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エネルギー保存性の高い高精度粒子法型流体-構造連成解析手法の構築

研究課題

研究課題/領域番号 21K14250
研究種目

若手研究

配分区分基金
審査区分 小区分22040:水工学関連
研究機関京都大学

研究代表者

清水 裕真  京都大学, 工学研究科, 助教 (20869705)

研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)
2024年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
2023年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
2022年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
2021年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円)
キーワード粒子法 / FSI / ISPH法 / 数値シミュレーション / エネルギー保存性 / 計算力学 / SPH法 / SPH
研究開始時の研究の概要

構造物の設計にはCAE(数値シミュレーション)の活用が効果的である.海岸工学分野においては自由水面を伴う波・激流と構造物との流体構造体間相互作用(FSI)現象が解析対象となるが,その境界条件の複雑さから取り扱いは困難である.本研究では,境界大変形問題の安定解析が容易な数値計算手法の一つである粒子法をベースとして,エネルギー保存性・物理的整合性の高い新たな高精度FSIソルバーを開発する.系のエネルギー保存性が確保された安定かつ物理的整合性の高い高度数値モデルの構築は,実務設計への展開はもちろん,緻密な検討が困難な構造物の変形・破壊挙動を伴うFSI現象のメカニズム解明のための新たな技術にも繋がる.

研究実績の概要

本研究では,エネルギー保存性の高い高精度粒子法型流体-構造連成解析手法の構築に取り組んでいる.本年では,その実現のために必要な4つの課題の内,①流体・構造体の精度・エネルギー保存性向上のための高次微分演算子モデルの導入,③整合性の高い力学的連成のための連成手法のエネルギー保存性からの検討・開発,について取り組んだ.
①について,本年度は流体モデルの高次化の更なる高度化に成功した.具体的には,圧力勾配離散化モデルの高次化の立式を見直し,離散化モデルの作用力の反対称性を保持しながら修正行列を導入するという新しい離散化法を提案することで,十分な計算安定性を保持しつつ計算精度とエネルギー保存性を向上させることに成功した.提案手法はベンチマークテストの結果から既往の離散化モデルと同等の安定性と遥かに向上したエネルギー保存性を持ち,さらに計算効率の改善にも効果的であることが示された.
③について,流体モデルの反対称性型勾配モデルに対応する形での相互作用モデルを提案し,FSI計算を実施した.本モデルでは流体-構造体間の運動量交換に基づく相互作用力が課されることから保存性が良好であり,ベンチマークテストを通した検証からも提案手法にて高精度で安定したFSI計算が行えることが示された.
これらの成果は国際および国内学術誌へ投稿・掲載された他,国際および国内会議にて発表を実施した.また,①の成果にて海岸工学論文賞を受賞することができた.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

研究計画調書に記載した4つの課題のうち2つに対する研究を良好に進めることができた.流体モデルの離散化形の改良により安定性は向上し,その離散化形に合う保存性に優れた相互作用モデルの開発が概ね実現できた.

今後の研究の推進方策

一昨年度,昨年度とあわせ現在までで4つの課題に対して一定の成果を得ることができ,提案モデルの基本となる枠組みが完成に近づいた.今後はここまでの成果を組み合わせたモデルにてモデルの検討を進めるとともに,計算の3次元化や実務応用への可能性の検証をすすめていきたい.

報告書

(3件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実施状況報告書
  • 2021 実施状況報告書
  • 研究成果

    (14件)

すべて 2024 2023 2022 2021

すべて 雑誌論文 (8件) (うち国際共著 1件、 査読あり 8件) 学会発表 (6件) (うち国際学会 4件)

  • [雑誌論文] An improved Riemann SPH-Hamiltonian SPH coupled solver for hydroelastic fluid-structure interactions2024

    • 著者名/発表者名
      Khayyer Abbas、Gotoh Hitoshi、Shimizu Yuma、Gotoh Takafumi
    • 雑誌名

      Engineering Analysis with Boundary Elements

      巻: 158 ページ: 332-355

    • DOI

      10.1016/j.enganabound.2023.10.018

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] An improved updated Lagrangian SPH method for structural modelling2023

    • 著者名/発表者名
      Khayyer Abbas、Shimizu Yuma、Lee Chun Hean、Gil Antonio、Gotoh Hitoshi、Bonet Javier
    • 雑誌名

      Computational Particle Mechanics

      巻: - 号: 3 ページ: 1055-1086

    • DOI

      10.1007/s40571-023-00673-z

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] δ-SPH法による水面波の高精度計算のための改良型圧力勾配項の提案2023

    • 著者名/発表者名
      清水 裕真, Abbas KHAYYER, 後藤 仁志, 杉本 寛明
    • 雑誌名

      土木学会論文集

      巻: 79 号: 17 ページ: n/a

    • DOI

      10.2208/jscejj.23-17004

    • ISSN
      2436-6021
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Enhanced resolution of the continuity equation in explicit weakly compressible SPH simulations of incompressible free‐surface fluid flows2023

    • 著者名/発表者名
      Khayyer Abbas、Shimizu Yuma、Gotoh Takafumi、Gotoh Hitoshi
    • 雑誌名

      Applied Mathematical Modelling

      巻: 116 ページ: 84-121

    • DOI

      10.1016/j.apm.2022.10.037

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] An implicit SPH-based structure model for accurate Fluid?Structure Interaction simulations with hourglass control scheme2022

    • 著者名/発表者名
      Shimizu Yuma、Khayyer Abbas、Gotoh Hitoshi
    • 雑誌名

      European Journal of Mechanics - B/Fluids

      巻: 96 ページ: 122-145

    • DOI

      10.1016/j.euromechflu.2022.07.007

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Fundamental Investigation on the Applicability of a Higher-Order Consistent ISPH Method2022

    • 著者名/発表者名
      Shimizu Yuma、Gotoh Hitoshi、Khayyer Abbas、Kita Kazuki
    • 雑誌名

      International Journal of Offshore and Polar Engineering

      巻: 32 号: 3 ページ: 275-284

    • DOI

      10.17736/ijope.2022.jc868

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] A 3D SPH-based entirely Lagrangian meshfree hydroelastic FSI solver for anisotropic composite structures2022

    • 著者名/発表者名
      Khayyer Abbas、Shimizu Yuma、Gotoh Hitoshi、Hattori Shunsuke
    • 雑誌名

      Applied Mathematical Modelling

      巻: 112 ページ: 560-613

    • DOI

      10.1016/j.apm.2022.07.031

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] An SPH-based fully-Lagrangian meshfree implicit FSI solver with high-order discretization terms2022

    • 著者名/発表者名
      Shimizu Yuma、Khayyer Abbas、Gotoh Hitoshi
    • 雑誌名

      Engineering Analysis with Boundary Elements

      巻: 137 ページ: 160-181

    • DOI

      10.1016/j.enganabound.2021.10.023

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] δ-SPH法による水面波の高精度計算のための改良型圧力勾配項の提案2023

    • 著者名/発表者名
      清水 裕真
    • 学会等名
      第70回海岸工学講演会 2023年11月
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] A corrected pressure gradient model in δ-SPH method for accurate water wave simulations2023

    • 著者名/発表者名
      Yuma Shimizu
    • 学会等名
      APAC 2023
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Fundamental investigation on the applicability of higher-order consistent ISPH method2022

    • 著者名/発表者名
      Yuma Shimizu
    • 学会等名
      The 32nd International Ocean and Polar Engineering Conference, Shanghai, China, June 2022
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Development of SPH-based higher-order consistent discretization scheme for consistent ISPH simulations of free surface fluid flows2022

    • 著者名/発表者名
      Yuma Shimizu
    • 学会等名
      2022 Xi'an SPHERIC International Workshop
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] An implicit fully Lagrangian meshfree structure model for consistent/accurate FSI simulations2021

    • 著者名/発表者名
      Yuma Shimizu
    • 学会等名
      SPHERIC 2021
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 高次微分演算子モデルの導入による粒子法の高精度化2021

    • 著者名/発表者名
      清水 裕真
    • 学会等名
      第68回 海岸工学講演会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書

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公開日: 2021-04-28   更新日: 2024-12-25  

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