著者

松永 拓也 柴田 和也 室谷 浩平 越塚 誠一

出版者

日本計算工学会

雑誌

日本計算工学会論文集 (ISSN:13478826)

巻号頁・発行日

vol.2016, pp.20160012-20160012, 2016-05-11 (Released:2016-05-11)

参考文献数

20

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本研究では, 粒子法を用いた非圧縮性流れの数値シミュレーションにおける圧力ポアソン方程式の解法として適するAMG法を用いた線形ソルバーについて検討を行った. 粒子法では, 格子法の場合と比較して, 係数行列が多くの非ゼロ要素をもち, なおかつ, 時間の進行と共に大きく変化することが特徴として挙げられるが, これに即する手法としてPA-AMG法ならびにK-cycleマルチグリッド法をBiCGSTAB法に対する前処理として適用することを考え, 数値実験に基づく性能検証を実施した. 基礎検証として2次元ポアソン方程式にMPS粒子間相互作用モデルを用いて離散化した線形方程式を対象に解析を行った. なお, 擬似乱数を用いることにより粒子分布のばらつきを模擬した. 検証の結果, 対象とする問題サイズに依らずおよそ一定のcoarsening ratio (3.9から4.0) を有する安定なコースグリッド生成が実現された. また, 求解にかかる計算時間について前処理なしBiCGSTAB法と比較したところ, 問題サイズnに対して, 前処理なしの場合ではnの1.5乗に, PA-AMG前処理付きの場合ではnの1乗に比例する傾向を示した. また, n > 10^4では前処理なしBiCGSTAB法より高速であり, n > 10^6では10倍以上の速度が得られた. 実問題に対する有用性を検証するため, MPS法を用いた2次元ダムブレイク問題の非圧縮流れの解析を行った. MPS法の計算において現れる圧力ポアソン方程式の解法として前処理なしBiCGSTAB法とPA-AMG前処理付きBiCGSTAB法を適用し, シミュレーションに要する全体の計算時間の比較を行った. その結果, 検証を行った粒子数範囲 (7000~130万) では総じてPA-AMG前処理付きBiCGSTAB法を用いた場合の方が高速であり, 最大で約16倍の高速化が得られた. 更に, 全体の計算時間に対する圧力ポアソン方程式解法が占める割合は粒子数が大きな問題に対してもおよそ一定に保たれる結果となった. 以上の結果より, PA-AMG法を前処理としたBiCGSTAB法は, 流体シミュレーションにおいて, 粒子分布の不均一化や複雑な境界形状変化に対する堅牢性を有し, 安定して高い計算速度を実現できることから, 粒子法の圧力ポアソン方程式に適する一解法であると結論付けることができた.

著者

山田 祥徳 酒井 幹夫 水谷 慎 越塚 誠一 大地 雅俊 室園 浩司

出版者

Atomic Energy Society of Japan

雑誌

日本原子力学会和文論文誌 (ISSN:13472879)

巻号頁・発行日

vol.10, no.3, pp.185-193, 2011 (Released:2011-08-24)

参考文献数

21

被引用文献数

27 26

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In nuclear engineering, fluid flows involving free surface were well studied, e.g., pipe thinning produced by liquid droplet impingement, and steam explosion triggered by molten metal immersed in water. The moving particle simulation (MPS) method was often used in past studies. In this method, the Poisson equation was solved to obtain the pressure field. Solving the Poisson equation becomes a dominant process. Reducing the time of calculation of the Poisson equation is important for using the CFD in the engineering fields. Thereat, we propose a new MPS method by which the pressure field is calculated explicitly. We call it the explicit (E-)MPS method. The E-MPS method was applied to a static water and dam break problem to show its adequacy. Besides, we compare the calculation time between the E-MPS method and traditional one.

著者

松永 拓也 越塚 誠一

出版者

一般社団法人 日本機械学会

雑誌

日本機械学会論文集 (ISSN:21879761)

巻号頁・発行日

vol.87, no.895, pp.20-00437, 2021 (Released:2021-03-25)

参考文献数

14

被引用文献数

2

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This study concerns the computational accuracy of a particle method for a time-dependent incompressible flow. In recent years, accurate spatial discretization schemes have been developed for a particle method. However, the actual convergence rate in space tends to be much lower than the order of the leading truncation error given by an adopted spatial discretization scheme. This suggests that the Δt-dependent error is comparably significant with respect to the truncation error of the spatial discretization scheme. Under these circumstances, we have developed a new time marching method to improve the computational accuracy by reducing the Δt-dependent error and improving the convergence property. The proposed time marching method is based on the 1st-order fractional step method, just as the conventional methods. However, as opposed to the past studies, the convection term is explicitly included in the provisional velocity calculation, as an Eulerian-based approach. By doing this, the Δt-dependent error caused by the particle movement can be avoided. A numerical test has been carried out using the two-dimensional Taylor-Green vortex problem, where 2nd- and 4th-order spatial discretization schemes are adopted. As a result, the conventional time marching methods gave much lower convergence rate than the order of the spatial discretization scheme. On the other hand, the proposed time marching method showed approximately 2nd- and 4th-order convergence in space with the 2nd- and 4th-order spatial discretization schemes, respectively. Therefore, the proposed method is indicated to highly improve the computational accuracy.

著者

伊藤 広貴 越塚 誠一 芳賀 昭弘 中川 恵一

出版者

日本医用画像工学会

雑誌

Medical Imaging Technology (ISSN:0288450X)

巻号頁・発行日

vol.29, no.4, pp.208-214, 2011 (Released:2011-10-12)

参考文献数

14

被引用文献数

1

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胸郭の運動が一因となり呼吸による肺変形が引き起こされるため,胸郭の時系列の動きを知ることは肺内部の変形シミュレーションをする際に重要な知見となる.そこで,解剖学的知見とCT画像をともに用いる胸郭運動モデルを提案する.肋骨は肋横突関節と肋椎関節を結ぶ軸で回転運動をさせ,各肋骨の回転角度は呼気と吸気時のCT画像から求める.これにより,提案した胸郭運動モデルがポンプハンドル運動とバケットハンドル運動を定性的に再現できることを示す.さらに,呼気と吸気時のCT画像を用いて,提案した胸郭運動モデルにおける肋骨の回転角度算出手法の妥当性を検証する.

著者

原田 隆宏 政家 一誠 越塚 誠一 河口 洋一郎

出版者

一般社団法人 日本計算工学会

雑誌

日本計算工学会論文集 (ISSN:13478826)

巻号頁・発行日

vol.2008, pp.20080016, 2008 (Released:2008-06-06)

参考文献数

27

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本研究ではGraphics Processing Unit (GPU)上での粒子法シミュレーションをさらに高速化する手法を提案する.スライスグリッドは粒子法の計算のボトルネックである近傍粒子探索を効率化するだけでなく,計算効率も向上させるデータ構造であるが,既存研究はグラフィックスAPIを用いた実装を行なっており,一般的なストリームプロセッサ上でも有用であるかは不明確であった.そこで本研究ではまずスライスグリッドをCompute Unified Device Architecture (CUDA)を用いた実装方法を開発し,より一般的なストリームプロセッサ上での実装を示す.また本論文ではデータの時間軸上でのコヒレンシを利用したGPU上でのブロックトランジションソートを提案し,これを用いて粒子法シミュレーションのデータの空間局所性を高めて更なる高速化をはかる.そしてDistinct Element Method (DEM)を本手法を用いて実装し,近傍粒子探索を約3倍高速化し,計算全体では約1.5倍高速化した.

著者

近藤 雅裕 越塚 誠一 滝本 正人

出版者

一般社団法人 日本計算工学会

雑誌

日本計算工学会論文集 (ISSN:13478826)

巻号頁・発行日

vol.2007, pp.20070021, 2007 (Released:2007-08-06)

参考文献数

10

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粒子法は、界面を明示的に追跡することなく自由表面流れの計算ができる.自由表面を含んだマイクロスケールの流れでは、表面張力計算が重要となる.粒子法における表面張力の計算法は2種類計算されている.1つは、連続体力学に基づく支配方程式を離散化するもので、もう1つは、分子間力に似た粒子間ポテンシャル力による方法である.粒子間ポテンシャル力を用いたほうが計算効率はよい.しかし、これまで表面張力係数および接触角との関連が示されていなかった.本研究では、粒子法の1つであるMPS法において粒子間ポテンシャル力による表面張力の計算法を提案する.また、粒子間ポテンシャル力と表面張力係数および接触角との関連を示す.

著者

越塚 誠一 岡 芳明

出版者

一般社団法人 日本機械学会

雑誌

計算力学講演会講演論文集

巻号頁・発行日

vol.2001, pp.373-374, 2001

著者

柴田 和也 越塚 誠一 酒井 幹夫 谷澤 克治 辻本 勝

出版者

公益社団法人 日本船舶海洋工学会

雑誌

日本船舶海洋工学会論文集 (ISSN:18803717)

巻号頁・発行日

vol.11, pp.125-136, 2010 (Released:2011-01-28)

参考文献数

19

被引用文献数

1

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A transparent boundary condition was developed for calculating water waves propagating to a distant area by using a particle method. In front of the boundary, the incident waves were analyzed by Fourier analysis, and the particles on the transparent boundary were forced to move to absorb the incident waves. The characteristics of this study are to introduce the technique of wave analysis used for the wave tanks to the particle simulation and to reduce the calculation cost by employing an inflow and outflow boundary. Water waves were calculated in two wave periods by the developed transparent boundary condition. As the results, it was shown that this transparent boundary transmitted the incident waves without the reflection waves. It was also shown that the calculation cost was smaller than that of the ordinary high viscosity boundary condition.

著者

関根 章裕 石橋 昇吉 杉内 肇 越塚 誠一

出版者

一般社団法人 日本ロボット学会

雑誌

日本ロボット学会誌 (ISSN:02891824)

巻号頁・発行日

vol.34, no.10, pp.711-722, 2016 (Released:2017-01-15)

参考文献数

38

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This paper describes the liquid container transfer by robot, due to the demand for the conveyance of molten metal in casting processes, for the tray service by robot, and so on. Since a liquid in container can wave greatly by changes of transferring velocity due to the inertial force acting on its own, robots cannot carry the container as a rigid box. Therefore, transferring liquid containers using robots requires a carrying method which prevents content fluid from spilling from the container. The proposed method, TGCW (Trajectory Generation to Control Wave) method, is a feed-forward control to realize the prevention of the spillover of content fluid. To reveal the performance of the TGCW method, we performed the verification simulations using the Explicit-MPS (Moving Particle Simulation) method and the validation experiments using a robot arm. We obtained the result that the proposed method has the effect of reducing the displacement of liquid and the simulation results close to experiments.

著者

松永 拓也 越塚 誠一 保坂 知幸 石井 英二

出版者

一般社団法人 日本機械学会

雑誌

日本機械学会論文集 (ISSN:21879761)

巻号頁・発行日

vol.85, no.877, pp.19-00186, 2019 (Released:2019-09-25)

参考文献数

37

被引用文献数

1

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In this paper, we proposed a new particle method for numerical simulation of droplet dynamics. In the proposed method, the moving surface mesh is used to define interface between gas and liquid. The volume enclosed by the mesh represents the liquid droplet, and the outer domain is inactive gas with constant pressure. The incompressible liquid flow is calculated using a particle method, in which spatial derivatives are evaluated using an arbitrary high order accurate scheme. On the free surface, the surface stress balance equations, including surface tension and viscous stress, are adopted for the boundary conditions. Deformation of the gas-liquid interface is explicitly calculated by surface nodes that move in a Lagrangian fashion. Surface tension force is directly evaluated with high accuracy on each node utilizing the mesh shape. As numerical verification, simulations of three benchmark problems, namely circular patch test, Laplace pressure test and 2D droplet (liquid column) oscillation problems with different oscillation modes, have been carried out. The computation results were compared with the theoretical solutions, and excellent agreements were obtained. As a result, high accuracy and validity of the proposed computational method were confirmed.

著者

松永 拓也 柴田 和也 越塚 誠一

出版者

一般社団法人 日本機械学会

雑誌

日本機械学会論文集 (ISSN:21879761)

巻号頁・発行日

vol.84, no.864, pp.18-00197, 2018 (Released:2018-08-25)

参考文献数

29

被引用文献数

7

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The particle methods are suited to simulate fluid flow problems with large boundary deformation. The moving particle semi-implicit (MPS) method is one of the representative particle methods for incompressible flow. In recent years, the MPS method has received a great deal of attention in various fields of science and engineering. However, the numerical treatment of complicated wall geometry is still an open question. The conventional approaches have severe issues in handling arbitrary shape or calculation accuracy. In these circumstances, this study has been done to propose a novel numerical treatment of solid wall boundary in the MPS method. In this approach, the wall contribution in the discretization scheme is described in a form of volume integral over object domain. Thus, arbitrary-shaped boundaries represented by a polygon mesh can faithfully be considered. Moreover, since the distribution of physical quantity inside object is given by linear extrapolation, it satisfies the prescribed boundary condition with high accuracy. While the volume integral cannot be numerically evaluated with affordable computational cost, it can be transformed into a boundary integral form based on the divergence theorem. The derived boundary integral can be calculated with reasonable cost and acceptable accuracy using a projection technique and the Gaussian quadrature. The proposed method has been examined through several numerical test cases in 2D and 3D. As a result of the numerical tests, the present method is shown to have considerably higher accuracy compared to conventional methods, and its validity is verified.

著者

松永 拓也 柴田 和也 越塚 誠一

出版者

一般社団法人 日本機械学会

雑誌

日本機械学会論文集 (ISSN:21879761)

巻号頁・発行日

pp.18-00197, (Released:2018-08-03)

参考文献数

29

被引用文献数

7

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The particle methods are suited to simulate fluid flow problems with large boundary deformation. The moving particle semi-implicit (MPS) method is one of the representative particle methods for incompressible flow. In recent years, the MPS method has received a great deal of attention in various fields of science and engineering. However, the numerical treatment of complicated wall geometry is still an open question. The conventional approaches have severe issues in handling arbitrary shape or calculation accuracy. In these circumstances, this study has been done to propose a novel numerical treatment of solid wall boundary in the MPS method. In this approach, the wall contribution in the discretization scheme is described in a form of volume integral over object domain. Thus, arbitrary-shaped boundaries represented by a polygon mesh can faithfully be considered. Moreover, since the distribution of physical quantity inside object is given by linear extrapolation, it satisfies the prescribed boundary condition with high accuracy. While the volume integral cannot be numerically evaluated with affordable computational cost, it can be transformed into a boundary integral form based on the divergence theorem. The derived boundary integral can be calculated with reasonable cost and acceptable accuracy using a projection technique and the Gaussian quadrature. The proposed method has been examined through several numerical test cases in 2D and 3D. As a result of the numerical tests, the present method is shown to have considerably higher accuracy compared to conventional methods, and its validity is verified.

著者

原田 隆宏 鈴木 幸人 越塚 誠一 荒川 貴博 庄子 習一

出版者

一般社団法人 日本機械学会

雑誌

日本機械学会論文集 B編 (ISSN:03875016)

巻号頁・発行日

vol.73, no.726, pp.437-444, 2007-02-25 (Released:2011-03-03)

参考文献数

13

被引用文献数

1 3

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In this study, we developed a code which can calculate three-dimensional micro multi-phase flow using Moving Particle Semi-implicit method. Surface tension which dominates the fluid motion in micro flow also makes the time steps very small and the simulation time becomes very long. We employed a sub-time steps algorithm that enable us stable and efficient calculation of micro fluid with strong surface tension. Using developed code, micro droplet generation in y-shaped micro channel is calculated. We could realize micro droplet generation in our calculation as the same as experiment. In our calculated results, we measured droplet size. The measured droplet size quantitatively agrees with experimental ones. We also visualize flow inside of droplet when a droplet is generated in the calculated results.

著者

池田 博和 松浦 文生 越塚 誠一 岡 芳明

出版者

一般社団法人 日本機械学会

雑誌

日本機械学会論文集 B編 (ISSN:03875016)

巻号頁・発行日

vol.64, no.624, pp.2431-2437, 1998-08-25 (Released:2008-03-28)

参考文献数

13

被引用文献数

2 7

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Fragmentation of liquid metal takes place as basic processes of vapor explosions. This leads to rapid evaporation on the stretched interface. To date, a number of models explaining the fragmentation mechanisms have been proposed. However, few evidence has been obtained from the experiment because the phenomena are rapid. In Moving Particle Semi-implicit (MPS) method, grids are not necessary so that fluid fragmentation as well as multi-fluid thermal hydraulics can be analyzed. A numerical model of evaporation is developed for the present study. Impingement of water jets on a liquid metal pool is analyzed using the MPS method to investigate two typical models explaining the fragmentation mechanisms : Kim-Corradini and Ciccarelli-Frost models. Penetration of the water jet, which is assumed in Kim-Corradini model, is not observed in the calculation results. A filament of the liquid metal is observed between two water jets as assumed in Ciccarelli-Frost model. The filament appears when the jet density is smaller than the pool density, while the penetration appears when the jet density is hypotheticaly larger. The usual combinations of densities in vapor explosions are in the region of Ciccarelli-Frost model.

著者

松永 拓也 柴田 和也 室谷 浩平 越塚 誠一

出版者

日本計算工学会

雑誌

日本計算工学会論文集 (ISSN:13478826)

巻号頁・発行日

vol.2016, pp.20160002-20160002, 2016-01-29 (Released:2016-01-29)

参考文献数

23

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本研究では, MPS法による2次元流体シミュレーションのためのミラー粒子境界表現の開発および検証を行った. 本提案手法は, 固体壁境界を取り扱うための手法である. 境界形状は線分の集合として表される. 従って, ポリゴンモデルを用いる固体壁境界表現同様に境界要素自身は厚みをもたない. 従来のミラー粒子境界表現と比較して, ミラー粒子のミラー粒子を考慮すること, 視線判定を導入することが主な特徴として挙げられる. 本手法におけるミラー粒子は, 従来手法同様に, 境界を軸とした流体粒子の鏡映を作成するという考え方に基づいている. 複数の接続された線分で表される境界形状を線要素と点要素に分割し, 点要素に関しては凹形状と凸形状を区別する. また, 視線の概念を導入し, 境界要素, 流体粒子, ミラー粒子の間の視線が通る条件を定義した. 境界要素から流体粒子への視線が通るとき, ミラー粒子を生成する. 更に, 生成したミラー粒子への視線が通る線要素がある場合, そのミラー粒子に対する新たなミラー粒子を生成する. 以上のミラー粒子生成アルゴリズムを適用することで, 境界近傍の外部領域に抜け目なくミラー粒子を配置することができるが, ミラー粒子が過剰に存在する領域が発生してしまう. そこで, 近傍粒子計算に視線判定を導入する. 具体的には, 影響半径未満の距離に存在し, かつ, 着目流体粒子からの視線が通る流体粒子およびミラー粒子のみを近傍粒子として採用する. 視線判定は近傍流体粒子を吟味するためにも利用されており, 境界を跨ぐ流体粒子間の接続を切断できるため, 影響半径未満の厚みをもつ固体相を含む問題の計算が可能となる. 基礎検証として3つの問題の計算を行った. 単純形状における静水圧問題を本ミラー粒子境界表現を用いたMPS法によって計算し, 壁粒子を用いた固体壁境界表現に用いた場合と比較を行った. 定常状態における圧力分布を比較したところ, およそ定量的な一致が見られ, 単純形状における固体壁境界条件が妥当に評価されていることを確認した. 続いて, 凹形状を有する固体壁面に対する水柱衝突の計算を実施した. 粒子の境界貫通が起こりやすい問題であったが, そのような現象は確認されず安定に計算が実行できた. 定常状態における静水圧分布を計算したところ, 鋭角な凹面内部には少数の流体粒子しか存在しないにもかかわらず, 圧力分布を妥当に評価することができたことから, ミラー粒子のミラー粒子を使用することの有効性が示された. 更に, バッフル付き円筒回転体内の流れの計算を行った. 円筒形状は離散的な線分によって表現を行ったが,線分の接続部の影響による目立った不自然な数値挙動は見られず, 安定に計算を実施することができた. このことから, 本研究にて採用している視野の定義および視線判定に基づく近傍粒子選択が妥当であることが確認できた.

著者

田中 正幸 酒井 幹夫 越塚 誠一

出版者

一般社団法人 日本計算工学会

雑誌

日本計算工学会論文集 (ISSN:13478826)

巻号頁・発行日

vol.2007, pp.20070007, 2007 (Released:2007-03-13)

参考文献数

20

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Many methods to simulate rigid body motion and collision have been developed in the computer graphics field recently. In most methods, polygons are used to represent a rigid body configuration. In this paper a novel particle based method is presented and some examples are calculated. A simple algorithm for collision detection is proposed using particles and Distinct Element Method (DEM) is used for collision response. In the case that a configuration of a rigid body is complicated, the quantity of data is reduced and the calculation is fast. It is also easy to couple with fluid motion using Moving Particle Semi-implicit (MPS) method.