断機能(ヘルスモニタリング機能)を付与することができる。本紹介記事では、振動・亀裂センサとしての感度に及ぼす塗料の乾燥温度や乾燥塗膜の厚み等の影響について解説する。さらに、構造材料と一体化した振動モーダル・センサとしての応用についても解説する。
Bains, R.S.*; 杉本 純
Engineering Analysis with Boundary Elements, 14, p.267 - 275, 1994/00
被引用回数：4 パーセンタイル：76.68(Engineering, Multidisciplinary)局所的なホットスポットを含む薄肉配管に対する数値解の収束解析を実施した。空間メッシュの細分化に基づいた収束解のパターンが存在する。ホットスポットの近傍で配管内面とホットスポットの温度変化を記述するために温度遷移領域(TTR)を導入した。TTR内の唯一可能な温度場は、BEM法で用いられる内挿関数で表現されるものである。さらに、TTRが薄すぎると数値的な不安定性が起こり、正しくない解を与える場合があることを明らかにした。
板垣 正文; C.A.Brebbia*
Boundary Element Methods, p.79 - 88, 1993/00
ここで提案する方法では、通常のHelmholtz方程式を源項を持つ方程式に変形し、源項反復によって固有値を求める。これを境界要素法で解こうとする時、源項に起因する領域積分が生じるが、多重相反法を適用して等価な境界積分に変換できる。固有値自身も二つの境界積分を用いて表わされる。従来、この種の問題を解くのには行列式サーチが多く用いられていたが、数値的に不安定で大規模な問題に対しては取扱いが困難であった。提案する方法は原子炉解析で中性子源反復法として実績のある源項反復法に基づいていることから安定な収束が得られる。二次元の計算例に対する結果から、この方法による固有値探索は収束が極めて早く、Helmholtz型固有値問題の解法に有効であることが示された。原子炉の臨界解析のみならず、音響、振動、波動等、Helmholtz方程式で記述される多くの工学問題に適用可能である。
板垣 正文; C.A.Brebbia*
Engineering Analysis with Boundary Elements,11, p.39 - 45, 1993/00
エネルギー1群の核分裂中性子源反復計算を境界要素法で実行する際に多重相反法(MRM:Multiple Reciprocity Method)をあてはめた定式化を試みた。第m回目の中性子源反復において核分裂中性子源に関わる領域積分が、多重相反定理の活用により、(m-1)個の境界積分に変換される。この境界積分の実行には零次から(m-1)次の高次基本解が必要であり、2次元問題では高次の変形ベッセル関数を使って記述される。またこの境界積分では、過去の中性子源反復で計算された境界上の中性子束及び中性子流を保存しておく必要がある。ここで示された定式化は2次元問題と3次元問題の両方に適用可能である。この定式化に基づく計算コードが実用になれば、領域内部の情報は全く不必要になり、境界のみを離散化すれば良いことになるので、境界要素法が持つ本来の利点が最大限に活かされることになる。
板垣 正文; C.A.Brebbia*
Engineering Analysis with Boundary Elements,11, p.87 - 90, 1993/00
2次元修正ヘルムホルツ方程式で記述される物理現象を多重相反境界要素法で解く際に必要となる高次基本解を導いた。(L-1)次の基本解をソース項にもつ方程式の第L次基本解は
=A
(kr)
K(kr)の形式をしている。ここにK(-)は第L次の変形ベッセル関数であり、係数AはA=A
/(2Lk
)で与えられて、初期値はA
=1/(2
)である。第L次基本解でこのように表わされることが示される。本報で示される高次基本解導出のプロセスは他の工学問題の微分方程式においても応用し得るものである。なお、修正ヘルムホルツ方程式は、そのまま中性子拡散方程式と同一型式であることが知られており、原子炉解析への応用が考えられる。
板垣 正文; C.A.Brebbia*
Boundary Elem. Abstr. Newsl., 3(2), p.67 - 70, 1992/03
中性子源反復計算を多重相反境界要素法を用いて試みた。この方法の利点は、問題とする領域の内部をメッシュ分割する必要がなく、境界のみを離散化して境界要素を定義するのみで良いことである。また、不規則な幾何形状を容易に扱えることも利点であり、将来の炉物理解析の自由度を格段に高める潜在的可能性を有している。解析解が得られている簡単な2次元1領域問題を例題として、中性子源反復の進行によって実効増倍率がどのように収束していくかを調べた。反復過程の早い時期に実効増倍率は真値に極めて近づくが、その後、徐々に真値より離れていく現象がみられた。これは、第m回の反復において最高(m-1)次の高次基本解が使われており、まるめの誤差が蓄積したためと考えられる。まるめ誤差の蓄積は、ある条件式に数値をあてはめた時に1を超えた場合に顕著となることが明らかとなった。
板垣 正文; C.A.Brebbia*
Boundary Elements XIV, Vol.1; Field Problems and Applications, p.25 - 38, 1992/00
境界要素法を臨界計算に適用した場合に現れる領域積分項を境界積分に変換する二つの方法、二重相反法と多重相反法について記述する。二重相反法では、核分裂ソース分布をフーリエ級数に展開し、個々の展開項をソースとする拡散方程式の特解を利用して領域積分を等価な境界積分に変換する。必要な展開係数は別の境界積分により自動的に与えられる。多重相反法では中性子源反復の回数に応じた次数の高次基本解を用いて相反定理を繰り返し適用して境界積分のみによる定式化を行う。この方法では境界上の中性子束と中性子流を反復の度に記憶する必要があるが、精度の高い結果が得られやすい。二つの方法とも、本来、中性子束の領域積分の比で与えられる実効増倍率を境界積分のみによる表示とし、計算の効率化を図った。簡単な数値計算例について両者の得失を議論すると共に、今後の開発課題についても触れる。
板垣 正文; C.A.Brebbia*
Engineering Analysis with Boundary Elements, 10, p.345 - 352, 1992/00
被引用回数：9 パーセンタイル：73(Engineering, Multidisciplinary)多重相反境界要素法を用いて中性子源反復計算を行う時、ある収束条件が満足されないとまるめ誤差が蓄積していく現象がみられる。この論文はこの数値誤差を除去できる多重相反法の新しい定式化を提案する。上記の収束条件が常に満足されるように中性子拡散方程式をWielandtの原点移動法の考え方に沿って変更する。この場合、境界積分方程式の組立に必要な基本解は、従来法では修正Helmholtz方程式での基本解であったのに対し新しい方法では標準のHelmholtz方程式に対するものとなる。この点を除けば境界積分方程式の型式は新旧で同一である。テスト計算の結果新しい方法によると中性子源反復は急速かつ安定に収束しまるめ誤差の蓄積に伴う数値的不安定現象はもはや見られなくなった。
板垣 正文; C.A.Brebbia*
Engineering Analysis with Boundary Elements, 8(5), p.239 - 244, 1991/10
被引用回数：9 パーセンタイル：76.22(Engineering, Multidisciplinary)近年着目されている数値解法である境界要素法を中性子拡散方程式にそのまま適用すると核分裂中性子源に関する項は領域積分となり、境界要素法の利点が十分に活かされない。本論文では、このような領域積分を等価な境界積分に変換する一般的手法を与えている。まず、実効増倍率は境界上の中性子束と中性子流のみを境界積分することで求められる。核分裂中性子源と基本解の積を核とする領域積分は、核分裂中性子源分布をフーリエ級数に展開することによって等価な境界積分に変換できる。この際に必要となるフーリエ展開係数は同じく境界積分で与えられるが、中性子源反復過程では前回の反復で得られた展開係数を使った漸化式の形式で与えられるので、効率的に反復計算を進めることができる。
板垣 正文; C.A.Brebbia*
Boundary Elements XII, Vol.1; Applications in Stress Analysis, Potential and Diffusion, p.227 - 239, 1990/00
中性子拡散問題で遭遇する二領域に挟まれた薄い帯状域を解析する為に従来よりも効率的な境界要素解法を提案する。帯状域の両表面における中性子束と中性子流とを関係づける解析表示が1次元中性子拡散理論から導出される。中性子束と中性子流の連続条件を用いると、帯状域に隣接する二領域の各々に対して設定した境界積分方程式の離散表示は上記の解析表示を介して結合されることができる。即ち、二つの領域と帯状域の組合わせから成る全体系がただひとつの行列方程式によって記述される。この場合、従来の境界要素法では帯状域表面の中性子束と中性子流の全てが未知数として定義する必要があったのに対し、本方法では帯状域に対して要求される未知数の数が半分に減らされている。このような解析モデルの簡素化にもかかわらず、中性子束分布の計算結果は十分精度の高いものであった。この方法の活用により境界要素法の応用範囲が増大する。
板垣 正文; C.A.Brebbia*
Boundary Elements, X, Vol.2, 12 Pages, 1988/00
偏微分方程式のコンピュータ向け解法として、近年、種々の工学分野で研究されている境界要素法が2次元のみならず3次元の中性子拡散問題に応用された。2次元及び3次元とも元の中性子拡散方程式は次元のひとつ少ない境界積分方程式に変換され、これを離散化して行列形式の境界要素式を得る。これにより、3次元問題であれば領域の境界表面における中性子束・中性子流のみを未知数として定義すればよい。それにも拘わらず、領域内部の中性子束分布を高精度で求めることができる。したがって差分法や有限要素法と比べて必要計算機容量が少なくて済み、また不規則幾何形状が容易にとりあつかえる等の利点がある。
