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2016/9/15
1
マルチスケール粒子法よる構造物に作用する津波流体力評価
九州大学大学院工学研究院
社会基盤部門構造解析学研究室 浅井光輝
1Structural Analysis Lab.
日本原子力学会 計算科学技術部会「外部ハザード評価のための数値解析」
結論
2Structural Analysis Lab. ,Kyushu University
測る×コンピューティング@土木学会
両者かけ合わせることでお互いにはわからなかった事実がわかる?
外積!
・数値解析の検証のための実験?
・むやみやたらと計測するのではなく、事前に計算して、計測する場所を最適化する。(最小限の観測で最大の情報を引き出す)
・お互いが得意とする箇所を補完する。
測る軸
コンピューティング軸
・不確実性は?・モデル解析ではなく、実物解析(大きさだけでないProto-type)
構造
水理地盤
流体力を受ける構造
基礎地盤の洗掘
洗掘+液状化による構造物の不安定化
衝撃的な波力
胸壁の破壊
剥落?
津波複合被害(マルチフィジックス解析の必要性)
Structural Analysis Lab. ,Kyushu University
MScPHy(Multi-Scale and PHysics)マルチスケール粒子法
レベル0解析
レベル1解析 レベル2解析
解像度:10m~100m
解像度:1m~2m
解像度:10cm~20cm
従来の津波解析(津波伝搬解析)
津波遡上現象橋梁等の土木構造物の被害予測
(橋梁の流失被害)
4Structural Analysis Lab. ,Kyushu University
都市部津波遡上解析の立体視例(防災教育等を通してソフト防災に貢献)
マルチフィジックス解析により構造物等の複合災害予測へ
スケール間をシームレスにつなぐブリッジング技術は構築済み
構造
水理地盤
基礎地盤の洗掘
洗掘+液状化による構造物の不安定化
衝撃的な波力
胸壁の破壊
剥落?
MScPHy(Multi-Scale and PHysics)マルチフィジックス粒子法
Structural Analysis Lab. ,Kyushu University
流体-剛体連成SPH法(数億粒子まで対応可)
浸透流・洗掘解析用SPH法(実験との比較で精度確認中)
複合災害予測し、ハード防災に貢献 流体力を受ける構造
物体を有限個の粒子に離散化し、その任意の点の物理量を近傍粒子の物理量の重みつき平均として近似
Smoothed Particle Hydrodynamics(SPH)
),()()(1
hxxWxfm
xf JN
J
J
J
J
重み関数
対象粒子(i)の物理量
近傍粒子(j)の物理量
粒子間距離
解析対象
W
I
J
f(x)
f(xJ)
影響半径
粒子近似
<特徴>① 完全ラグランジュ型のメッシュレス法(強形式型解法・領域積分なし)② メッシュを定義する必要なし、簡単に粒子を追加、消去が可能③ 粒子間隔が均等であることが重要
dVhxxWxfxf JJ ),()()(
Structural Analysis Lab. ,Kyushu University
SPH法における粒子離散化
2016/9/15
2
MScPHy(Multi-Scale and PHysics)マルチスケール粒子法
レベル0解析
レベル1解析 レベル2解析
解像度:10m~100m
解像度:1m~2m
解像度:10cm~20cm
従来の津波解析(津波伝搬解析)
津波遡上現象橋梁等の土木構造物の被害予測
(橋梁の流失被害)
7Structural Analysis Lab. ,Kyushu University
都市部津波遡上解析の立体視例(防災教育等を通してソフト防災に貢献)
スケール間をシームレスにつなぐブリッジング技術は構築済み
0 300 600 900 1200[Pa]
Global tsunami Local tsunami
Source Bay structure
Fluid structure
2D-FEM or FDM 3D particle method
10m~100m 1m~5m 10cm~50cm
レベル0解析(2D差分法)
レベル1解析(3D粒子法)
レベル2解析(3D粒子法)
開発項目1レベル0-レベル1の連成
開発項目2.ズーミング型粒子法の開発
開発項目3.土木三力連成解析の改良と検証
解像度:10m~100m
解像度:1m~2m
解像度:10cm~20cm
各スケール間のブリッジング
9
マトリックスアレイ状 仮想造波板
事前解析(2次差分法,低解像度粒子法)
ズーミング解析(高解像度粒子法)
事前解析を入力情報とする片方向の連成手法
仮想造波板イメージ
6
水粒子
境界粒子
境界領域→速度付与
計算領域→粒子法による速度場の計算
速度v
波高
マトリックスアレイ状 仮想造波板
波高
波高
波高
波高
波高
波高
波高
波高
6
水粒子
境界粒子
境界領域→速度付与
計算領域→粒子法による速度場の計算
マトリックスアレイ状 仮想造波板
速度v
境界領域における速度と波高の付与のみでは,引き波の再現は難しい
12
ズーミング解析例(粒子法-粒子法の連成)
参照解
ズーミング解析
Particle distance : 0.2 Particle distance : 0.1
2016/9/15
3
2D差分法と3D粒子法の連成
25
3D Analysis area
Inflow area
Utatsu Bridge
Particle
distance
Number of
particles
Time
incrementReal time
Analysis
time(256node)
2m(5m) 17 millions 0.005sec 1 hour 56 hours
Analysis condition
Level-0
Level-1
Tsunami propagation
in 2D
Tsunami run-up
simulation in 3D SPH.
Level-0 result isgiven by Prof. Imamura.
Utatsu Bridge
14
Level-1 津波遡上解析結果
Velocity[m/s]Wave velocity[m/s]
in S-N direction
A B
Tim
e af
ter
tsunam
i in
itia
tion i
n 2
D s
imula
tion
3D
sim
ula
tion p
erio
d
43 [min]
110[min]
54 [min]
66[min]
100
-10 -5 5
-5 50
A BVelocity in main flow direction
from 2D analysis (level0)
5.0
2.5
0.0
-2.5
-5.0
Wave height on A-B
15
2020
20
歌津地区浸水域(改定保存版 東日本大震災 津波詳細地図)
解析結果
3
5
7
9
11
13
15
17
1800 2300 2800 3300 3800
浸水
深[m
]
解析時間[s]
3
5
7
9
11
13
15
17
1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 3400 3600 3800
浸水
深[m
]
解析時間[s]
A点(解析値)
B点(解析値)
A点(観測値)
B点(観測値)
浸水深と解析値の比較(A点,B点)
A点
B点
解析結果 (浸水域・浸水深比較) Level1からLevel2へのズーミング例
16
Utatsu Bridge
Level-1 simulation at 2m resolution
Level-2 simulation at 9cm resolution
17 18
流体力精度検証
実験モデル 解析モデル
実験(解析)装置
2016/9/15
4
19
実験動画 解析動画
流体力精度検証
粒子間隔 総粒子数 時間増分 実時間 解析時間(16node)
0.5cm 約250万 0.0005sec 5sec 約12時間
(http://committees.jsce.or.jp/eec209/node/11)
解析条件
20
流体力精度検証の結果
水位 流速
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0 1 2 3 4 5
水位
(cm
)
時間 (s)
実験
解析-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
0 1 2 3 4 5
流速
(m/s
)
時間 (s)
実験
解析
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
1.5 2 2.5 3 3.5 4
抗力
(N)
時間 (s)
実験
解析
21
流体力精度検証の結果
[Pa]
2.4s
3.7s
2.4s3.7s
水平方向の力(抗力)
22
実験
解析
模型の変更とブラインドテストブラインドテスト
斜橋時の流体力
23Structural Analysis Lab. ,Kyushu University
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
1.5 2 2.5 3 3.5 4
抗力
(N)
時間 (s)
実験
解析
構造
水理地盤
基礎地盤の洗掘
洗掘+液状化による構造物の不安定化
衝撃的な波力
胸壁の破壊
剥落?
MScPHy(Multi-Scale and PHysics)マルチフィジックス粒子法
Structural Analysis Lab. ,Kyushu University
流体-剛体連成SPH法(数億粒子まで対応可)
浸透流・洗掘解析用SPH法(実験との比較で精度確認中)
複合災害予測し、ハード防災に貢献 流体力を受ける構造
2016/9/15
5
構造
水理地盤
流体力を受ける構造
衝撃的な波力
胸壁の破壊
剥落?
津波被害におけるマルチフィジックス
Structural Analysis Lab. ,Kyushu University
水
剛体
・剛体運動のアルゴリズム
U
Ω
剛体粒子の速度の更新
並進速度 回転速度
k
n
krΩUu 1
概念図
粒子離散化
剛体に作用する外力を計算剛体の並進・回転速度の算出
剛体に作用する外力を計算
efdt
dFFg
U MM ef
dt
dMMIΩΩ
ΩI
26
剛体も水と同様に粒子に離散化
剛体移動の扱い方(1/3)
efM
dt
dM FFg
U
並進運動に関する方程式
ii
surfacetheon
iif
nSPF
MMt efnn FF
gUU 1
並進速度の更新
: 剛体粒子: 水粒子: 法線ベクトル: 作用面積
surfacetheon
i
/
iek
23F
lr
ijji
ji
EE
EErk
22113
4
ヘルツの弾性体接触理論
27
iii
I
pnspf )(
剛体移動の扱い方(2/3)
fF : 剛体に作用する流体力
: その他の外力(接触力): 剛体の表面に作用する流体圧: 剛体表面の面積: 並進速度: ヤング係数: 境界面と粒子との距離: 粒子間隔
eF
iP
iSU
j,iE
lr
rlr
l境界面
剛体表面粒子
接触力0 lr
ngun
)( 2
p
(非斉次圧力ノイマン条件)
iS
in
28
(http://kenplatz.nikkeibp.co.jp/article/building/news/20110705/548457/?SS=expand-rebuild&FD=-1127246051)
(http://minkara.carview.co.jp/smart/userid/125933/car/139387/2624450/photo.aspx)
On March 11 2011, bridges were totallywashed out by tsunami.
2011年 宮城県南三陸町 歌津大橋の流失
Utatsu bridges
解析モデル
29
津波
橋桁
橋脚
10
.0m
12
.2
113.3
18
.0
24
.0
30.0 20.0
25.0
15
.0
10
.32
40.0
初速度 10m/s
正面図
平面図 単位 : m
30
橋桁流失解析(流体剛体連成)粒子間距離 総粒子数 時間増分 実時間 解析時間
(500node=8000コア)
6cm 55 million 0.001s 3s 7h
解析条件
2016/9/15
6
31
50cm
0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
Polypropylene (0.86)
Nylon (1.14)
Teflon (2.30)
Steel (7.86)
Dep
th (
cm)
Time (sec)
ISPH method
Experimental
30cm
60cm
24.025cm
剛体流体解析モデルの精度検証(参考論文との比較)
粒子数 12,976,266
粒子径 0.2cm
時間増分 0.0001秒
・検証例題概要 ・検証結果
橋梁流出シミュレーションのための妥当性確認
※unit:mm
40
0
GateBridge model
2000 1100
50
5500
900
70
0
1500
Width 200mm
Flow direction
190
10
100
20
50
Flow direction
Size of
particle
Number of
particles
Time
incrementReal time Simulation times
0.25cm 14 millions 0.0005sec 1.6sec 72hours
Simulation condition
h=250
θ
32
3D motion capture system
33
Nobby Tech の VENUS3D
赤外線カメラ
パソコン
自発光マーカー
http://www.nobby-tech.co.jp/3d/venus3d.html
人の体や機械部品等あらゆる対象物の必要な個所にマーカーを貼るだけで、容易に高精度な3次元計測が行える.
カメラに光を受信することでマーカーの2次元座標を取得し、それぞれの2次元座標を基にパソコンで3次元座標を算出する.
http://www.nobby-tech.co.jp/3d/venus3d/accessories/marker.html
水中での計測を可能にした自発光タイプのマーカー「煌」(きらめき).
3Dモーションキャプチャ
Screenshot of the bridge wash-out simulation
Structural Analysis Laboratory, Kyushu University 34
t = 0.50s
t = 1.25s
t = 1.5s
t = 1.75s
t = 2.0s
Structural Analysis Laboratory, Kyushu University 35
重心位置の移動量の比較(水平方向)
h = 250mm h = 300mm h = 350mm
※unit:mm
40
0
Gate
Bridge model
2000 1100
50
900
70
0
1500
h
O (0,0,0)
1000Observation Area
y
x
Structural Analysis Laboratory, Kyushu University 36
h = 250mm h = 300mm h = 350mm
※unit:mm
40
0
Gate
Bridge model
2000 1100
50
900
70
0
1500
h
O (0,0,0)
1000 Observation Area
y
x
重心位置の移動量の比較(鉛直方向)
2016/9/15
7
θ
Positive angle
θ
Negative angle
h = 250mm h = 300mm h = 350mm
Structural Analysis Laboratory, Kyushu University 37
重心周りの回転量の比較
Bridge
model
Validation
TEST MODEL
Structural Analysis Laboratory, Kyushu University 38
Validation test using an actual
shape bridge model
※unit:mm
40
0
GateBridge model
2000 1500
50
5500
100
0
70
0
1000
Width 200mm
h =250mm
O
(0,0,0)
3
5
140
35
50
170
25
Flow
direction
Flow direction
Experimental tests VS numerical
simulation
Structural Analysis Laboratory, Kyushu University 39
Particle SizeNumber of
particles
Time
incrementReal Time
Computation
Times (512 nodes)
0.15cm 45 millions 0.0005sec 2.5sec 12 hours
Simulation Conditions
• Validation Experiment
• Our simulation
Comparison of rigid body motion in
horizontal and vertical directions
Structural Analysis Laboratory, Kyushu University 40
350
370
390
410
430
450
0 0.5 1 1.5 2 2.5Rig
id B
od
y P
osi
tio
n
(cm
)
Time (s)
Experiment
Analysis
0
2
4
6
8
10
0 0.5 1 1.5 2 2.5Rig
id B
od
y P
osi
tio
n
(cm
)
Time (s)
Experimen
t
• Horizontal motion
• Vertical motion
41
津波避難ビルの津波波力算定式
東北地方太平洋沖地震 発生
今後発生すると予想されている巨大地震,それに伴う巨大津波による被害が危惧されている
画像 仙台市HP
巨大津波の被害が予想される地域では津波避難ビルの選定が不可欠
・津波の入射角度の影響を考慮していない
・漂流物の影響を考慮していない津波
hg3
設計用浸水深:h
開口部なし 開口部あり
津波
hg3
h
2
1
z
z)3( BdzzhgQz 津波波力算定式:
(国総研2012) 42
ビル
津波進行方向
解析ケース
津波進行方向
30°
漂流物漂流物
津波進行方向
ピロティ有無
ビルの傾き0度 ビルの傾き30度
ピロティあり ピロティなし ピロティあり ピロティなし
30
20
3
30
20
ピロティあり ピロティなし
2016/9/15
8
43
大型漂流物衝突解析モデル構造物
漂流物
20
30 3020 50 5050
5m/s(側面図)
60
15
15
30
(平面図)
30
(単位:m)
15
35
漂流物のスケール( 密度 )3/300 mkg
44
解析結果ビルの傾き0度・ピロティあり
・空隙への浸水の影響から漂流物が吸い込まれるように動き,構造物と衝突した.
(↑側面図)
(正面図→)
45
ピロティあり ピロティなし
衝突 ×衝突あり
〇衝突なし
0.0E+00
5.0E+06
1.0E+07
1.5E+07
2.0E+07
0 5 10 15 20
ピロティなし
ピロティあり
ピロティあり ピロティなし
衝突 ×衝突あり
〇衝突なし
0.0E+00
5.0E+06
1.0E+07
1.5E+07
2.0E+07
0 5 10 15 20
ピロティなし
ピロティあり
[s][s]
ビルの傾き 0度 ビルの傾き 30度
流体力[N]
流体力[N]
解析結果まとめ
低減効果大低減効果小
構造
水理地盤
基礎地盤の洗掘
洗掘+液状化による構造物の不安定化
津波被害におけるマルチフィジックス
Structural Analysis Lab. ,Kyushu University
研究の背景と目的
47
2011年 東北地方太平洋沖地震⇒ 津波による港湾構造物の被害
Reference: Rick and Rafael (2010), “Effect of Tsunami breakwater as a mitigation measure at the Bay of Conception”
釜石防波堤
●震災前
津波
Reference: Tohoku Regional Development Bureau, MLIT
63m
研究の背景と目的
48
●震災後
Reference: Alison et al. (2015), “Implications of the 2011 Great East Japan Tsunami on sea defense design”
Reference: Tohoku Regional Development Bureau, MLIT
⇒防波堤の約50%が倒壊
2011年 東北地方太平洋沖地震⇒ 津波による港湾構造物の被害
2016/9/15
9
研究の背景と目的
49
2011年,東北地方太平洋沖地震津波による防波堤の被害
(写真は東北地方整備局 震災伝承館HPより)
防波堤の崩壊
津波
越流
浸透流
洗掘
水圧
崩壊!!
防波堤の被災要因
(a) 防波堤前後での水位差による水平力
(b) 越流による防波堤背面での侵食・洗掘
(c) 浸透流によるマウンドの支持力低下
水理模型実験や数値解析を最大限活用することが望ましい.(防波堤の耐津波設計ガイドライン,国交省港湾局,平成25年9月)
研究の背景と目的
津波
越流
浸透流
洗掘
水圧
崩壊
防波堤の崩壊要因
(a) 防波堤前後での水位差による水平力
(b) 越流による防波堤背面での洗掘
(c) 浸透流によるマウンドの支持力低下
2011年東北地方太平洋沖地震の津波による防波堤被害
実験:港湾空港技術研究所 (2015)
洗掘の実験
流体の計算手法
流体の支配方程式
地表流 ナビエ・ストークス式
𝐷𝒗
𝐷𝑡= −
1
𝜌𝛻𝑃 + 𝒈 + 𝜈𝐸𝛻
2𝒗
𝐷𝜌
𝐷𝑡+ 𝜌𝛻 ∙ 𝒗 = 0
𝜈𝐸:有効動粘性係数
浸透流 拡張ダルシー則
𝑎 𝒗 + 𝑏 𝒗 𝒗 = −𝛻𝑃 + 𝜌𝒈
𝒗:平均流速
𝑎, 𝑏:抵抗係数
地表流:流体のみの領域での流れ
浸透流:流体・固体の混合した領域での流れ(混相流)
流体の計算手法
統一方程式 (Akbari,2014)
浸透流 拡張ダルシー則
𝑎 𝒗𝑓 + 𝑏 𝒗𝑓 𝒗𝑓 = −𝛻𝑃 + 𝜌𝑓𝒈
地表流 ナビエ・ストークス式
𝐷𝒗𝑓
𝐷𝑡= −
1
𝜌𝑓𝛻𝑃 + 𝒈 + 𝜈𝐸𝛻
2𝒗𝑓
𝐷𝜌𝑓
𝐷𝑡+ 𝜌𝑓𝛻 ∙ 𝒗𝑓 = 0
𝐶𝑟(𝜀
𝜀
𝐷 𝒗𝑓
𝐷𝑡= −
1
𝜌𝑓𝛻𝑃 +
𝒈
𝜀+ 𝜈𝐸 𝜀 𝛻2 𝒗𝑓 − 𝑎 𝜀 𝒗𝑟 − 𝑏(𝜀 𝒗𝑟 𝒗𝑟
𝐷 𝜌𝑓
𝐷𝑡+ 𝜌𝑓𝛻 ∙
𝒗𝑓
𝜀= 0
𝜀:間隙率 𝜌𝑓 = 𝜀𝜌𝑓:代表流体密度 𝜈𝐸 :有効動粘性係数
𝒗𝑓:ダルシー流速 𝒗𝑟 :流体固体間相対速度
流体の計算手法
統一方程式 (Akbari,2014)
浸透流 拡張ダルシー則
𝑎 𝒗𝑓 + 𝑏 𝒗𝑓 𝒗𝑓 = −𝛻𝑃 + 𝜌𝑓𝒈
地表流 ナビエ・ストークス式
𝐷𝒗𝑓
𝐷𝑡= −
1
𝜌𝑓𝛻𝑃 + 𝒈 + 𝜈𝐸𝛻
2𝒗𝑓
𝐷𝜌𝑓
𝐷𝑡+ 𝜌𝑓𝛻 ∙ 𝒗𝑓 = 0
𝐶𝑟(𝜺
𝜀
𝐷 𝒗𝑓
𝐷𝑡= −
1
𝜌𝑓𝛻𝑃 +
𝒈
𝜺+ 𝜈𝐸 𝜺 𝛻2 𝒗𝑓 − 𝑎 𝜺 𝒗𝑟 − 𝑏(𝜺 𝒗𝑟 𝒗𝑟
𝐷 𝜌𝑓
𝐷𝑡+ 𝜌𝑓𝛻 ∙
𝒗𝑓
𝜀= 0
𝜺:間隙率 𝜌𝑓 = 𝜀𝜌𝑓:代表流体密度 𝜈𝐸 :有効動粘性係数
𝒗𝑓:ダルシー流速 𝒗𝑟 :流体固体間相対速度
流体の計算手法
統一方程式 (Akbari,2014)
浸透流 拡張ダルシー則
𝑎 𝒗𝑓 + 𝑏 𝒗𝑓 𝒗𝑓 = −𝛻𝑃 + 𝜌𝑓𝒈
地表流 ナビエ・ストークス式
𝐷𝒗𝑓
𝐷𝑡= −
1
𝜌𝑓𝛻𝑃 + 𝒈 + 𝜈𝐸𝛻
2𝒗𝑓
𝐷𝜌𝑓
𝐷𝑡+ 𝜌𝑓𝛻 ∙ 𝒗𝑓 = 0
𝐶𝑟(𝜀
𝜀
𝐷 𝒗𝑓
𝐷𝑡= −
1
𝜌𝑓𝛻𝑃 +
𝒈
𝜀+ 𝜈𝐸 𝜀 𝛻2 𝒗𝑓 − 𝑎 𝜀 𝒗𝑟 − 𝑏(𝜀 𝒗𝑟 𝒗𝑟
𝐷 𝜌𝑓
𝐷𝑡+ 𝜌𝑓𝛻 ∙
𝒗𝑓
𝜀= 0
𝜀:間隙率 𝜌𝑓 = 𝜀𝜌𝑓:代表流体密度 𝜈𝐸 :有効動粘性係数
𝒗𝑓:ダルシー流速 𝒗𝑟 :流体固体間相対速度
2016/9/15
10
実験モデル
55
Δh
430465
600
500
港内側 港外側
Δh
430465
2046 単位: [mm]
Case 1
Case 2195
185波高計
50
150
水圧計
実験結果
56
Δh
430465
600
500
港内側 港外側
Δh
430465
2046 単位: [mm]
Case 1
Case 2195
185波高計
50
150
水圧計
Δh = 100mm
Δh = 100mm
解析モデル
57
860
465
400
100
平面図
流出
185
195
465
100
流入
側面図 (Case 1)
側面図 (Case 2)水圧計
600
単位: [mm]奥行き: 190
解析モデル
58
860
465
400
100
平面図
流出
185
195
465
100
流入
側面図 (Case 1)
側面図 (Case 2)水圧計
600
単位: [mm]奥行き: 190
2
5
6
10
11
9
13
14
15
12
7
8450
150
3 16 171
⃝ 計測された水圧から以下の式を用いてピエゾ水頭を算出し,実験値と解析値を比較する.
zg
PPiezo
[mm]
解析結果
59
Case 1
020406080
100120140160
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
TEST3
TEST4
Analysis
020406080
100120140160
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
TEST1
TEST2
Analysis
水圧計番号
ピエ
ゾ水
頭[m
m]
水圧計番号
ピエ
ゾ水
頭[m
m]
: Test1: Test2: Analysis
020406080
100120140160
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
TEST1
TEST2
Analysis
020406080
100120140160
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
TEST1
TEST2
Analysis
020406080
100120140160
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
TEST1
TEST2
Analysis
: Test3: Test4: Analysis
020406080
100120140160
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
TEST1
TEST2
Analysis
020406080
100120140160
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
TEST1
TEST2
Analysis
020406080
100120140160
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
TEST1
TEST2
Analysis
Case 2
mm450z0.0 120.0 [mm]0.0 5.0 [cm/s]
解析結果
60
速度分布Case 1
Case 2
2016/9/15
11
解析結果
61
0.0 0.82 i
パイピングが予測される箇所Case 1
Case 2
流体の計算手法
統一方程式 (Akbari,2014)
𝐶𝑟(𝜀
𝜀
𝐷 𝒗𝑓
𝐷𝑡= −
1
𝜌𝑓𝛻𝑃 +
𝒈
𝜀+ 𝜈𝐸 𝜀 𝛻2 𝒗𝑓 − 𝑎 𝜀 𝒗𝑟 − 𝑏(𝜀 𝒗𝑟 𝒗𝑟
𝐷 𝜌𝑓
𝐷𝑡+ 𝜌𝑓𝛻 ∙
𝒗𝑓
𝜀= 0
流体が受ける抵抗力
相互作用力
固体への駆動力
固体相が流体相から受ける力
駆動力:
𝑭𝑑 = − (−𝑎 𝜀 𝒗𝑟 − 𝑏(𝜀 𝒗𝑟 𝒗𝑟 𝜌𝑓𝑉𝑠
1 − 𝜀
作用反作用の関係より,抵抗力の反作用分が固体に作用している.
相互作用力
流体が受ける抵抗力
固体の計算手法
水中固体運動方程式
𝑚𝑠
𝑑𝒗𝑠
𝑑𝑡= 𝑚𝒈 + +𝑭𝒇
流体力
𝑭𝑐
接触力
浮力:密度差によって表現
抗力:流体中を運動する固体に作用⇒固体を駆動させる力
固体の解析手法:球形DEM
𝑭𝒇:流体力
固体が流体から受ける力
𝐼:慣性テンソル 𝑴𝒄:トルク𝝎:角速度
𝐼𝑑𝝎
𝑑𝑡= 𝑴𝑐
固体相が流体相から受ける力(相互作用力)
抗力:
𝑭𝑑 = − (−𝑎 𝜀 𝒗𝑟 − 𝑏(𝜀 𝒗𝑟 𝒗𝑟 𝜌𝑓𝑉𝑠
1 − 𝜀
流体-固体連成解析
粒子径 粒子数 密度 摩擦係数 転がり摩擦係数
水 0.3 13943 1 - -
ガラスビーズ 0.27 7920 2.5 0.2 0.0001
10cm
15cm 5cm
奥行き:10cm
解析モデル
流体-固体連成解析手法の妥当性確認
粒子径 粒子数 密度 摩擦係数 転がり摩擦係数
水 0.3 13943 1 - -
ガラスビーズ 0.27 7920 2.5 0.2 0.0001
流体-固体連成解析
横断面図
10cm
15cm 5cm
奥行き:10cm
解析結果
流体-固体連成解析手法の妥当性確認
流体-固体連成解析
□:水□:ガラスビーズ
T=0.05s T=0.10s T=0.15s T=0.20s
実験結果引用:東京大学 酒井幹夫ら(2013)
2016/9/15
12
MScPHy(Multi-Scale and PHysics)マルチスケール粒子法
レベル0解析
レベル1解析 レベル2解析
解像度:10m~100m
解像度:1m~2m
解像度:10cm~20cm
従来の津波解析(津波伝搬解析)
津波遡上現象橋梁等の土木構造物の被害予測
(橋梁の流失被害)
67Structural Analysis Lab. ,Kyushu University
都市部津波遡上解析の立体視例(防災教育等を通してソフト防災に貢献)
マルチフィジックス解析により構造物等の複合災害予測へ
スケール間をシームレスにつなぐブリッジング技術は構築済み
構造
水理地盤
基礎地盤の洗掘
洗掘+液状化による構造物の不安定化
衝撃的な波力
胸壁の破壊
剥落?
MScPHy(Multi-Scale and PHysics)マルチフィジックス粒子法
Structural Analysis Lab. ,Kyushu University
流体-剛体連成SPH法(数億粒子まで対応可)
浸透流・洗掘解析用SPH法(実験との比較で精度確認中)
複合災害予測し、ハード防災に貢献 流体力を受ける構造
3次元立体視(HMDと歩行コントローラ)
Structural Analysis Lab. ,Kyushu University
高知城
高知県庁
HMD、歩行コントローラによる体験システム
70Structural Analysis Lab. ,Kyushu University70
歩行コントローラ
ひとの視点からの立体視
現実的な歩行スピードにて移動をコントロール
ヘッドマウントディスプレイ
結論
71Structural Analysis Lab. ,Kyushu University
測る×コンピューティング@土木学会
両者かけ合わせることでお互いにはわからなかった事実がわかる?
外積!
・数値解析の検証のための実験?
・むやみやたらと計測するのではなく、事前に計算して、計測する場所を最適化する。(最小限の観測で最大の情報を引き出す)
・お互いが得意とする箇所を補完する。