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桜の花の落ちるスピードは秒速5センチメートルか? 〜OpenFOAM編〜

桜の花の落ちるスピードは秒速5センチメートルか? 〜OpenFOAM編〜

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matsubaraDaisuke

April 28, 2019
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  1. 桜の花の落ちるスピードは秒速5センチメートルか? 〜OpenFOAM編〜 2018/4/20 1 第71回 オープンCAE勉強会@関西 松原 大輔 2018年4月20日 第71回

    オープンCAE勉強会@関西
  2. 2 はじめに 2018/4/20 第71回 オープンCAE勉強会@関西 小学生 篠原明里 (アカリ) ねえ、秒速5センチなんだって。 桜の花の落ちるスピード。

    秒速5センチメートル。 「君の名は。」で有名な新海誠 監督の作品に「秒速5センチメートル」 という作品がある。 絵は美しい風景なのに内容は ショッキングであり多くの人が うつ病になったと噂される作品。 タイトルは、作中のヒロインが発した 言葉から 「桜の花の落ちるスピードは秒速5センチメートル」 は正しいのかCFDで検証する
  3. 3 先行研究 結論:秒速180cm (時間平均) 2018/4/20 第71回 オープンCAE勉強会@関西 先行研究1(CFD) 先行研究2(実験) 流体力学で検証:

    桜の花の落ちるスピード 「秒速5センチメートル」 は正しいのか? URL:https://www.youtube.com /watch?v=9OKR9FHVZuU 積分サークル (youtuber はなお氏)より 結論:平均秒速70cm (試行回数100回) 「秒速5センチメートルは本 当に正しいのか..以下略」 URL:https://monoist.atmarkit.co .jp /mn /articles /1504/01/news03 1_2.html MONOIST より
  4. 4 本テーマ 2018/4/20 第71回 オープンCAE勉強会@関西 いずれの調査でも、桜の花の落ちるスピード は秒速5センチメートルより一桁以上大きい 値を示している。 今回はオープンソースの流体解析ソフト OpenFOAMv1706のオーバーセットと6-DOF機

    能を使ってこの問題を検証してみた。
  5. 5 オーバーセットとは? 2018/4/20 第71回 オープンCAE勉強会@関西 バックグラウンドメッシュ 計算対象の物体 物体周りのメッシュ

  6. 6 6-DOFとは? 2018/4/20 第71回 オープンCAE勉強会@関西 ⚫ 6-DOFは並進3自由度、回転3自由度の最大6自由度を持つ物体 の運動のことを指す。 ⚫ 物体の動くシミュレーションには、①物体の動きが完全に規定され

    たものと、②流体力を受けて運動するものとがあり、今回は後者の ものを扱う。 ⚫ 後者の場合、物体に対して並進と回転の運動方程式を解くことに なるので、質量や慣性モーメント(テンソル)の情報が必要となる。 ⚫ 6-DOFはオーバーセットメッシュと組み合わせることで、ダイナミック な動きを再現できる。従来は、物体が動くごとにリメッシュし、メッ シュが歪み発散して使い物にならなかった。
  7. 7 質量と慣性モーメント(テンソル)の計算方法1 2018/4/20 第71回 オープンCAE勉強会@関西 CADで花びらを作成 = න 2 ~

    ෍ 2 慣性モーメントの例 複雑形状の場合、質量と慣性モーメントを計算するには、 以下の様に離散化して数値積分する必要がある。
  8. 8 質量と慣性モーメント(テンソル)の計算方法2 2018/4/20 第71回 オープンCAE勉強会@関西 OSSのCADソフト、FreeCADのpythonコンソールを使えば 簡単に計算が可能 = 0 0

    0 0 0 0 1 慣性テンソルは 重心周りに右の 形で返ってくる
  9. 9 質量と慣性モーメント(テンソル)の計算方法3 2018/4/20 第71回 オープンCAE勉強会@関西 念のため、簡単形状で検算 = ൗ 12 2

    + 2 原点 10mm 20mm 10mm 10mm = ൗ 12 2 + 2 = ൗ 12 2 + 2 a b c
  10. 10 OpenFOAMのケースファイルを作成開始 2018/4/20 第71回 オープンCAE勉強会@関西 参考にしたチュートリアル overInterDyMFoam:floating body 本来は2相流用のソルバーであるが、 重力の効果は、このソルバーでないと

    なさそうなので、これを利用
  11. 11 慣性テンソルから慣性主軸と主慣性モーメントを抽出 2018/4/20 第71回 オープンCAE勉強会@関西 こちらのサイトを参考にした。 Pythonを用いて固有値、固有ベクトルを計算 https://qiita.com/alchemist/items/279fe7e32f6583fffa37

  12. 12 重心、重量、慣性テンソルなどを設定 2018/4/20 第71回 オープンCAE勉強会@関西 Case/background/constant/dynamicMeshDict sixDoFRigidBodyMotionCoeffs { patches (floatingObject);

    centreOfMass (7.539e-3 0.0 -28.202e-3); //重心 mass 17863e-10;//重量 kg momentOfInertia (3065876e-16 12692283e-16 9789480e-16); // 主慣性モーメント orientation // 慣性主軸 ( 0.9986 0.0 0.0523 0.0523 0.0 -0.9986 0 -1 0 ); }
  13. 13 物体周りのメッシュを作成 2018/4/20 第71回 オープンCAE勉強会@関西 桜の花をメッシュ化

  14. 14 バックグラウンドメッシュを作成 2018/4/20 第71回 オープンCAE勉強会@関西 Backgroundメッシュ 花びら周りのメッシュ

  15. 15 計算結果の動画 2018/4/20 第71回 オープンCAE勉強会@関西 花びら youtube: https://www.youtube.com/watch?v=0DCnXPlDkDk

  16. 16 結果 2018/4/20 第71回 オープンCAE勉強会@関西 結果は、秒速149cm/s (実験により近い結果が出た) 時間 [s] 重心のZ座標

    [m] 初期 0 0 終端 1.0 -1.488 差 1.0 -1.488 参考 先行研究1(CFD) 先行研究2(実験) :秒速180cm(時間平均) :平均秒速70cm(試行回数100回)
  17. 17 まとめ 2018/4/20 第71回 オープンCAE勉強会@関西 OpenFOAMのオーバーセットメッシュと6-DOF機能を用いて、 桜の花びらの落ちるシミュレーションを行った。 シミュレーション結果から、桜の落ちるスピードは秒速149cm であり、 「桜の花の落ちるスピードは秒速5センチメートル

    (仮説)」とはかけ離れた結果となった。 今後は、流れ場の様子を考察したり、秒速5センチメートル となる外気の条件を見つけたりしたい。