定例会

TSFDグループでは2ヶ月に1回定例会を開催しています。

2023年度

2024年1月16日(火)13:00〜15:00 [担当 半場研]
稲垣和寛(同志社大学)
「Reynolds応力の対角成分の収支に対するサブグリッドスケール応力の非等方性の効果」
ラージ・エディ・シミュレーション(LES)は工学や気象学など,様々な分野で応用される数値計算手法となっている.しかしながら,LESにおいても,精度の良い計算には細かい格子解像度が必要であり,その数値計算コストの大きさが産業応用における障壁となっている.したがって,従来よりも粗い格子解像度でも高精度なLESを実現することは,現実の高Reynolds数の流れの設計を考察する上では重要な課題である.本研究では,チャネル乱流の直接数値計算データを解析し,従来よりも大きなフィルターサイズの場合において,サブグリッドスケール(SGS)応力がグリッドスケール(GS)のReynolds応力の対角成分の収支におよぼす影響を考察する.その結果,SGS応力のうち,エネルギー輸送に寄与しない非等方的な応力部分が,スパン方向の速度ゆらぎを生成する寄与を持つことが分かった.さらに,Reynolds応力のスペクトル分解を用いて,SGS応力の非等方部分と乱流構造との関係を議論する.本結果は,これまで議論されてきた渦粘性によるエネルギー輸送や,平均せん断応力といった観点とは異なる視点でのSGS応力の効果の重要性を示唆している.

2023年11月14日(火)13:00〜15:00 [担当 加藤研]
塚本和寛(日立製作所)
「圧縮性Wall-resolved LESによる遠心式ターボ機械の性能と内部流れの予測」
遠心圧縮機やブロワをはじめとした遠心式ターボ機械は,各種プラントで用いる大型機から家電製品向けの小型機まで様々な用途で用いられており,工業上極めて重要なターボ機械のひとつである。様々な用途で用いられる遠心式ターボ機械の製品競争力強化のためには,設計段階におけるその性能予測精度の向上が必須である。また,近年の燃料費・電力代高騰に伴い,電力消費量の大きいターボ機械にはその高効率化による省エネ性能向上が顧客より強く求められている。
本研究では,遠心式ターボ機械の性能予測精度向上のために,LES を用いた大規模圧縮性解析,特に壁面近傍の縦渦を解像する Wall-resolved LES によって設計点及び非設計点の高精度予測手法を確立し,その予測精度向上のための解析指針の構築を進めている。Wall-resolved LESは性能予測精度の向上に加え,設計現場で用いられる解析では詳細に捉えられなかった旋回失速などの非定常流動現象を精度良く捉えている。本報告では性能予測結果および内部非定常流れ場の分析結果について述べる。

2023年9月5日(火)13:00〜15:00 [担当 大岡・菊本研]
魏 誠浩(東大生研大岡研)
「深層学習に基づく非定常室内気流予測手法とその応用」
現在、人々が気密性の高いオフィスに多くの時間を過ごしてる。室内気流環境が人間の健康と快適性に大きな影響を与える。そのため、空気調和設備を用いて快適な室内気流環境を維持することは重要である。この目標の達成には、室内気流環境の把握と予測は必要である。計算流体力学(CFD)は室内気流環境流の予測に広く用いられている.しかし,CFDの計算負荷が高いので,空気調和設備の制御にとって必要な高速な予測ができない。人工知能でよく使われる深層学習は,高速な予測と機器制御能力が車の自動運転など事例で検証されたため,高速な室内気流予測への活用も期待される.そこで,本研究は深層学習に基づく非定常室内気流予測手法の構築を目的とする.また,その手法を用いて時間配慮する室内空調設備の運転最適化に応用する例も検討する.

2023年7月11日(火)13:00〜15:00 [担当 北澤研]
周 金コン(東大生研北澤研)
「人工氷片群における単独氷の流体力解析:水槽実験および数値計算による検討」
The necessity of Arctic routes has driven the development of polar ships, which require power evaluations due to the presence of brash ice in the region. However, the calculation of hydrodynamic forces in brash ice remains limited. In this study, we experimentally and numerically examined the horizontal hydrodynamic force of an ice piece in synthetic brash ice. Towing experiments were conducted at the Marine Ecosystem Engineering Laboratory water tank, Institute of Industrial Science, the University of Tokyo. Numerical calculations using the volume of fluid method in Simcenter STAR-CCM+ were performed with identical specifications. The force between ice pieces showed a linear increase in the towing experiments, partially reproduced numerically. Additionally, the arrangement of brash ice in staggered rows was investigated to analyze the relationship between the force on the measured ice and the rows of ice pieces in front. The experimental results showed an almost linear increase in force, which was not fully captured in the numerical simulations. Further investigation is required to enhance the accuracy of the numerical simulation and estimate the power requirements for polar ships.

2023年5月30日(火)13:00〜15:00 [担当 大島研]
Yan Chen(東大生研大島研)
「Statistical and morphometric analysis of cerebral major arterial shapes and corresponding fluid numerical investigation」
Medical imaging homogeneity in data science often results in the inter-data variances compared to the data volume, creating challenges for data-driven methodologies in medical data analysis. Furthermore, regarding category of aneurysm characterized by high mortality rates and its detection, the disease's etiology exhibits a clear correlation with distinctive hemodynamic features. An abnormal high wall shear stress can inflict damage upon the endothelial cells lining the vascular walls, leading to aneurysm formation . However, akin to the challenges associated with medical image analysis, a patient-specific fluid simulations requires substantial time and computational resources. Therefore, this study employs a statistical approach combined with blood flow simulation. This study employs a Geometric Morphometrics approach for geometric analysis of cerebral major arteries which comprise the internal carotid artery and the middle cerebral artery. Our study consists of three aspects;1) quantify differences, 2.)classify vascular shapes, and 3) parameterize vascular geometry using principal components (PCs). As a result of statistically classification of ICA geometry and the following simulations, the vascular geometry with the v shape showed the higher wall shear stress than other geometry classifications ,which may lead to high possibility of aneurysm formation.

2022年度

2023年1月17日(火)13:00〜15:00 [担当 長谷川研]
長谷川洋介(東大生研)
「Application of Reinforcement Learning to Control of Wall Turbulence for Reducing Skin Friction Drag (壁乱流摩擦抵抗低減制御への強化学習の応用)」
Control of turbulence is still a challenging task due to its strong non-linearity and multi-dimensionality. So far, control strategies have been proposed based on either researchers’ physical insights into turbulence or control theory. As for the latter approach, although remarkable control effects have been achieved, their control mechanisms are not necessarily easily interpreted by humans. On the other hand, the former approach is also restricted by the lack of human understanding of turbulence. Recently, reinforcement learning has attracted attention as a method for systematic automatic search for effective control policies. However, existing applications of reinforcement learning are still limited to low-dimensional problems. In this talk, we first apply reinforcement learning to wall turbulence for reducing skin friction drag. It is demonstrate that the obtained policies achieve higher drag reduction rates than that obtained by the conventional opposition control, which applies wall blowing and suction so as to suppress the wall-normal velocity fluctuation at a certain distance from the wall.

2022年11月15日(火)13:00〜15:00 [担当 半場研]
半場藤弘(東大生研)
「乱流の非局所的な渦拡散モデル」
乱流中の温度などのスカラー量の数値計算に渦拡散モデルがよく用いられる。このモデルは空間や時間について局所的なモデルである。以前筆者はスカラーのグリーン関数を用いて非局所的な渦拡散表現を導出し、チャネル乱流について数値的に調べた。本研究では、あらためて非一様な平均スカラー場を伴う一様等方乱流のDNSを行い、空間について非局所的な渦拡散表現の検証を行なった。また非局所効果による逆勾配拡散現象などについて考察した。さらに2点速度相関を用いて非局所渦拡散率のモデル化を試みた結果について報告する。

2022年9月20日(火)13:00〜15:00 [担当 加藤研]
廣瀬健一(東大生研加藤研)
「乱流境界層中に置かれた前方ステップまわりの流れから発生する空力音に関する研究」
自動車の車体まわりのはく離再付着流れから発生する空力音のメカニズム解明および予測手法や低減手法の開発は,工学的に重要な課題である.本研究では,自動車のフロントピラーまわりの流れを2次元的に模擬した,乱流境界層が流入する前方ステップまわりの流れを対象とし,流れと発生する空力音の特性解明を目的に風洞実験と数値解析により調査した.主要な音源を同定するとともに,音響解析の結果,高周波ほど音の指向性が強いことから,前方ステップまわりの流れから発生する音の非コンパクト性を確認した.

2022年7月13日(水)13:00〜15:00 [担当 大岡研]
林 超(東大生研大岡研)
「マルチフィジックスを考慮した市街地拡散予測手法の開発」
現在の計算流体力学(CFD)を用いた汚染物質拡散の予測手法では汚染物質をパッシブスカラーと見なすことが多い。しかし、汚染物質は自身の物理的特徴および拡散を伴う変質・除去により、パッシブスカラーと全く異なる拡散性状を示す。また、拡散予測のモデリング手法に関して、従来は流れ場からの影響が重視されているが、古典的な拡散理論によれば汚染物質の拡散性状も乱流濃度拡散に大きな影響を与える。そこで、本研究はガスの化学反応および粒子の動力学を考慮した汚染物質の拡散およびRANSオイラー法での濃度拡散モデルに着目した。CFDと化学モジュールとを連成し、ストリートキャニオンにおける汚染物質の拡散解析を行った。連成手法による予測結果は従来の反応しないと見なす手法より、より実測値に近い値を与えた。さらに、二次粒子の生成が粒子の化学組成と粒径分布に与える影響を検討した。また、乱流拡散リミッターに関して乱流境界層と複雑市街地における拡散での有効性を検証した上、発生源付近の乱流シュミット数が従来の定義による値の3倍ほどに達することを確認した。

2021年度

2022年2月8日(火)13:00〜15:00 [担当 北澤研]
周 金コン(東大生研北澤研)
「海洋モデルに統合するためのCFD手法を用いた養殖生簀の抗力係数の改良」
海面養殖の持続可能な発展を支えるために、環境解析を行うための数値計算は有力な方法の一つである。通常、生簀による抗力を海洋モデルで考慮する場合、生簀を空間的に解像できず、マクロな抗力係数を与えなければならない。また、最新の研究では生簀を空間的に解像して抗力係数が推定されたが、生簀網の変形による影響がまだ検討されていない。本研究では、海洋モデルにその影響を導入するために、次の2点を試みた。まず、生簀網の変形をCFD手法で再現し、生簀網の形状変化が流れ場に与える影響を調べた。その結果、生簀網の変形により、後流域に集中した網による流れ場への抗力が増加し、流速が大きく低下する様子が再現され、実験結果とも一致していた。次に、生簀網の変形を考えたうえで、海洋モデルに組みこむための抗力係数を推定した。しかし、生簀網の変形に関するパラメーターなどの検討が不十分であり、さらなる改善の余地があると考えられる。

2021年12月7日(火)13:00〜15:00 [担当 大島研]
夏目拓也(東京都市大)
「脳動脈瘤塞栓術を対象とした塞栓材注入シミュレーション」
日本人の死因上位にある脳血管疾患の中でも,クモ膜下出血は発症すると致命率が50%と非常に高く,脳動脈瘤が破裂しないように手術する必要がある.術式は主としてクリッピング術とコイル塞栓術の2種類であり,日本では患者の状態によって適宜選択されるが,脳動脈瘤の形状や大きさによってはどちらの術式も治療効果が低い場合がある.一方,海外では化学的硬化特性を持つ液体で塞栓する液体塞栓術も使用されている.液体塞栓術は,液体を用いて瘤を塞栓するため歪な形状や巨大な瘤に対して高い治療効果が期待されるが,瘤内の血流で塞栓材の一部が流出して,末梢血管などを塞栓する危険もある.
そこで本研究では,液体塞栓術の安全性検証のためにCFD (Computational Fluid Dynamics)によるシミュレーションを行う.シミュレーションの精度検証のために,塞栓材を水槽に注入する物理実験の液滴生成過程とシミュレーションの液滴生成過程を比較する.液滴生成過程におけるトポロジーの変化と塞栓材や血液が非圧縮性流体であることを考慮して解析にはMPS (Moving Particle Semi-implicit)法という粒子法を用いる.また,カテーテルから塞栓材を注入する過程で塞栓材がカテーテルの先端に濡れ上がる現象が確認されている.従来手法では濡れ上がり現象を表現するためには予め濡れ角が既知でなければならないが,本研究では新たに付着濡れと拡張濡れを用いることにより濡れ角が未知の場合でも濡れ性を表現できる手法を提案する.
本手法を用いることで,液滴はカテーテルの先端に濡れ上がり,物理実験と同様な液滴生成過程を再現することが可能となった.

2021年11月9日(火)13:00〜15:00 [担当 大岡研]
周 K(東大生研大岡研)
「深層学習を用いた高速かつ高精度な室内気流予測」
建築環境工学の分野では、室内環境の高速かつ高精度な予測が、エネルギーシミュレーション、空調システムのリアルタイム制御、および逆問題解析などの実応用において極めて重要です。これらの応用に向け、本研究では、深層学習ニューラルネットワークに基づく高速度・高精度な室内環境の予測手法を提案しました。該当手法では、数値流体力学CFDシミュレーションによって生成された少量の訓練データを利用し、ニューラルネットワークを訓練します。訓練されたニューラルネットワークは未知の室内気流と温熱分布を瞬時に予測することが実現しました。応用例として、エネルギーシミュレーションツールとの連成解析フレームワークを提案し、実装しました。従来のCFDとエネルギーシミュレーション連成解析と比べて計算効率が大幅に高くすることが可能になり、建築の設計段階において、より省エネ・快適な室内環境の実現に役割を果たすと期待されます。

2021年10月12日(火)10:00〜12:00 [担当 長谷川研]
Prashant Kumar(東大生研長谷川研)
「On transitional characteristics behind surface mounted bodies in presence of impinging shear flow」
Three-dimensional numerical investigations have been carried out in flow past finite-height cylinders mounted on a horizontal plate surface in the presence of incoming nonuniform shear flow. Wake dynamics have been presented in subcritical and supercritical ranges of the aspect ratio of the cylinder. Three different vortex shedding regimes, viz., steady flow, symmetric and asymmetric modes of vortex shedding, are investigated based on the values of Reynolds number and shear intensity. Transition in vortex shedding modes with change in shear intensity has been illustrated with the help of snapshot-based technique, named ‘Dynamic Mode Decomposition’ (DMD). Hilbert Huang transformation (HHT) has been used to decompose complex nonlinear and nonstationary time signals in the wake into different components of varying frequency and amplitude over time. The qualitative aspect of the wake nonlinearity is presented with the help of Hilbert and marginal spectra. Nonlinear fluctuations in the wake are quantified in terms of degree of stationarity. Recurrence analysis has been used to examine periodic/ aperiodic wake oscillations using transverse velocity signal. The recurrence structures in the recurrence plot are analyzed to reveal the complexity and nonlinearity associated with the wake flow. Nonstationarity and level of wake synchronization have been examined using cross-recurrence analysis (CRA).

2020年度

2021年1月18日(月)14:00〜16:00 [担当 半場研]
稲垣和寛(東大生研半場研)
「安定化混合SGSモデルにおける様々なスケール相似項の物理的役割」
小スケール渦を粗視化し,大スケールの運動のみを解くlarge-eddy simulation(LES)では,グリッドスケール以下(subgrid-scale)の流体運動の効果をモデル化する必要がある.こうしたモデルをSGS乱流モデル,もしくは単にSGSモデルと呼ぶ.理想的なSGSモデルを考えると,粗い格子であってもモデルが性能を発揮し,平均速度や乱流強度を定量的に良く再現することを期待する.しかしながら,渦粘性モデルをはじめとした従来のSGSモデルでは,特に壁近傍の渦運動を再現するためには格子解像度に制限がかかる.
 近年,スケール相似項を数値的に安定な形でモデルに取り入れる安定化混合SGSモデルが提案されている[K. Abe, Int. J. Heat Fluid Flow Vol.39, 42 (2013); M. Inagaki and K. Abe, Int. J. Heat Fluid Flow Vol.64, 137 (2017)].安定化混合モデルは,従来のSGSモデルと比べて粗い解像度でも直接数値計算と定量的に良い一致を示す.しかしながらその物理的機構に関しては不明瞭な点が多く,モデルの妥当性を検証する必要がある.我々は,安定化混合モデルにおけるスケール相似項の物理的役割を明らかにするために,Reynolds応力のスペクトル分解を実行し,その収支式を解析した.その結果,スケール相似項によって表現されたSGSの乱流場の非等方性が格子で解像している最小スケールの乱流運動を活発に生成する役割を担っていることが分かった.こうした物理機構は,低解像度でも有用なSGSモデルを構築するための重要な指針となると考えられる.

2020年11月10日(火)13:30〜15:30 [担当 加藤研]
加藤千幸(東大生研)
「High Performance Computing and Its Industrial Applications in Fugaku Era」
Most industries are currently using the time averaged turbulent flow simulation, called RANS, for the development as well as for the evaluation of their flow-related products. RANS is a model-based simulation of turbulent flows and the optimum model depends on the individual flow. For this reason, RANS can never become a complete alternative to the tests made for the final evaluation of a product. On the other-hand, the Large Eddy Simulation, hereafter abbreviated as LES, directly resolves turbulent eddies in the production scale and provides accuracy compatible with the Direct Numerical Simulation (DNS) all the times. However, LES requires billions of computational grids for its application to a high Reynolds number engineering flows, which was not feasible in the past. On the other hand, recent progress of the high-end computer performance is going to make such simulations that use billions of grids, practical. With all of these in mind, we have fully optimized our flow solver, named FrontFlow/blue, to substantially shortened the time needed for such an LES of a high Reynolds number engineering flow. As a result, we have achieved 35 times speedup of our solver and a parallel computing efficiency of over 85% by using approximately 3 million compute cores of Fugaku, the next flagship computer of Japan. In this presentation, I will briefly review the features of our flow solver, describe the code optimization that has resulted in such a remarkable performance improvement, and explain several engineering applications of LES, which I believe will help the audience develop future vision of the computer aided engineering (CAE). I will also elaborate lessons learnt from our long-time experiences of the development, optimizations, and applications of the flow solver. Finally, I will conclude my talk by providing some personal perspectives of this field.

2020年9月14日(月)13:30〜15:30 [担当 大岡・菊本研]
張 秉超(東大生研大岡研)
「固有直交分解に基づいた建物周りの乱流構造解析及び都市風環境改善への応用」
風環境や風工学の分野で、乱流の中から主な流れパターンを識別することは、歩行者レベルの風の制御や建物表面の風圧の評価にとって非常に重要である。しかし、その研究対象とする建物の周りの流れは、通常極めて高いレイノルズ数の乱流である。計算流体力学(CFD)または風洞実験は、詳細で大量の流れ場データを提供できるが、データのもつ高次元性はしばしば可視化または結果の解釈に困難をもたらす。そこで本研究では、SPOD (spectral proper orthogonal decomposition)と呼ばれる解析手法を利用し、建物周りの乱流構造を分析した。様々な乱流構造は流れ場から抽出され動画で展示し、それらの主な周波数及び強さを定量的に計算した。さらに、得られた結果に基づいて定量的に風環境分析手法を開発し、敷地内の強風を引き起こす主な乱流構造を指摘することを目指す。

2020年7月8日(水)13:30〜15:30 [担当 長谷川研]
伊藤宗嵩(東大生研長谷川研)
「大きな空間スケールを有する壁面吹出し・吸込みを用いたチャネル乱流の最適制御」
随伴法に基づく乱流最適制御は、他の制御手法に比べ圧倒的に高い制御効果を有する。一方、得られる最適制御入力は、瞬時の流れ場に大きく依存した複雑な時空間分布を示すことが多く、制御メカニズムの解明や、普遍的な制御指針の抽出が困難しい。そこで本研究では、壁面吹出し吸込みによるチャネル乱流抑制問題において、制御入力を大きい波長スケールのみに制約した最適制御を行うことで、最適制御メカニズムの解明と新しい実用的乱流制御則の構築に対する新たなアプローチを試みる。本セミナーでは、制御効果のカットオフ波長に対する依存性と、得られた制御入力の乱流抑制メカニズムに関して検討した結果について報告する。

2019年度

2020年1月16日(木)13:30〜15:30 [担当 北澤研]
周 金コン(東大生研北澤研)
「東日本大震災後の女川湾の生態系シミュレーション」
女川湾では、東日本大震災時にほとんどの養殖設備が破壊されたが、その後養殖活動が復旧し、現在は震災前に近い状況となっている。その間、東北大学では環境モニタリングを実施してきたが、養殖業と周辺環境との相互作用を明らかにするため、本研究では流れ場・生態系結合数値モデルと、高次生態系モデルであるEcopathモデルを組み合わせて、環境モニタリング結果を再現するとともに、物質循環の解析を行ったので、その概要を紹介する。

2019年11月18日(月)13:30〜15:30 [担当 大島研]
伊井仁志(首都大学東京)
「全脳血液循環の大規模数値解析と個別血流場の再現に向けたデータ同化アプローチ」
脳循環の特徴的な機構として,平均動脈圧に依らず一定の血流量が保たれる脳血流自動調節(cerebral autoregulation)がある.これは,脳組織への安定した酸素供給という生物学的な機能面に由来するものであるが,複雑な経路構造を持つ脳血管網において,どのようにしてロバストかつ安定に,また冗長性を持ってそのような機構が成り立っているか,本質的な物理メカニズムは明らかではない.我々は「富岳」を用いて全脳レベルでの血液循環を数値再現しそのメカニズム解明を目指している.本発表では,全脳規模での脳血流解析モデルおよび「京」を用いた数値解析例を紹介する.これに加え,脳血管障害を引き起こす流体力学的要因の解明に向けた取り組みとして,個別血流場の数値再現に向けたデータ同化アプローチを紹介する.

2019年9月9日(月)13:30〜15:30 [担当 半場研]
半場藤弘(東大生研)
「チャネル乱流のエネルギー逆カスケードと渦構造」
チャネル乱流の直接数値計算のデータを用いてスケール空間のエネルギー輸送を調べるとほとんどは順カスケードを示すが、スパン方向の速度成分のエネルギーについては壁面近くで逆カスケード、すなわち小さいスケールから大きいスケールへのエネルギー輸送が見られる。この逆カスケードに着目し、サブグリッドスケールのエネルギーの生成項に基づいた条件付き平均を行い、壁近くの渦構造を抽出する。そして縦渦構造による乱流の維持機構との関連を考察する。

2019年7月8日(月)13:30〜15:30 [担当 加藤研]
山出由伸(東大生研、みずほ情報総研)
「ポンプ吸込み水槽に発生する吸込み渦のLES解析」
大規模長時間のLES解析により、吸込み水槽に発生する吸込み渦の起源を同定するとともに、吸込み渦が形成される詳細なメカニズムを明らかにした。さらに、吸込み渦が持っている初期のスワール数の違いにより、渦の成長過程が大きく変化することを発見した。

2019年5月13日(月)13:30〜15:30 [担当 大岡・菊本研]
韓 梦涛(東大生研大岡研)
「格子ボルツマン法を用いた建物内外気流解析手法の開発」
本研究は、近年工学分野において注目されている新たな解析手法である格子ボルツマン法 (LBM) に着目し、建築・都市風環境に適用する解析手法を開発するものである。先ず、LESを組み込んだLBM(LBM-LES)を用いて三次元天井駆動キャビティ流れ、等温条件下の室内流れ、単体建物周辺流れの検討を行った。さらに、壁面近傍の解析精度の向上を目指し、LBM-LESにおいて壁面の境界条件に対して壁関数(Spalding’s law)の開発を行った。最後、壁面近傍におけるSubgrid-scale粘性の減衰挙動を再現できるため、LBM-LESにおいてWall-Adapting Local Eddy (WALE) viscosity modelの組み込みを実施した。今回の発表では上記の成果について報告するとともに、本研究の今後の展望についても紹介する。

2018年度

2019年1月29日(火)13:00〜15:00 [担当 加藤研]
小林典彰(東大生研加藤研)
「流入乱れを有する翼周りの流れと発生する空力騒音に関する風洞実験と流体音響解析」
小型ファンや大型風車などターボ機械の翼から発生する空力騒音が課題となっている.そのため,空力騒音の発生メカニズムを明らかにすることが工学的に重要である.一般に,単独翼から発生する空力騒音は,翼周りに発達する乱流境界層と後縁の干渉によって発生する広帯域騒音の乱流境界層・後縁騒音が支配的であることが知られている.さらに,大気境界層に置かれた場合や上流障害物などが存在するケースでは,それらの気流中に存在する乱れ(渦)が翼の前縁と干渉し,発生する騒音に大きく影響することも明らかになっている.本研究は,乱れのある流れの中に置かれた2次元対称翼NACA0012に対して,風洞実験,Large Eddy Simulationによる数値流体解析および翼面圧力変動とLighthillテンソルを用いた分離解法による音響解析を行い,翼周りの流れと発生する空力騒音の関係について調べた.

2018年11月13日(火)13:00〜15:00 [担当 大島研]
ユン チャンヨン(東大生研大島研)
「腹腔動脈狭窄時における膵十二指腸アーケードの血管リモデリングに関する数値解析」
肝臓,胃,脾臓に動脈血を届ける血管である腹腔動脈は,血管狭窄の好発部位である.また,狭窄時には膵十二指腸アーケードの拡張による側副血行路の発達をもたらすことが知られている.このような,血管リモデリングに伴う血行動態の変化は,腹部の手術において考慮すべき重要な要因であるにも関わらず,明らかになっていない.そこで,本研究では,動脈網のリモデリングを解析するための手法を開発し,膵十二指腸アーケードの血管リモデリングが内臓への血液供給に及ぼす影響を調べた.本セミナーでは,その解析結果を紹介するとともに,結果の臨床的意義について考察する.

2018年9月18日(火)13:00〜15:00 [担当 北澤研]
川村隆文(株式会社数値流体力学コンサルティング)
「CFDによる船舶とプロペラ周りの流れにおけるレイノルズ数影響の検討」
通常、船舶やプロペラの実船状態の性能は、模型による水槽試験結果からレイノルズ数の違いの影響を経験的な手法により修正することにより求められている。CFD計算による推定も行われるが、多くの場合水槽試験の代替として水槽試験状態の計算が行われ、現状では実船状態の計算はほとんど行われていない。しかし、現在の実船性能推定手法は過去のデータに基づいているため、過去に例が少ない新しい設計について十分な信頼性があるのかという疑問が当然ある。最近採用されることが多い、小面積プロペラや船尾周りの省エネデバイスなどはレイノルズ数の影響を特に強く受けると考えられており、従来の実船性能推定手法の限界が意識される場面が増えている。実船状態の船体やプロペラの性能に関する知見を深めるためには、実船における流場計測および推力とトルクの測定や、より高いレイノルズ数で水槽試験を行うことなどが考えられるが、それぞれ様々な制約があるので、ここでは粘性流体の数値シミュレーション(CFD)によって検討を行った結果を報告する。

2018年7月3日(火)13:00〜15:00 [担当 半場研]
稲垣和寛(東大生研半場研)
「回転系乱流における非勾配拡散的エネルギー輸送とヘリシティを用いたモデリング」
従来の乱流モデルでは、乱流エネルギーやReynolds応力のフラックスについてしばしば勾配拡散近似が用いられる。しかしながら、系の回転を伴った乱流場においては勾配拡散的な描像よりも急速な乱流エネルギーの輸送が起こることが実験や数値計算で知られている。本研究では系の回転に伴った乱流エネルギーの急速な輸送について、新たな乱流モデルを提示する。提示されたモデルはヘリシティを用いて記述されており、線形波動理論との対応関係が示される。また、回転系で非一様性を伴った単純な減衰乱流の直接数値計算を実行し、モデルの定量的な評価を試みる。さらに、本研究で注目している回転に伴った急速なエネルギー輸送効果の存在を先天的に把握するための無次元パラメータとしてHelical Rossby数を提案し、考察する。

2018年5月29日(火)13:00〜15:00 [担当 大岡研]
韓 梦涛(東大生研大岡研)
「屋外流れのLESにおける格子ボルツマン法の検証」
近年、格子ボルツマン法(Lattice Boltzmann Method, LBM)を用いた屋外気流解析例が報告されている。本研究では、単体高層ビル周辺流れを対象としてLESが組み込まれたLBM (LBM-LES) および有限体積法 (FVM-LES) を用いた解析を実施し、LBM-LESの予測精度の検証、及びFVM-LESとの一致性の検討を行う。また、両手法の計算速度と並列計算性能の比較を行う。結果としては、屋外乱流環境においてLBM-LESがFVM-LESと同様な予測精度を与えられるが、LBM-LESにおいて減衰関数と壁関数の欠缺のためにFVM-LESより高い格子解像度が必要である。更に、LBMにおけるMRTは、SRTの数値振動を改善する。計算性能の方、LBM-LESは、より優れた並列計算性能が表現し、同じ解析精度の場合にFVM-LESより大きい計算速度を与える。
「Validation of lattice Boltzmann method with large-eddy simulation in the outdoor turbulent flow」
In recent years, applications of outdoor airflow simulation using the Lattice Boltzmann method (LBM) have been reported. In this study, simulations of the flow around a high rise building, were respectively implemented by employing LBM (LBM-LES) and the finite volume method (FVM-LES) with the large-eddy simulation, aiming to verify the prediction accuracy of LBM-LES and investigating its consistency with FVM-LES in the outdoor turbulent flow environment. Their computational speeds and parallel computation performances were also compared. The results demonstrate that LBM-LES can achieve the same level of prediction accuracy as FVM-LES in the outdoor flow, but requires grids half the size of FVM, partially due to the absence of the damping function and wall function in the LBM-LES. In the LBM-LES, the MRT decompensates the velocity oscillations occurred in the SRT. The computational speed of LBM-LES is larger than the FVM-LES under the same level of results accuracy, crediting the more outstanding parallel performance of LBM-LES.

2017年度

2018年1月16日(火)13:30〜15:30 [担当 北澤研]
楊 ヨ(ボッシュ株式会社)
「A novel CFD approach for an improved prediction of particulate emissions in GDI engines by considering the varying piston surface temperature」
The emission of particulate matter from future gasoline direct-injection (GDI) engines has to be optimized, to comply with more stringent emission standards such as EU6. Therefore, the mechanisms responsible for the formation of particles have to be analyzed in detail. From earlier investigations it is well-known that the deposition of liquid fuel wall films in the combustion chamber is a significant source of particle formation in GDI engines. Capturing the detailed dynamics of the deposited liquid fuel is therefore a key feature for the correct prediction of soot generated in a GDI engine. In a previous study particularly the wall surface temperature and the temperature drop due to the interaction with liquid fuel spray were identified as important parameters influencing the spray-wall interaction and thus the wall film formation. Nevertheless, in conventional CFD models, the cooling of wall surfaces due to interaction with liquid fuel spray cannot be captured because of an assumed constant wall temperature over the whole engine cycle. In this case, the calculated wall film mass is considerably too small. For this reason, the previously developed approach of calculating heat conduction in thin walls was extended to moving meshes, enabling the CFD calculation to consider the temperature drop due to the spray-cooling in engine calculations. Additionally the validation of the aforementioned novel CFD approach with surface temperature measurements on the piston of a fired, optically accessible, single-cylinder engine will be shown. In summary, this study will reveal that with this improved and validated CFD approach the impacts of different parameters influencing the mixture formation and combustion in GDI engines. Thus the prediction of particulate emissions by numerical simulation in a GDI engine could be improved considerably, gainfully supporting the combustion system development of GDI engines.

2017年11月28日(火)13:30〜15:30 [担当 加藤(千)研]
鵜沢憲, 加藤千幸(東大生研)
「統計則を使用しないLES壁面モデルの検討」
産業界におけるLESの実用化をさらに加速するためには、高い予測精度を担保したまま何らかの手段で計算格子数を減らす工夫(LES壁面モデル)が必要不可欠である。これまでのほとんどのLES壁面モデルにおいては瞬時場が何らかの統計平均則に従うという仮定を課しているが、我々は予備的検討により簡易形状周りの流れ場においても必ずしも上記の仮定が成り立つわけではないという結果を得た。そこで我々は、乱流渦構造に対する非定常なフィードバック力に着目した、統計平均則を使用しないLES壁面モデルを開発することとした。本研究ではその第一報として、格子解像度が乱流渦構造の挙動や運動量輸送過程に与える影響について報告する。

2017年9月19日(火)13:30〜15:30 [担当 大島研]
大島まり(東大生研)
「予測医療のためのマルチスケール血流シミュレーション −不確かさの評価と予測精度の検証−」
動脈硬化症による頸動脈の狭窄は,脳梗塞等の脳血管障害を引き起こす主な原因である.特に重度な狭窄の場合には手術により,リスク回避の処置がとられることが多く,近年ではステント留置手術などの血管内治療が増加している.血管内治療は低侵襲であることから,患者の身体的な負担の軽減という利点を持つ反面,脳内出血や再手術などのリスクがある.そこで,血管内治療が脳内の血流に与える影響を事前に予測することは重要である.本セミナーでは,MRA,CT あるいは SPECT などの患者個別の医用画像や医療計測データと血流シミュレーションを融合することにより,患者個別に対応した予測医療のための支援システムの開発について紹介する.実際の患者のデータを用いて,動脈ステント留置手術における術前・術後の脳内の血流変化のシミュレーションを通して.医用画像の不確かさがシミュレーション結果の予測精度に与える影響を検証する.

2017年7月18日(火)13:30〜15:30 [担当 大岡研]
菊本英紀(東大生研)
「随伴方程式とベイズ推定による環境汚染物質の発生源同定に関して」
建築・都市空間内において、ある環境汚染物質の濃度が検出された場合、迅速にその物質の発生源を特定できれば、同物質による被害低減のための効果的な対応が可能となる。本発表では、定常乱流拡散場における濃度の随伴方程式とベイズ推定を組み合わせた発生源同定手法を紹介するとともに、発生源以外にも推定パラメータを拡張して行った解析事例を報告する。

2017年5月16日(火)13:30〜15:30 [担当 長谷川研]
Tamer Zaki (Johns Hopkins University)
「Interfaces in transitional and turbulent boundary layers」

2016年度

2017年1月16日(月)13:30〜15:30 [担当 半場研]
半場藤弘(東大生研)
「円管内旋回乱流におけるレイノルズ応力の履歴効果」
渦粘性モデルは乱流の予測に広く用いられるが、予測精度が低い流れの一つとして直円管内の旋回乱流がある。円管の上流で旋回を加えると、軸方向の速度の分布は円管中心軸付近で凹みが生じ、通常の円管内流れと異なる分布を示す。これを渦粘性モデルで計算すると、実験に比べてずっと早く下流で旋回が減衰し凹みが消えてしまうことが知られている。本研究ではレイノルズ応力方程式モデルを流体粒子の軌跡に沿って積分し、時間的に非局所的な渦粘性モデルを示す。旋回に伴う履歴効果によって実効的に渦粘性が減少し、旋回がゆっくり減衰することを説明する。

2016年11月29日(火)13:30〜15:30 [担当 長谷川研]
Davide Gatti(東大生研長谷川研)
「Theoretical and practical challenges in turbulent skin-friction drag reduction」
Reducing the skin-friction drag in turbulent flows is a potentially rewarding engineering goal, which promises both large economical savings and environmental benefits in the transport industry. Despite sizeable effort has been spent in the last decades to develop methods to reduce friction drag and to understand their working principles, turbulent skin-friction drag reduction has not been extensively achieved in industrial applications. The challenges which hinders the further development of strategies for turbulent drag reduction are not only of practical nature - the spatial and temporal requirements for actively controlling turbulence are extremely demanding - but also of theoretical and fundamental nature, related to our limited understanding of the machanisms which yield to drag reduction and of turbulence itself. In this respect, turbulent skin-friction drag reduction can be considered as a useful tool to inspect the physics of turbulence, as suggested by Clauser in the 50s. In the present talk, I will present some of the open questions in the field of turbulent drag reduction via active means, which range from the efficient implementation of control strategies to more fundamental questions, such as weather the goal of reducing drag can be achieved at all at high values of the Reynolds numbers, or the underlying physics of drag reduction achievable via some particular promising techniques.

2016年9月26日(月)13:30〜15:30 [担当 加藤(千)研]
山出吉伸(みずほ情報総研、東大生研加藤(千)研)
「ポンプ吸込水槽に発生する吸込渦の発生消滅メカニズム」
ポンプ吸込水槽に発生する吸込渦の数値予測手法の確立を最終目標にポンプ吸込水槽および簡易計算モデル内の吸込渦を対象とした非定常流れ計算を実施した。ポンプ吸込水槽の流れ計算では吸込渦の発生・消滅を複数回再現する長期間計算を実行しこれらを詳細に分析することにより吸込渦の起源を明らかにした。簡易計算モデルの流れ計算では、吸込渦の渦コア半径、中心圧力等を定量的に予測するための条件を調べるとともに渦コアの発生条件・発生メカニズムを明らかにした。

2016年7月5日(火)13:30〜15:30 [担当 大島研]
張 浩(東大生研大島研)
「Development of an integrated patient-specific 1D-0D simulation system for prediction of CHS」
Surgical revascularization such as carotid endarterectomy (CEA) or carotid artery stenting (CAS) is widely used as treatment for ischemic cerebrovascular diseases. As one of surgical complications, cerebral hyperperfusion syndrome (CHS) can leads to significant mobidity. Due to the limitation in resolution of medical images, it is difficult to measure the hemodynamics in the cerebrovascular system which is considered to be a major factor of initiation of CHS. The authors have been developing a numerical method to predict the hemodynamics such as flow rates and blood pressures in the cerebrovascular system after the surgery using the 1D-0D simulation. The simulations for CAS was conducted using the patient-specific data of pre-surgery, and the results were compared to those of patient data after the surgery in order to investigate a possibility for prediction of CHS.

2016年5月16日(月)13:30〜15:30 [担当 大岡研]
中島慶悟(東大生研大岡研)
「LESデータベースを用いた都市キャニオン流れにおける乱流フラックスのモデル化に関する検討」
本研究では都市気流を対象としたLESデータベースを作成し、その結果を用いてRANSモデルの評価、開発を行っている。まず、LESデータベースを用いて中立条件下の都市キャニオン流れにおけるレイノルズストレスのモデル化について検討した。さらに、温度成層下の都市キャニオン流れについてLESデータベースとRANSモデルの解析結果を比較し、温度成層がRANSモデルの予測精度に与える影響について考察した。今回の発表では上記の成果について報告するとともに、本研究の今後の展望についても紹介する。

2015年度

2016年1月19日(火)13:30〜15:30 [担当 北澤研]
北澤大輔(東京大学生産技術研究所)
「潮・海流発電施設の海洋環境への影響に関する数値シミュレーション」
近年、潮流や海流を用いた発電が世界各国で試みられ、商業化に向けた実海域試験が行われている。一方で、潮流発電や海流発電によって、流れ場や生態系の変化が懸念されている。これらの変化は小さいと予想されるが、長期的には周辺の海洋環境に影響を及ぼす可能性があるため、数値シミュレーション等によって事前に影響を予測しておかなければならない。特に、装置近傍のみでなく、遠方への影響を把握することも重要である。本定例会では、潮流発電や海流発電の環境アセスメントのレビューおよび数値シミュレーションを用いた予測例について紹介する。

2015年11月17日13:30〜15:30 [担当 半場研]
横井喜充(東京大学生産技術研究所)
「乱流モデルによる天体物理現象へのアプローチ」
巨大なReynolds数が示す強い非線型性と、速度シアや磁場・密度変動などに代表される大規模場の非一様性とは、天体現象での流れの普遍的性質である。非線型で非一様な流れ場を解析する強力な手段に乱流モデリングの方法がある。通常の流体乱流でも見られる平均とゆらぎの相互作用に加えて、天体現象の乱流には幾つかの重要な特徴がある。系の回転や磁場がもたらす対称性の破れに起因する乱流輸送の促進と抑制のダイナミクスは最も顕著な特徴である。天体物理現象を正しく記述するためには、乱流モデルがこれらの特徴を組み込んでいる必要がある。乱流モデルを天体物理現象へ応用した幾つかの例(太陽風乱流、磁気リコネクション、太陽活動周期のダイナモ)が示される。
「Turbulence modeling approach to astrophysical flow phenomena」
Vigorous nonlinearity represented by huge Reynolds numbers and strong inhomogeneities of the large-scale fields such as the velocity shear, non-uniform magnetic field, density variation, etc. are very ubiquitous properties of astrophysical turbulent flows. Turbulence modeling approach provides a very strong tool for analyzing such nonlinear and inhomogeneous flows. In addition to the mutual interaction between the mean and fluctuation, as is present in the usual hydrodynamic turbulent flows, there are some features in the astrophysical ones. A prominent feature may be the dynamics between the turbulent transport enhancement and suppression due to the symmetry breakage arising from the rotation, magnetic field, etc. In order to treat astrophysical flows properly, such features should be incorporated into the astrophysical turbulence models. Some illustrative applications of turbulence models to the astrophysical phenomena are discussed, which include solar winds, magnetic reconnection, and solar-activity cycle.

2015年9月29日13時〜15時 [担当 加藤(信)研]
加藤信介(東京大学生産技術研究所)
「Urban wind environment and its impact on indoor environment - Acceptable wind features of void space surrounded by buildings」

2015年7月21日(火)13時〜15時 [担当 長谷川研]
亀谷幸憲(東京大学生産技術研究所)
「壁面一様吹出し・吸込みによる空間発達乱流境界層の制御」
航空機や交通車輛の流体抵抗低減を達成するため、機体表面に生じる乱流境界層の制御が研究されている。近年、乱流境界層において、壁面からの吹出し・吸込みがそれぞれ摩擦抵抗低減及び乱流遷移の抑制効果を有することが知られている。本研究では、一様吹出し・吸込みを伴う空間発達乱流境界層の数値シミュレーションを行い、吹出し・吸込みの効果を考察する。本講演では、一様吹出し・吸込みによる摩擦抵抗低減・増加のメカニズム及び乱流構造の変化を、それぞれ摩擦の成分分解及びスペクトル解析を用いて考察した結果を示す。

2015年5月26日(火)13時〜15時 [担当 加藤(千)研]
Olivier Pacot (Institute of Industrial Science, The University of Tokyo)
「LES investigations of the unsteady flow field in hydro-turbomachines operating at off-design conditions」
The investigations of two unsteady flows using FrontFlow/blue (FFB) are presented. The first one is the non-cavitating computation of the rotating stall appearing in a pump-turbine. For this case, our interests are multiple. First, can LES provides an accurate prediction of the number of stall cells and their propagation speed? Second, what is the propagation mechanism of those rotating stall cells? The second investigation is the non-cavitating and cavitating vortex rope. For this case, our interest is in the development of a vortex, called vortex rope, downstream a Francis turbine when operated at a part load condition. Can this phenomenon be accurately computed? And is there any effect of the cavitation on the vortex rope?

2014年度

2015年1月20日(火)13時〜15時 [担当 大岡研]
山中徹(鹿島建設技術研究所)
「関東地方の豪雨の発生機構に関する数値シミュレーション」
短時間降雨の発生機構を解明することを目的として、局地的な循環による水蒸気輸送を数値計算によって調査しました。夏季の関東平野では、海風等により都市上空が加湿され、その加湿によって都市域の大気安定度が若干変化することを示します。本報告では局地循環に着目するため、規模の大きな擾乱(台風、前線等)の影響は扱いません。

2014年11月18日(火)13時〜15時 [担当 大島研]
早瀬敏幸(東北大学流体科学研究所)
「複雑な実現象流れの計測融合シミュレーション」
複雑な実現象の流れの状態を正確かつ詳細に知ることが様々な分野で求められている。計測や数値シミュレーション単独では解決が困難であるため、両手法の融合手法が種々提案されている。その中で、計測融合シミュレーションは制御工学におけるオブザーバー理論を流れの数値解析に応用したものであり、実現象の計測データを計算モデルに加えながら非定常数値計算を実行する。フィードバック則が適切に設計されている場合には、計算結果は実現象の流れ場に漸近する。本講演では、計測融合シミュレーションの原理、基礎方程式、流れの数値解析への実装方法、固有値による安定性解析、不安定化現象などの理論的側面について説明した後に、正方形管路内の発達乱流の再現、風洞内に置かれた角柱表面の圧力測定および速度場のPIV計測を用いたカルマン渦列の解析、超音波画像診断装置による計測データを融合した血流解析などの応用例を示す。

2014年9月18日(木)13時〜15時 [担当 北澤研]
広部智之(東大生研林研)
「気液二相流計算による風波波浪場の発展について」
現在の波浪推算モデルは主に、風によるエネルギー流入、波浪成分間の非線形エネルギー伝達、及び砕波などによる散逸の影響を考慮したエネルギー平衡方程式をベースにしている。これらの要素は独立に考慮されているが、それぞれが相互に作用した際の影響はよくわかっていない。本研究ではALE法を用いた気液界面の追跡を行うことで、気層、液層及び界面変動を詳細に解く。風と波浪間相互作用に着目し、波のスペクトルの変化を詳細に解析した。その結果、代表的な波浪間非線形相互作用である4波共鳴と風のシナジー効果によって、波浪場が急速に発達して行く可能性について述べる。

2014年7月22日(火)13時〜15時 [担当 半場研]
半場藤弘(東大生研)
「気液二相流の界面積濃度の輸送方程式のモデリング」
気泡流などの気液二相流を精度良く数値解析するには、気液界面を通じての質量や運動量の輸送を適切に評価することが必要になる。その際、界面積濃 度が重要な量の一つになるため、質量や運動量の保存式に加えて界面積濃度の輸送方程式を立てて数値計算する方法が提案されている。本研究ではその輸送方程式のモデルを改良するため、2スケール乱流理論を二相流に適用して新しいモデル項を導出することを試みる。またチャネル流の予備的な計算を行い、モデル項の効果を考察する。

2014年5月20日(火)13時〜15時 [担当 加藤(信)研]
滝川雅之(海洋研究開発機構)
「都市スケール大気汚染シミュレーションについて」
海洋研究開発機構アプリケーションラボでは、領域化学輸送モデルWRF/Chemを用いて関東域における大気汚染物質の濃度分布予測計算を準現業的に行う、都市スケール化学天気予報システムを2007年より運用している。本システムでは全球の大気汚染物質濃度を水平解像度約280kmの全化学輸送モデルCHASERで計算し、それを側面境界および初期値として日本域15km, 関東域5kmの2段ネストにてWRF/Chemモデルにてシミュレーションを行うものである。都市域での地表濃度の時間変動および空間分布については各地方自治体による一般環境大気測定局による観測値と比較し、海陸風前線の移動に伴う汚染気塊の移動などがモデルでどのように再現できるかを調べた。またつくばにおけるライダー観測結果と比較し、オゾンの鉛直分布および鉛直混合状態について調べた。本講演ではこれらの概要について紹介する。