〈一般研究課題〉 数値流体力学を用いた新たなにおい分布シミュレーション手法の開発
助 成 研 究 者

大同大学

坪井涼

数値流体力学を用いた新たなにおい分布シミュレーション手法の開発
坪井 涼（大同大学）Development of simulation method of smell distribution
using computational fluid dynamics
Ryo Tsuboi(Daido University)

Abstract：
At present, it is required to improve the situation regarding smell from the viewpoint of human
QOL in general living environment and factory work site. At first, smell is not visible, and there isno unified method for visualizing its distribution. The author has attempted to represent thedistribution of smell in the indoor environment in simulations and has succeeded in simulatingchanges in airflow due to airflow and heat sources, and the movement of particles (particles) in thecalculated airflow. However, there is a problem that the odor distribution cannot be expressed only
by mass transfer by simple air flow. This is because the odor is present only when the humanperceives the odor-producing substance and the brain determines that the odor is present, and thedistribution of the odor itself does not match the distribution of the odor-producing substance.
Therefore, the purpose of this study is to develop a new model for simulating the odor distribution
using computational fluid dynamics. A parameter study is conducted by a simulation of an odor
model in an air flow, and the odor diffusion model capable of expressing the diffusion of a specificodor is constructed by comparing with the experimental results quantified using a sensor.
Currently, the simulations performed are for obtaining the distribution of odor-producing
substances, and this study makes it possible to obtain the distribution of the odors perceived byhumans. If this method is established, the accuracy of the distribution of odors in houses and－ 143 －automobiles will be improved.

1. はじめに
1. はじめに
現在，一般の生活環境や工場の作業現場において，人間の 42/ の観点からにおいに関する状況の現在，一般の生活環境や工場の作業現場において，人間のQOLの観点からにおいに関する状況改善が求められている．の改善が求められている．
そもそも，においは目に見えるものではなくその分布の可視化に統一された手法は存在しない．
そもそも，においは目に見えるものではなくその分布の可視化に統一された手法は存在しない．
本申請者はシミュレーションにおいて室内環境におけるにおいの分布を表現しようと試みており，
本申請者はシミュレーションにおいて室内環境におけるにおいの分布を表現しようと試みており，空気の流れや熱源による気流の変化，また，計算された気流中における物質（粒子）移動について空気の流れや熱源による気流の変化，また，計算された気流中における物質（粒子）移動についてののシミュレーションに成功している．しかし，単純な気流による物質移動のみではにおいの分布はシミュレーションに成功している．しかし，単純な気流による物質移動のみではにおいの分布は表表現できないという課題がある．これは，においを発生する物質を人間が知覚し，さらににおいが現できないという課題がある．これは，においを発生する物質を人間が知覚し，さらににおいがああると脳が判断した場合にはじめてにおいが存在することになり，においそのものの分布とにおいると脳が判断した場合にはじめてにおいが存在することになり，においそのものの分布とにおいをを発生する物質の分布とは一致しないことに起因する．そこで，本研究では数値流体力学を用いて発生する物質の分布とは一致しないことに起因する．そこで，本研究では数値流体力学を用いてににおい分布のシミュレーションを行うための新たなモデルの構築を目的としている．
おい分布のシミュレーションを行うための新たなモデルの構築を目的としている．
気流中のにおいモデルの拡散シミュレーションによるパラメータースタディを行い，センサーを気流中のにおいモデルの拡散シミュレーションによるパラメータースタディを行い，センサーを用いて数値化した実験結果と比較することにより特定のにおいの拡散を表現することが可能なに用いて数値化した実験結果と比較することにより特定のにおいの拡散を表現することが可能なにおおいの拡散モデルの構築を行う．現在，行われているシミュレーションはにおいを発生する物質のいの拡散モデルの構築を行う．現在，行われているシミュレーションはにおいを発生する物質の分分布を得るためのものであり，本研究により人間が知覚するにおいそのものの分布を得るシミュレ
布を得るためのものであり，本研究により人間が知覚するにおいそのものの分布を得るシミュレーーションが可能となる．この手法が確立された場合，住宅や自動車の中などのにおいの分布の予想ションが可能となる．この手法が確立された場合，住宅や自動車の中などのにおいの分布の予想精精度が向上し，人間の生活環境の改善に大いに役立つと考えられる．
度が向上し，人間の生活環境の改善に大いに役立つと考えられる．
2. シミュレーション方法
2．シミュレーション方法
2.1 シミュレーション手法
2.1 シミュレーション手法
本研究では，領域内の流れ場の計算に有限要素法による非線形の汎用構造解析プログラムである
本研究では，領域内の流れ場の計算に有限要素法による非線形の汎用構造解析プログラムである
ADINA 9.5（ADINA R&D, Inc., US）を用いてシミュレーションを行った．また，モデルの作成にはADINA 9.5（ADINA R&D, Inc., US）を用いてシミュレーションを行った．また，モデルの作成にSolidWorks 2017（DASSAULT SYSTEMS, CO., US）を用いた．
はSolidWorks 2017（DASSAULT SYSTEMS, CO., US）を用いた．
2.2 計算モデルと条件
2.2 計算モデルと条件計算対象は実験用のチャンバーを模しており，1 辺 1m の立方体内部の中心に，瓶形状のにおい計算対象は実験用のチャンバーを模しており，1辺1mの立方体内部の中心に，瓶形状のにおいのの発生源を置きそこからの分布の変化を調査し発生源を置きそこからの分布の変化を調査した．また，た．また，排気口に強制速度 0.025 m/s を与え空気排気口に強制速度0.025 m/sを与え空気を排出させる．こを排出させる．この流速は実験における流量からの流速は実験における流量から算出しており，作動流体算出しており，作動流体は空気である．
は空気である．
図 1 は計算モデルの概略を示しており，原点，図1は計算モデルの概略を示しており，原点，排気口，排気口，流入口の位置を表している．モデル形状，流入口の位置を表している．モデル形状，計算条件は実
計算条件は実験環境に合わせている．
験環境に合わせている．
モデル空間の中央ににおいを模擬したモデル
モデル空間の中央ににおいを模擬したモデル物質の発物質の発生源を設置し，吸気口，排気口の位置を生源を設置し，吸気口，排気口の位置を変更することに変更することにより，その影響を調査した．
より，その影響を調査した．
においの拡散をシミュレーションするにはににおいの拡散をシミュレーションするにはにおいの拡おいの拡散の様式を表現するための拡散係数が必要となるが，現在，においそのものの拡散係数－ 144 －2

図1. 計算モデル
計算モデル
図1.

散の様式を表現するための拡散係数が必要となるが，現在，においそのものの拡散係数を求める手法は存在しない．そこで，本研究ではいくつかの拡散係数を用いてシミュレーションを行った．拡を求める手法は存在しない．そこで，本研究ではいくつかの拡散係数を用いてシミュレーションを散するモデル物質にはリモネンの物性値を用い，拡散係数は，1.0×10-4 m2/s，1.0×10-5 m2/s，1.0行った．拡散するモデル物質にはリモネンの物性値を用い，拡散係数は，1.0×10-4 m2/s，1.0×10-5 m2/s，×10-6 m2 /sの3種類を用いた．
1.0×10-6 m2/s の 3 種類を用いた．

3. シミュレーション結果
3．シミュレーション結果
3.1 流れ場
3.1 流れ場
 図 2 は計算領域内の流れ場の結果を，流線を用いて表している．流入した空気は流入口付近で渦図2は計算領域内の流れ場の結果を，流線を用いて表している．流入した空気は流入口付近で渦を蒔きやすいことが確認できる．流線を計算する積分時間の都合上，流出口付近の流れが可視化出を蒔きやすいことが確認できる．流線を計算する積分時間の都合上，流出口付近の流れが可視化出来ていないが，大きな渦などは出来ずにそのまま流出をしている．
来ていないが，大きな渦などは出来ずにそのまま流出をしている．
3.2 においモデル物質の拡散状態
3.2 においモデル物質の拡散状態
 図 3～図 5 は，図 2 で示した流れ場の結果をもとにした，においのモデル物質の拡散の様子を示
図3～図5は，図2で示した流れ場の結果をもとにした，においのモデル物質の拡散の様子を示ししている．拡散係数は 1.0 × 10-5 m2/s を仮定し，１秒，5,000 秒，10,000 秒の分布を表している．結ている．拡散係数は1.0× 10-5 m2 /sを仮定し，１秒，5,000秒，10,000秒の分布を表している．結果は体積分率をppm で示しており，値そのものは非常にが小さいことがわかる．気流の影響を受果は体積分率をppmで示しており，値そのものは非常にが小さいことがわかる．気流の影響を受け，モデル物質の溜まりやすいところや排出口から抜けていく様子などが確認できる． け，モデル物質の溜まりやすいところや排出口から抜けていく様子などが確認できる．

図2. 流れ場のシミュレーション結果

図3. モデル物質の拡散状態

図 2. 流れ場のシミュレーション結果-5図
3. モデル物質の拡散状態（拡散係数1.0×10m2 /s，t = 1.0 s）-5（拡散係数 1.0×10 m2/s，t = 1.0 s）

モデル物質の拡散状態
図 4.図4.
モデル物質の拡散状態（拡散係数1.0×10-5-5 m22 /s，t = 5000 s）

モデル物質の拡散状態
図 5. 図5.
モデル物質の拡散状態-52（拡散係数1.0×10-52m /s，t = 10000 s）（拡散係数 1.0×10 m /s，t = 5000 s）（拡散係数 1.0×10 m /s，t = 10000 s）－ 145 －3

3.3 分布の経時変化の比較
3.3 分布の経時変化の比較
図6はモデル物質の分布を定量的に比較するための測定点を示している．これは，実験装置とほ
図 6 はモデル物質の分布を定量的に比較するための測定点を示している．これは，実験装置とほぼ同じ位置であり，実験結果との比較によりシミュレーション結果の妥当性の判断が可能となる．
ぼ同じ位置であり，実験結果との比較によりシミュレーション結果の妥当性の判断が可能となる．
図7から図9は測定点7（流入口付近），測定点14（中心），測定点21（排出口付近）の体積分率の変化
図 7 から図 9 は測定点 7（流入口付近），測定点 14（中心），測定点 21（排出口付近）の体積分率のの時間推移を表している．全ての測定点に置いて拡散係数が高いときには，早期に一定濃度になり変化の時間推移を表している．全ての測定点に置いて拡散係数が高いときには，早期に一定濃度に拡散係数が低い場合は時間経過とともに増加していくことがわかる．これらの結果を実験結果と比なり拡散係数が低い場合は時間経過とともに増加していくことがわかる．これらの結果を実験結果較することで，物質拡散をにおいの拡散と同義と捉えることが可能となり，においの分布シミュと比較することで，物質拡散をにおいの拡散と同義と捉えることが可能となり，においの分布シミレーションに妥当性をもたせることが可能となる．
ュレーションに妥当性をもたせることが可能となる．
各測定点に置いて，モデル物質の拡散の様子が得られているが，その絶対値は0.0001ppmを下各測定点に置いて，モデル物質の拡散の様子が得られているが，その絶対値は 0.0001ppm を下回回っており，実験により測定された0.01ppmオーダーよりも著しく低い．これは，モデル物質の発っており，実験により測定された 0.01ppm オーダーよりも著しく低い．これは，モデル物質の発生生面における境界条件の設定によって改善されるものと考えられる．
面における境界条件の設定によって改善されるものと考えられる．

図6. モデル物質の拡散状態の時間推移の計測位置

図7. モデル物質の拡散状態の時間推移（point 7）

図 6. モデル物質の拡散状態の時間推移の計測位置

図 7. モデル物質の拡散状態の時間推移（point 7）

モデル物質の拡散状態の
図 8.図8.
モデル物質の拡散状態の時間推移（point 14）
時間推移（point 14）

モデル物質の拡散状態の
図 図9.
9. モデル物質の拡散状態の時間推移（point 21）
時間推移（point 21）

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