粒子法とASI-Gauss法を用いた非解像型カップリング手法の開発

Development of an Unresolved Fluid-Structure Coupling Scheme using Particle Method and ASI-Gauss Method

Abstract

日本は世界有数の地震大国であり，2011年3月11日に発生した東北地方太平洋沖地震など，これまでに多くの津波被害を受けている．津波対策を講じる際，津波のような自由表面を伴う非圧縮性流れを解く数値解析手法として粒子法が有用である．さらに，津波被害をより正確に予測するためには，建物の流失など，流体によって構造が破壊，大移動する過程まで考慮する必要がある．そのため，津波と建物が相互に影響しあう流体-構造連成 (Fluid-Structure Interaction，FSI) 問題として扱う必要がある．粒子法を用いたFSI解析手法はこれまでにいくつか提案されているが，いずれも構造物の形状を詳細に表現する，つまり粒子で構造物を空間的に解像することを前提としている．一方，都市レベルで浸水域を予測するような大規模な津波遡上解析では，現実的に使用できる計算資源を踏まえると粒子の直径を数[m]程度の大きさにすることが一般的である．この粒子径オーダーに対して，樹木や家屋の構造部材などの断面寸法は高々数十[cm]程度であるため，部材の形状を十分細かく解像することができない．したがって，既存の連成解析手法はこのような広域の問題には適用できない．そこで本研究では，部材の形状を陽に表現せずに，部材に作用する流体力を抗力モデルに基づき流速から計算する非解像型のFSI解析手法を開発し，その妥当性の検証を行う．流体解析には粒子法のうち，非圧縮性流れに適用できるISPH法を用いる．構造部材の解析には，破断の表現を精度よく行えるASI-Gauss法を用いる．

In this paper, an unresolved fluid-structure coupling scheme was developed. The ISPH method, which is a particle method for incompressible flows, was used as a numerical method for fluid analysis. The ASI-Gauss method, which can stably calculate nonlinear phenomenon including fracture was used as a numerical method for structural analysis. The numerical results had shown that the proposed method can calculate fluid forces reasonably well even when particle resolution is coarse with respect to member dimension. Furthermore, the proposed method can simulate process of fracture and advection of beam member subjected to fluid forces.