PCクラスタコンソーシアム HPCオープンソースソフトウェア普及部会ワークショップ, 2021年9月10日

粒子法CFDソフトウェアParticleworksの最近の産業応用事例

プロメテック・ソフトウェア株式会社
戸倉 直© Prometech Software, Inc.

内容
粒子法MPSの概要およびParticleworksの紹介
製造産業における適用事例
冠水路解析
被水解析
泥はね解析
ピストン冷却モーター冷却シミュレーションの可視化
気液2相シミュレーション
給油シミュレーション

並列計算のパフォーマンス
まとめ

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CFDソフトウェアParticleworks
最新バージョンParticleworks V7.1.2

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粒子法MPSの概要
MPS (Moving Particle Simulation)
モデル化対象 → 非圧縮性流れ
重み関数（カーネル関数）
01re ; 影響半径， 通常は re=3.1×粒子径w

re0r
re

Koshizuka, S., and Oka, Y., Moving-Particle Semi-implicit Method for Fragmentation of Incompressible Fluid, Nucl. Sci. Eng., 123, 421-434 (1996)3© Prometech Software, Inc.

粒子法MPSの概要
"粒子数密度" の定義（流体の空間充填率）

01

単純立方格子配列を想定

× 粒子数w(r)の値

2.100000 × 61.192031 × 120.789786 × 80.550000 × 6
122個の粒子
0.386362 × 240.265570 × 240.096016 × 120.033333 × 30↓
n0 = 54.32121 初期粒子数密度4© Prometech Software, Inc.

粒子法MPSの概要
解法
1

非圧縮Navier-Stokes方程式∇∆∇

Euler型離散化

∆1

∇1∇∇∇

粒子相互作用モデル
gradientLaplacian5∇∇

2%∗!

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∗∗#∗##∗#∗

粒子法MPSの概要
圧力陽解法連続の式および運動量保存方程式（Euler方程式）&&*∇·(&(&∆0( · ∇(*∇)&)
&

* ∆&
&

*

*

基準圧力をゼロとおく P0 = 06

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粒子法MPSの概要
圧力陽解法流体密度と粒子数密度の比例関係より*
疑似非圧縮条件(0.2,** /51(7**Ma ; Mach数
u ; 流速c ; 疑似音速

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&&+

1次元波動方程式

冠水路走行シミュレーション
Y. Tanaka, et al, (Toyota Motor Corporation), Development of Prediction Method for Engine
Compartment Water Level by Using Coupled Multibody and Fluid Dynamics, SAE Int. J.
Passeng. Cars - Mech. Syst. / Volume 10, Issue 2, July 2017
 エンジンコンパートメント内の水位の変化をシミュレーションで求める エアインテーク内への水の流入などを評価
 浮力による車体姿勢の変化を機構解析ソフトで計算

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自動車の被水対策検討
渡辺治行他（トヨタ自動車）, 自動車の防錆評価における被水解析技術の開発, 自動車技術会春季大会学術講演, 2021
有限体積法（FVM）と粒子法（MPS）によるタイヤ水はねシミュレーションの比較
"タイヤが水を跳ね上げる挙動は，ともに実車状態を表現できているが，MPSは，より実車状態に近く，計算量も少ない"車体の防錆対策、モーター、センサー等電子機器の防水対策に適用

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ピストン冷却Sami Ojala, Wärtsilä Finland, Designing and analysing the cooling of a medium speed engine
piston using MPS method, International CAE Conference, 2018
共役熱伝導とMPSの連携解析
ピストンヘッドのオイル冷却性能を評価
オイルとピストン壁面の熱伝達係数をMPSにより計算
構造解析ソフトで熱伝導解析を実行し実験と比較

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モーター冷却Martin Brada (Ricardo China), Thermal Simulation of an Oil Cooled E-Motor, International
CAE Conference, 2018
モーター冷却のオイルジェットの配置・分配量を決定
モーター回転による気流の影響を考慮
Particleworksに熱伝導解析機能を実装

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シミュレーション＋CGレンダリング最新のComputer Graphics技術を用いたVisualizationサービス
解析結果、CAD データ、図面、写真資料などをもとに特殊表現や高品質でフォトリアルなCG 映像を作成
動画だけではなく、インタラクション可能なXR(VR/AR/MR) コンテンツにも対応

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気液2相流のシミュレーション
液体と空気との相互作用の考慮した課題への取り組み
空気を粒子でモデル化することは可能ではあるが粒子数が膨大になる
粒子法で空間を完全に充填することが困難
有限体積法（FVM）で空気をモデル化 → MPSとFVMの連成機能

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燃料タンクへの給油シミュレーション
給油ガンによるガソリンの給油給油量30 L/minの場合 → 吹きこぼれなし給油量50 L/minの場合 → 吹きこぼれ発生

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並列計算パフォーマンス
マルチCPU
モデル諸元
 3,500万粒子
 現象時間 8秒

計算環境
 2 node 12 core

計算時間 112時間

マルチGPU
モデル諸元
 1,200万粒子
 現象時間 12秒

マルチGPUでの推定計算時間 5時間
メモリーの制約により、大規模モデル（粒⼦数＋距離関数）ではマルチCPUでの計算が必要となる

計算環境
 NVIDIA Tesla V100 4枚計算時間 2.5時間
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並列計算パフォーマンス
マルチCPU, GPUによるスケーラビリティの測定例
圧力陽解法マルチCPU

4,600,000粒⼦
3.45
2.63
1.91

1.00

Intel Xenon E5-2660 v3 2.6 GHz 25 MB
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まとめ
Particleworksの最近の産業応用事例と新機能について紹介した
共役熱伝導解析機能（流体-固体間）
有限体積法（FVM）による気流ソルバーおよびMPSとの連成解析機能
マルチGPUスケーラビリティーの性能向上（Particleworks V.7～）

粒子法の特長が活かされる応用分野では高速な計算が評価されている
車体の被水解析、冠水路走行解析
ピストン冷却、モーター冷却今後の課題雪のモデル化および着雪のシミュレーション
高粘性流体計算の高精度化
etc...

17© Prometech Software, Inc.