JP7093741B2

JP7093741B2 - 気流の可視化方法、及び、それを用いたシミュレーション装置

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Publication number: JP7093741B2
Application number: JP2019061091A
Authority: JP
Inventors: 恒弥栗原; 正裕山崎
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2019-03-27
Filing date: 2019-03-27
Publication date: 2022-06-30
Anticipated expiration: 2039-03-27
Also published as: JP2020160924A

Description

本発明は、気流の変化をシミュレーションによりリアルタイムで可視化できる気流の可視化方法に関する。

産業機器において、物体が介入する際の気流の変化を解析することで、その使い方の教育支援や産業機器の開発支援を図ることが可能である。

例えば、医療、製薬などの産業分野においてバイオハザード対策として用いられる安全キャビネットは、エアバリアを設け、一部に開口部を有する仕切られた空間内で作業をすることで、外部の雑菌から試料を保護することのできる隔離性能を有している。ここで、作業するために手や物体などを作業空間内に挿入すると、その作業空間の気流が変化する。そのため、その気流の変化をリアルタイムに計算して可視化することで、その使用方法の教育や、構造開発などに活用できる。しかしながら、一般的に、気流のシミュレーションには時間がかかるためリアルタイムでは実現できないという課題があった。

本技術分野の背景技術として、特許文献１や非特許文献１がある。特許文献１では、熱流体シミュレーションは、有限要素法や境界要素法などを使用した場合は、実時間の１０００倍以上の時間が必要であり、低次元化シミュレーション技術を使用することで、１００倍以上の高速化を達成することができるが、低次元化シミュレーションの精度は低いという問題があり、精度向上を実現することを目的としている。そして、測定データと低次元化シミュレーションの結果との第１誤差を最小にする重み係数を線形和における重み係数として決定するデータ同化処理を行なう点が開示されている。
また、非特許文献１には、流体の簡易シミュレーション方法が開示されている。

特開２０１４－２６４４０号公報

Stam, Jos. Stable Fluids. In: Siggraph. 1999. p. 121-128.

特許文献１では、高速化と精度向上を図るが、それでも、実時間の１００倍程度の時間が必要であり、リアルタイムでのシミュレーションは難しい。また、非特許文献１での簡易シミュレーション方法によれば、高速化は可能であるが精度が低いという課題がある。

本発明は、上記課題に鑑み、定常的な気流の流れに対して、物体が介入する際の気流の変化に特化して、リアルタイムに計算にて可視化することを目的とする。

本発明は、上記背景技術及び課題に鑑み、その一例を挙げるならば、シミュレーションによる気流の可視化方法であって、定常状態の気流のシミュレーション結果を保持しておき、物体が移動した場合の物体の位置及び速度の変化に対応して物体の周辺の気流のシミュレーションを実時間で行い、保持しておいた定常状態の気流のシミュレーション結果と物体の周辺の気流のシミュレーション結果を実時間で合成して可視化する。

本発明によれば、定常的な気流の流れに対して、物体が介入する際の気流の変化をリアルタイムに可視化することが可能となる。

実施例１におけるシミュレーション装置の機能構成図である。実施例１におけるシミュレーション装置のブロック構成図である。実施例１におけるシミュレーション装置の処理フロー図である。実施例１における定常状態解析の説明図である。実施例１におけるリアルタイム解析の説明図である。実施例１における簡易シミュレーションの説明図である。実施例１における合成処理の説明図である。実施例２における簡易シミュレーションの説明図である。

以下、本発明の実施例につき、図面を用いて説明する。なお、以下の実施例においては、その一例として、気流の影響を受ける安全キャビネットを用いた例を示し、物体の介入として、手を作業空間内に挿入する場合を想定して説明する。

図１は本実施例におけるシミュレーション装置の機能構成図である。図１において、シミュレーション装置１は、演算部１０、参照データ２０、入力部１７、表示部１８、からなる。

また、図２は本実施例におけるシミュレーション装置のハードウェアイメージのブロック構成図である。なお、図２において、図１と同じ機能は同じ符号を付している。図２において、シミュレーション装置１は、一般的な情報処理装置である、処理装置（ＣＰＵ）と記憶装置を有する装置によって実現される。すなわち、図１における演算部１０の処理は図２におけるＣＰＵ３０で実行し、記憶装置４０に格納されたプログラム５０をＣＰＵ３０が実行することによりそれらの機能を実行する。具体的には、ＣＰＵ３０は、演算部１０の機能である、解析モデル生成部１１、定常状態流体シミュレーション部１２、リアルタイム解析モデル生成部１３、リアルタイム流体シミュレーション部１４、シミュレーション結果合成部１５、及び、解析結果可視化部１６が、記憶装置４０のプログラム５０内のそれぞれのプログラムＰ１１～Ｐ１６を実行することによりそれらの機能を実行する。また、その際に参照する参照データ２０も記憶装置４０内に保存されている。なお、通信装置８０は、外部とのインターフェースであって、例えば、記憶装置４０内に保存されている参照データ２０をデータベースとして外部に有し、通信装置８０を介して参照データ２０にアクセスするようにしてもよい。また、入力装置６０は、ユーザからのパラメータ等のデータを入力する装置であり、キーボードやタッチパネル等である。また、表示装置７０は、モニタ等であって、後述する可視化処理によって、シミュレーションによる解析結果を表示する装置である。また、図１における入力部１７、表示部１８はそれぞれ入力装置６０と表示装置７０に対応する。なお、入力装置６０と表示装置７０はタッチパネル等の一体形式としてもよい。

図３は本実施例におけるシミュレーション装置の処理フロー図である。以下、図３を用いて、図１、２を参照しながら、シミュレーション装置の処理について説明する。

図３において、まず、ステップＳ１０１において、解析モデルを生成する。これは、ＣＰＵ３０が解析モデル生成部１１により、参照データ２０内の形状モデル２１と解析条件２２を参照して解析モデルを生成する。すなわち、後述するグリッドを生成する。また生成した解析モデルは解析モデル２３として参照データ２０内に保存する。

次に、ステップＳ１０２において、定常状態流体シミュレーション部１２により、参照データ２０内の解析モデル２３を参照して定常状態流体シミュレーションを実行する。この処理については、詳細は後述するが、例えば安全キャビネットにおいて、作業空間内に手や物体を挿入する前の定常的な気流の流体シミュレーションを行う。この定常状態流体シミュレーションは、リアルタイムのシミュレーションを行う前の事前段階のシミュレーションであるので、リアルタイムに行う必要はなく、有限要素法や境界要素法などを使用した厳密なシミュレーションを行なう。そして、ステップＳ１０３において、ステップＳ１０２において実行したシミュレーションによる定常状態の解析結果の可視化処理を行う。なお、解析した定常状態の解析結果は、定常状態解析結果２４として参照データ２０内に保存する。ここまでの処理は事前処理である。

次に、ステップＳ１０４において、リアルタイムのシミュレーションを行うためのユーザ入力の受付を行い、ユーザ入力によりリアルタイムのシミュレーションを開始する。

そして、ステップＳ１０５において、移動物体のモデル化を行なう。これは、例えば、安全キャビネットにおいて、作業空間内に挿入する手や物体をモデル化する。

そして、ステップＳ１０６において、リアルタイム解析モデルを生成する。これは、ＣＰＵ１０がリアルタイム解析モデル生成部１３により、移動物体のモデルを参照して解析モデルを生成する。すなわち、移動物体のモデルにグリッドを生成する。また生成したリアルタイム解析モデルはリアルタイム解析モデル２５として参照データ２０内に保存する。

そして、ステップＳ１０７において、リアルタイム流体シミュレーション部１４により、参照データ２０内のリアルタイム解析モデル２５を参照してリアルタイム流体シミュレーションを実行する。これは、詳細は後述するが、例えば安全キャビネットにおいて、作業空間内に挿入する手や物体の周辺のグリッドに対して気流の簡易的な流体シミュレーションを行う。なお、ステップＳ１０７において実行したリアルタイム流体シミュレーションの解析結果は、リアルタイム部分解析結果２６として参照データ２０内に保存する。

そして、ステップＳ１０８において、シミュレーション結果合成部１５により、定常状態解析結果２４とリアルタイム部分解析結果２６とを合成して、リアルタイムのシミュレーション結果を生成する。シミュレーション結果合成部１５により生成したリアルタイムのシミュレーション結果はリアルタイム解析結果２７として参照データ２０内に保存する。

そして、ステップＳ１０９において、ステップＳ１０８において実行したシミュレーションによるリアルタイム解析結果２７の可視化処理を解析結果可視化部１６により行う。可視化の具体的な内容としては、例えば、矢印で気流の向を示し濃淡で気流の速度を示すようにしてもよいし、あるいは、粒子の動きを用いて表示する、いわゆるパーティクル表示としてもよい。

そして、ステップＳ１１０において、シミュレーション終了かを判断し、終了でなければ、ステップＳ１０４に戻って、リアルタイムシミュレーションを継続する。

図４は、本実施例における定常状態解析の説明図である。本実施例では、安全キャビネットを例にして説明する。図４は、安全キャビネットの概略側面図を示し、図４（ａ）は形状モデルを示している。図４（ａ）において、安全キャビネット１００の筐体１０１の中央域に開口が設けられ、その奥に作業空間１０４が設けられている。作業空間１０４の前面側には、開口の上部を塞ぐように前面板１０２が設けられ、その下側には作業開口１０３が設けられ、作業者は作業開口１０３から作業空間１０４に手を入れて、作業を行う。前面板１０２は、ガラス等の透明な材料で形成されており、作業者は前面板を通して作業を目視することができる。

作業空間１０４の底面には略平坦な作業ステージ１０５が設けられ、作業者は作業ステージ上で作業を行う。作業ステージ１０５の前方側であって、作業開口１０３の近くには、下方に通じる吸気口１０７が設けられている。吸気口１０７は、例えば作業開口１０３に沿って筐体の左右方向に延びるスリットで形成されている。作業空間１０４の背面側には、吸気口１０７から筐体の上部に通じる背面流路１０８が設けられている。

作業空間１０４の上側には吹き出し側ファン１０９が設けられている。また、粒子を除去するフィルタ１１０が設けられており、微粒子を除去した清浄な空気を作業空間１０４に吹き出す。筐体１０１の上部には、空気の一部をフィルタ１１１を通して、微粒子を除去して装置の外部へ排出する。なお、筐体１０１の上部に、空気の一部を外部へ放出する吹き出し側ファンを設けてもよい。

図４（ｂ）は、解析モデル生成部１１により、解析モデルとして、グリッドを生成する点を示している。解析条件として、例えば、グリッドの幅等を設定する。

図４（ｃ）は、定常状態の流体シミュレーションによる解析結果を示す。定常状態の流体シミュレーションは、解析対象の形状、フィルタ、ファンなどから気流の流れを求める。また、各グリッドに風速、密度、圧力などが求められる。

図５は、本実施例におけるリアルタイム解析の説明図である。図５（ａ）は、図４（ｃ）と同じ、定常状態の流体シミュレーションによる解析結果を示す。図５（ｂ）は、安全キャビネットの作業空間内に手２００を挿入した場合の、リアルタイム解析モデル生成部１３によるリアルタイム解析モデルの生成を示す。すなわち、手２００の周辺の所定範囲２１０において、簡易的なシミュレーションを行うためのグリッドを生成する。

図５（ｃ）は、リアルタイム流体シミュレーション部１４により、図５（ｂ）のリアルタイム解析モデルを参照してリアルタイム流体シミュレーションを実行した結果を示す。すなわち、安全キャビネットにおいて、作業空間内に挿入する手２００の周辺の所定範囲２１０のグリッドに対して気流の簡易的な流体シミュレーションを行う。簡易的な流体シミュレーションの詳細については後述する。

図５（ｄ）は、シミュレーション結果合成部１５により、定常状態解析結果とリアルタイム部分解析結果とを合成する様子を説明する図である。すなわち、簡易的シミュレーションを行なった所定範囲２１０とその外周の定常状態シミュレーションを行った領域との境界部分を補間することで合成する。言い換えれば、所定範囲２１０とその内部領域２２０との間を補間する。具体的な処理内容については後述する。図５（ｅ）は、シミュレーション結果合成部１５により合成されたリアルタイム解析結果を示す。

図６は、本実施例における簡易シミュレーションを説明する図である。図６において、簡易シミュレーション方法として、図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の３方式があり、図６（ａ）は、手２００の周辺の所定範囲２１０のグリッドに対して非特許文献１に記載されている、流体の簡易シミュレーション方法を用いてシミュレーションする。図６（ｂ）は、手２００の周辺の所定範囲２１０を定常状態シミュレーションの際に用いたグリッドよりも粗いグリッドとして、３次元のシミュレーションを行う。図６（ｃ）は、手２００の周辺の所定範囲２１０を２次元のグリッドでシミュレーションし、奥行方向は同じ値で置き換えて３次元化する。

図７は、本実施例における合成処理の説明図である。図７において、簡易的シミュレーションを行なった所定範囲２１０とその外周の定常状態シミュレーションを行った領域との境界部分を補間し合成する。具体的な方法として、所定範囲２１０とその内部領域２２０との間を補間する。すなわち、補間後の値Ｘは、下記式（１）で示すように線形補間することで求められる。

ここで、ｄＡは、補間する対象点５００に対して領域Ａの所定範囲２１０の境界との距離。ｄＢは、補間する対象点５００に対して領域Ｂの内部領域２２０の境界との距離。ＸＡは、ｄＢがゼロでのシミュレーションの値、ＸＢは、ｄＡがゼロでのシミュレーションの値。

このように、本実施例によれば、物体が介入する際の気流の変化に特化して、定常状態での気流の流れは事前にシミュレーションで求めておき、物体が介入する際の周辺の領域に対して簡易シミュレーションを行い、事前シミュレーションと簡易シミュレーションを合成し、その境界領域は補間することで、全体の気流の変化をリアルタイムで可視化できる。言い換えれば、定常的な気流の流れに対して、手や物体の動きによる気流の変化に特化して、リアルタイムに計算にて可視化が可能となる。

本実施例は、簡易シミュレーションの他の方法について説明する。図８は、本実施例における簡易シミュレーションを説明する図である。図８において、簡易シミュレーション方法として、図８（ａ）、（ｂ）の２方式があり、図８（ａ）は、手２００の周辺の所定範囲２１０内での粒子４００に対して手の動きを考慮したシミュレーションを行う。すなわち、粒子４００に対応したグリッドに対して求められた速度を下記式（２）で示すように三重線形補間することで粒子４００の速度ｘを求める。

ここで、ｓ、ｔ、ｕは粒子４００とグリッド中心点との３次元での距離。Ｘ***は、ｓ、ｔ、ｕがそれぞれゼロでのグリッドに対して求められた速度。この速度を積分することで次の粒子位置を得る。

図８（ｂ）は、手からの反力を得る場合の速度修正を説明する図である。手からの反力を得る場合の簡単な方法はペナルティ法がある。すなわち、図８（ｂ）において、まず、粒子４００ｘと手２００との最短点ｙを計算する。そして、粒子４００ｘと最短点ｙとの距離ｄが閾値ｄ_０以下の場合には反力ｆを下記式（３）で与える。

ここで、ｈはプランク定数、ｋはバネ定数、ｖは粒子の速度、ｎは法線である。

この反力から速度変化を求めて、速度場による動きを修正する。なお、事前シミュレーションと簡易シミュレーションを合成し、その境界領域を補間する点は、実施例１と同様である。

このように、本実施例によれば、実施例１と同様に、物体が介入する際の気流の変化に特化して、定常状態での気流の流れは事前にシミュレーションで求めておき、物体が介入する際の周辺の領域に対して簡易シミュレーションを行い、事前シミュレーションと簡易シミュレーションを合成し、その境界領域は補間することで、気流の変化をリアルタイムで可視化できる。

以上実施例について説明したが、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

また、以上の説明では、安全キャビネットについて説明したが、その他の気流の影響を受ける産業機器に提供してもよい。例えば、クリーンルームの入口などに設置される、清浄な空気を全身に吹きつけて、ちりやほこりなどを除去する装置である、エアシャワーにおいても適用でき、体の動きにおける気流の変化をリアルタイムに計算して可視化することで、使用者の教育支援や、機器の開発支援に貢献できる。

また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、各構成、機能をソフトウェアで実現する場合、各機能を実現するプログラム、データ、ファイル等の情報は、メモリのみならず、ハードディスク等の記録装置、または、ＩＣカード等の記録媒体におくことができるし、必要に応じて無線ネットワーク等を介してダウンロードし、インストロールすることも可能である。

１：シミュレーション装置、１０：演算部、１１：解析モデル生成部、１２：定常状態流体シミュレーション部、１３：リアルタイム解析モデル生成部、１４：リアルタイム流体シミュレーション部、１５：シミュレーション結果合成部、１６：解析結果可視化部、２０：参照データ、３０：ＣＰＵ、４０：記憶装置、５０：プログラム、６０：入力装置、７０：表示装置、１００：安全キャビネット、１０４：作業空間、２００：手、２１０：所定範囲、２２０：内部領域、５００：対象点、４００：粒子

Claims

シミュレーションによる気流の可視化方法であって、
定常状態の気流のシミュレーション結果を保持しておき、
物体が移動した場合の前記物体の位置及び速度の変化に対応して前記物体の周辺の気流のシミュレーションを実時間で行い、
保持しておいた前記定常状態の気流のシミュレーション結果と前記物体の周辺の気流のシミュレーション結果を実時間で合成して可視化することを特徴とする気流の可視化方法。
請求項１に記載の気流の可視化方法であって、
前記物体の周辺の気流のシミュレーションは、前記物体の周辺のグリッドに対して気流のシミュレーションを行なうことを特徴とする気流の可視化方法。
請求項１に記載の気流の可視化方法であって、
前記合成は、前記定常状態の気流のシミュレーションを行った領域と前記物体の周辺の気流のシミュレーションを行った領域の境界部分を補間することで合成することを特徴とする気流の可視化方法。
請求項１に記載の気流の可視化方法であって、
前記物体の周辺の気流のシミュレーションは、前記定常状態の気流のシミュレーションよりも簡略化された簡易シミュレーションを行なうことを特徴とする気流の可視化方法。
請求項２に記載の気流の可視化方法であって、
前記物体の周辺の気流のシミュレーションは、前記定常状態の気流のシミュレーションの際に用いたグリッドよりも粗いグリッドでシミュレーションを行うことを特徴とする気流の可視化方法。
請求項２に記載の気流の可視化方法であって、
前記物体の周辺の気流のシミュレーションは、前記グリッドに対して２次元のシミュレーションを行ない、奥行方向は同じ値で置き換えて３次元化したシミュレーションとすることを特徴とする気流の可視化方法。
請求項１に記載の気流の可視化方法であって、
前記物体の周辺の気流のシミュレーションは、前記物体の周辺の粒子に対して該物体の動きを考慮したシミュレーションを行うことを特徴とする気流の可視化方法。
請求項１に記載の気流の可視化方法であって、
前記可視化は粒子の動きを用いて表示することを特徴とする気流の可視化方法。
請求項１に記載の気流の可視化方法において、
気流を可視化する対象は安全キャビネットの作業空間内であり、移動する物体は手であることを特徴とする気流の可視化方法。
気流の可視化を行うシミュレーション装置であって、
シミュレーションを行う処理装置と、
該シミュレーションの結果を表示する表示装置を有し、
前記処理装置は、
定常状態の流体シミュレーションを実行する定常状態流体シミュレーション部と、
物体が移動した場合の前記物体の位置及び速度の変化に対応して前記物体の周辺の気流のシミュレーションを実時間で行なうリアルタイム流体シミュレーション部と、
前記定常状態の流体シミュレーション結果と前記物体の周辺の気流のシミュレーション結果を実時間で合成するシミュレーション結果合成部と、
を有することを特徴とするシミュレーション装置。
請求項１０に記載のシミュレーション装置であって、
前記リアルタイム流体シミュレーション部は、前記物体の周辺のグリッドに対して気流のシミュレーションを行なうことを特徴とするシミュレーション装置。
請求項１０に記載のシミュレーション装置であって、
前記シミュレーション結果合成部は、前記定常状態の気流のシミュレーションを行った領域と前記物体の周辺の気流のシミュレーションを行った領域の境界部分を補間することで合成することを特徴とするシミュレーション装置。
請求項１０に記載のシミュレーション装置であって、
前記リアルタイム流体シミュレーション部は、前記物体の周辺の粒子に対して該物体の動きを考慮したシミュレーションを行うことを特徴とするシミュレーション装置。
請求項１０に記載のシミュレーション装置であって、
前記表示装置は、粒子の動きを用いて表示することを特徴とするシミュレーション装置。
請求項１０に記載のシミュレーション装置において、
シミュレーションを行う対象は安全キャビネットの作業空間内であり、移動する物体は手であることを特徴とするシミュレーション装置。