第35回 CCSE ワークショップ

xR技術による流体解析評価の高度化

株式会社荏原製作所
技術・知的財産統括部
戦略技術推進部 xR技術推進課

村瀬 太郎
2024.2.2

目次

1. 会社紹介
2. xR技術について

3. VR技術を用いた解析可視化の事例
4. MR技術を用いた解析可視化の事例
5. 今後の展望

2/32

Copyright(c) Ebara Corporation, All rights reserved

目次

1. 会社紹介
2. xR技術について

3. VR技術を用いた解析可視化の事例
4. MR技術を用いた解析可視化の事例
5. 今後の展望

3/32

Copyright(c) Ebara Corporation, All rights reserved

荏原製作所・概要
創業
大正元年

1912

関係会社数

今年で創業

年

112周年

2024

本社所在地

年

116

社

従業員数

19,095東京都大田区

連結

羽田

単体 4,291名

名

2022年12月末現在

4/32

Copyright(c) Ebara Corporation, All rights reserved

荏原製作所の歴史
荏原の挑戦へのDNAはここから始まった
荏原製作所は、ゐのくち式渦巻ポンプを製作する
大学発ベンチャー企業として1912年に創業創業の地 東京荏原町の工場風景

創業の精神 『熱と誠』
創業者 畠山一清は『熱と誠』の精神で事業を拡大『熱と誠』

自ら創意工夫する熱意で取り組み、誠心誠意これをやり遂げる心をもって仕事をすること。そして、何事も熱意と誠心をもって人に接すれば相手に通じないことは創業者 畠山一清

5/32

井口在屋教授Copyright(c) Ebara Corporation, All rights reserved無い。

世界に広がる荏原の拠点（合計116社）

962013431411※2022年12月末現在における主な関係会社を含む

6/32

Copyright(c) Ebara Corporation, All rights reservedくらしを支える荏原の製品

7/32

Copyright(c) Ebara Corporation, All rights reserved

目次

1. 会社紹介2. xR技術について

3. VR技術を用いた解析可視化の事例
4. MR技術を用いた解析可視化の事例
5. 今後の展望

8/32

Copyright(c) Ebara Corporation, All rights reserved

xR技術：VRデバイス

xR

VR (Virtual Reality) 仮想現実
MR (Mixed Reality) 複合現実
AR (Argumented Reality) 拡張現実

ヘッドマウントディスプレイ（HMD）

Meta社 Quest2

・高い没入感・可搬性に優れる・エンタメ分野を中心とした活用が進む

9/32

Copyright(c) Ebara Corporation, All rights reserved

HTC社 VIVE Pro

xR技術：VRデバイス
CAVEシステム

藤沢事業所設置の3面CAVEシステム

CAVEシステムによるトラッキング

液晶シャッターメガネとコントローラ

10/32

Copyright(c) Ebara Corporation, All rights reserved

・複数人で没入が可能

xR技術: MR (Mixed Reality) ，AR (Argumented Reality)技術
スマートグラスMicrosoft社HoloLens2

12/32

Copyright(c) Ebara Corporation, All rights reserved

Google社 google glass

Lenovo社ThinkRealityA3

目次

1. 会社紹介
2. xR技術について

3. VR技術を用いた解析可視化の事例
4. MR技術を用いた解析可視化の事例
5. 今後の展望
13/32

Copyright(c) Ebara Corporation, All rights reserved

流体機械がつくる流動のxR技術を用いた可視化
1. 非定常で3次元的な流体機械の内部流動は，ある時刻のある断面を抽出する等の既存の手法では理解しにくい．
 xR技術を用いて可視化すれば， 3次元的な物理現象を3次元のまま可視化が可能．

2. 計算結果データが巨大で，手元のPCに送信するだけで膨大な時間がかかる．
巨大な計算データに対して既存のビュワーでは3次元的な視線移動が難しい．
 粒子ベースボリュームレンダリング（PBVR: Particle based volume rendering）が有効．
既存の可視化手法

断面に切り取る

非定常解析データ

xR技術

ヘッドマウントディスプレイ（HMD)

・多くの情報が欠落する・有識者以外の流れの把握が困難

解析結果へのVR没入

CAVEシステム

14/32

Copyright(c) Ebara Corporation, All rights reserved

VRを用いた解析結果の評価の事例：吸込み水槽の周りに生じる渦排水機場で活用される大型のポンプ
解析条件
・空間２次精度，時間2次精度
・乱流モデル: LES(WALEモデル)
・境界条件:速度固定(流入)静圧一定(流出)・格子数: 510万セル
速度勾配テンソルの第二不変量(Q=6000)の等値面を表示
色付けは渦度ベクトルの絶対値

水面(滑り壁)

立形ポンプ
ベルマウス

流動

壁面・底面（固定壁）

空気吸込渦

解析対象：吸込み水槽

水中渦

渦が非定常に動き，振動・騒音の原因となる．
発生抑止も議論されている1,2)
1)
2)

解析結果

15/32

Copyright(c) Ebara Corporation, All rights reserved

趙令家, 可視化情報，Vol. 30, No. 116 (2010), pp28-33.
安ら, エバラ時報, 255号 (2018)，pp33-39.

CAVEシステムを用いた解析評価:吸込み水槽周りに生じる渦速度勾配テンソルの第二不変量(Q=6000)の等値面を表示
色付けは渦度ベクトルの絶対値

吸込み水槽の解析結果のCAVEシステムでの可視化（VR没入者の視点）

16/32

従来の可視化手法では確認が難しい，
ベルマウス内側に渦の存在を確認．
→新しい知見を得られる可能性がある．
Copyright(c) Ebara Corporation, All rights reserved

CAVEとHMDによる解析結果の共有（遠隔協調）

VR没入
HMD

VR没入

CAVEシステム

吸込み水槽の解析結果の遠隔協調の様子（HMD装着者の目線）• 遠隔地から同じ解析結果に没入し共有可能．
• 相手（アバター）の目線，指先の動きがわかり，解析対象について議論が可能．

17/32

Copyright(c) Ebara Corporation, All rights reserved

CAVEとHMDでの可視化の様子

CAVEシステムによる解析結果共有事例

互いの視線を確認しながら複数人での解析結果の共有が可能

言語の壁を超えた研修

流体解析の専門家以外の方へのデモンストレーション
18/32

Copyright(c) Ebara Corporation, All rights reserved

HMDでの解析可視化事例

ヘッドマウントディスプレイ（HMD)

HMD没入者の視点

流体機械の可視化：事業部単独での解析評価を実施

19/32

Copyright(c) Ebara Corporation, All rights reserved

流体機械がつくる流動のxR技術を用いた可視化
1. 非定常で3次元的な流体機械の内部流動は，ある時刻のある断面を抽出する等の既存の手法では理解しにくい．
 xR技術を用いて可視化すれば， 3次元的な物理現象を3次元のまま可視化が可能．

2. 計算結果データが巨大で，手元のPCに送信するだけで膨大な時間がかかる．
巨大な計算データに対して既存のビュワーでは3次元的な視線移動が難しい．
 粒子ベースボリュームレンダリング（PBVR: Particle based volume rendering）が有効．
既存の可視化手法

断面に切り取る

非定常解析データ

xR技術

ヘッドマウントディスプレイ（HMD)

・多くの情報が欠落する・有識者以外の流れの把握が困難

解析結果へのVR没入

CAVEシステム

20/32

Copyright(c) Ebara Corporation, All rights reserved

PBVR (Particle Based Volume Rendering[1])の概要
既存の可視化手法(ポリゴンベース）
計算結果
データ

粒子ベースの可視化（PBVR）
計算結果
データ

可視化対象

粒子生成
ポリゴン生成順序計算
既存のビュワー（ParaView ）によるボリュームレンダリング：
視線移動のたびに再計算が発生．

21/32

ポリゴンから画像生成

Copyright(c) Ebara Corporation, All rights reserved

画像生成

PBVRのメリット
・粒子データは処理コスト(通信・計算)が低い
・再計算なしに視点の変更が可能→高速な可視化が可能[1]Sakamoto, Kawamura, et al., Computers &Graphics, Vol.34, No.1, pp.34-42 (2010).

IS-PBVRの概要（In-Situ可視化）
PBVRを用いることで，数値計算中の解析データを即時に（In-Situ）可視化することが可能．

計算用HPC通信①シミュレーション

デーモン(粒子データを集約・通信する）

粒子サンプラ(粒子データを生成する）②粒子データ⑦可視化パラメータ④粒子データ

⑤可視化
パラメータ

⑥可視化
パラメータ
③粒子データストレージ
元の計算データ~10GB~TB

22/32

Copyright(c) Ebara Corporation, All rights reserved

粒子データ~100MB

可視化用PCPBVRクライアント(可視化ソフト．
色・不透明度の可視化パラメータを変更する）

荏原製品への適用（吸込み水槽解析の可視化）
IS-PBVR用粒子サンプラ:
OpenFOAMの解析ソルバーに記述．

計算用HPC

解析条件
・空間２次精度，時間2次精度
・乱流モデル:SST k-ωモデル
・境界条件:速度固定(流入)静圧一定(流出)・格子数: 20万セル

水面(滑り壁)OpenFOAMシミュレーション用コード

粒子サンプラ(IS-PBVR用粒子データを生成する）

流動

壁面・底面（固定壁）
ベルマウス

解析対象：吸込み水槽
23/32

Copyright(c) Ebara Corporation, All rights reserved

吸い込み水槽解析のIn-Situ PBVR可視化

荏原計算環境で計算実行中の解析に対して
In-Situ PBVR可視化に成功．
吸込み水槽のInSitu-PBVRによる可視化：流速の大きさで色付け

24/32

Copyright(c) Ebara Corporation, All rights reserved

吸い込み水槽解析のVR-In-Situ PBVR可視化

吸込み水槽のVR InSitu-PBVRによる可視化：圧力の大きさで色付け

25/32

Copyright(c) Ebara Corporation, All rights reserved

VR没入の様子目次

1. 会社紹介
2. xR技術について

3. VR技術を用いた解析可視化の事例
4. MR技術を用いた解析可視化の事例
5. 今後の展望

26/32

Copyright(c) Ebara Corporation, All rights reserved

MR技術の活用（ポンプ実機との重畳表示）

スマートグラス(MicrosoftHoloLens2）

スマートグラスによる解析結果と実機との重畳（スマートグラス装着者目線）

・ポンプをMR表示
・流線，断面の表示
27/32

Copyright(c) Ebara Corporation, All rights reserved

実機との重畳表示が可能→流れ場の直感的な理解が可能目次
1. 会社紹介
2. xR技術について
3. VR技術を用いた解析可視化の事例
4. MR技術を用いた解析可視化の事例
5. 今後の展望

28/32

Copyright(c) Ebara Corporation, All rights reserved結び：xR技術による流体解析評価の高度化• ターボ機械運転時に生じる３次元的で複雑な流動現象への理解の深化に，xR技術は寄与できる．

• xR技術を用いることで流路全体を包括的に評価することが可能となり，これまで見逃していた現象に対して新たな知見が得られる．

• スマートグラスを用いた実機との重畳表示により，ポンプの内部流動に対する直感的理解が深まる．

• 高速で軽量な可視化を実現する粒子ベースボリュームレンダリング（PBVR)
により，大容量の解析データの高速な可視化，およびIn-Situ可視化を実現．

32/32

Copyright(c) Ebara Corporation, All rights reservedありがとうございました。