流体アニメーション制作支援システム

顔写真

氏名
竹下大樹
E-mail
take@akita-nct.ac.jp
職名
准教授
学位
博士(工学)
所属学会・協会
情報処理学会,映像情報メディア学会,芸術科学会,ACM,IEEE
キーワード
コンピュータグラフィックス,流体力学,物理シミュレーション
技術相談
提供可能技術
・流体アニメーション
・粒子法による流体シミュレーション

研究内容

粒子法による爆発アニメーション制作支援システム 流体表現の初期の研究では、計算機の処理能力の制限があったため、質点のシミュレーションを基本とし、粘性や渦場を考慮することで流体のような運動を表現した。近年ではナビエ・ストークス方程式を解き、速度場などを求めることでリアルなアニメーションを作成する研究が盛んである。これは空間をメッシュに区切ってシミュレーションを行う格子法による流体表現と粒子を計算点とする粒子法による流体表現に分けられる。格子法(可視化やメッシュとの相互作用のために粒子を用いた手法を含む)は粒子法に比べ、計算効率が良い。一方、粒子法による流体の表現はより複雑な流体境界面の形成が可能であることから、液体の表現に用いられた。 本研究が目的とする爆発を表現する手法の過去の研究例は格子法を用い、高速に処理され、爆発の膨張が良く表現された。しかしながら、流体の振る舞いそのものは単純である。格子法による爆発のアニメーションにおいて、膨張の表現を考慮すると、炎の形状が単純な傾向がある。格子を用いたシミュレーションでは速度場の平滑化によって流体の詳細が失われやすい。この問題を補うために頻繫に適用されているVorticity Confinement法はもともと存在する渦度を増幅することになるため、膨張のように渦度が低い現象では効果が低くなる。 一方で我々は粒子のみによって爆発を表現する手法を提案した。この手法では空気粒子と炎粒子を用い、粒子間相互作用力を用いた圧力勾配の近似によってMPS法やSPH法に比べて計算量を軽減したモデルを提案した。この手法では以下に示す非圧縮性粘性N・S方程式と流体の熱計算の方程式を用いてモデル化された。 take1 ここでu、t、ν、p、f、T、α、βは速度、時間、動粘性率、圧力、外力、温度、温度伝達率、熱放射率である。(1)式は質量保存、(2)式の右辺は移流項、粘性項、圧力項、外力項、(3)式の右辺は移流項、熱伝導項、熱放射項である。粒子法では粒子を用いることで質量は完全に保存され、移流項は粒子の持つ慣性速度が対応する。さらにこの手法では粘性項を速度の加重平均でモデル化し、粒子間相互作用力によって圧力項の実現を試みることによって、方程式の各項に対応した近似的な離散化となっている。また、外力として浮力を考慮し、熱伝導、熱放射をモデル化する。空気による熱伝導の影響は小さいが、空気は混合することで温度の低下が発生する。これをエントレインメントと呼ぶ。この影響を熱伝導モデルで実現している。 この手法は複雑な流体境界面を形成できるものの、計算量が非常に大きいという問題が残されているため、現在研究を継続している。

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