[計算例 2] 単純な湾曲水路の浮遊物追跡
Figure 50 に示すような直線+湾曲+直線水路実験の流量解析およびトレーサーの追跡計算を行う。 この実験は水路全幅約1.8mで、左岸側半分が高水敷、右岸側半分が低水路の複断面水路で、右岸側のみが 移動床となっている。平面形状および断面形状の概略を Figure 51 に示す。 この実験は 寒地土木研究所 の委託により。 (株)建設技術研究所 によって行われたものである。

Figure 50 : 実験状況の動画

Figure 51 : 実験水路の形状
以下の計算事例では以下の手順で計算を実施する。
Nays2DHにより河床変動計算を実施し、河床変動がほぼ定常に達すた状態の河床形状を得る。
Nays2d+により準3次元流れ場の計算をする。
GELATOによりトレーサーの追跡を行う。乱流拡散強度パラーメーターを変更してその影響を比較する。
Nays2DHによる流れと河床変動の計算
ソルバの選択
iRICの起動画面から、[新しいプロジェクト]を選ぶと表示されるソルバの選択画面で、 [Nays2DH]を選んで[OK]ボタン押すと、

Figure 52 : ソルバーの選択
「無題- iRIC 4.x.x.xxxx [Nays2DH iRIC3X 1.0 64bit]」と書かれた Windowが現れる。

Figure 53 : 無題
計算格子の作成
[格子]->[格子生成アルゴリズムの選択]で現れるウィンドウで、 [2次元単純円弧格子作成ツール(複断面対応版)]を選んで[OK]を押す。 (Figure 54 )

Figure 54 : 格子生成アルゴリズムの選択
[格子生成]のグループ[水路形状]、[断面形状]、[追加水路]、[粗度と河床状態]を それぞれ、 Figure 55 、 Figure 56 , Figure 57 , Figure 58 のようにパラメータを設定して、最後に[格子生成]を押す。

Figure 55 : 格子生成(1)

Figure 56 : 格子生成(2)

Figure 57 : 格子生成(3)

Figure 58 : 格子生成(4)
「マッピングを実行しますか?」と聞かれるので[はい(Y)]を押す。 ( Figure 59 )

Figure 59 : 確認
オブジェクトブラウザーの[格子][セルの属性][固定床と移動床]にチェックマークを入れると、 Figure 60 のように固定床部分が赤、移動床部分が青で示された 格子の図が示される。

Figure 60 : 固定床と移動床
低水路と高水敷の境界の固定床は護岸を想定しているが、本実験での護岸は湾曲部を含むその上下流のみ なので、Figure 61 に示すように[固定床と移動床]をフォーカスして、 直線部の護岸部分(この例では格子番号101より上流の赤色の格子部分)を選んで右クリックして、 属性を[移動床]に変更すし、[OK]を押す。

Figure 61 : 固定床と移動床の属性変更
また下流端は固定床なので、Figure 62 に示すように拡大、回転して 最下流の格子属性を[固定床]に変更する。

Figure 62 : 最下流端の格子を固定床に変更
計算条件の設定
メインメニューから[計算条件]->[設定]で現れる[計算条件]ウィンドウの、 [グループ]において、 [ソルバー・タイプ]、[境界条件]、[時間]、[河床材料]を それぞれ、 Figure 63 、 Figure 64 , Figure 65 , Figure 66 のようにパラメータを設定する。

Figure 63 : 計算条件(ソルバー・タイプ)

Figure 64 : 計算条件(境界条件)

Figure 65 : 計算条件(時間)

Figure 66 : 計算条件(河床材料)
なお。Figure 64 の[境界条件]においては、 [上流端流量と下流端水位の時間変化]で[Edit]を押して現れる、 Figure 67 の[流量時間変化設定ウィンドウ]で時間と流量の関係を与える。

Figure 67 : 計算条件(流量の時間配分の設定)
計算条件の設定が終了したら、[計算条件]ウィンドウで[OK]を押す。
計算の実行
計算を実行する前に、メインメニューから[ファイル]->[名前を付けてポロジェクトに保存]を選択して、 新しいフォルダを作成し、そのフォルダを選択することによりプロジェクトを保存しておく。 ここでは、[Nays2DH_flow_bed]という名前で保存する。( Figure 68 )

Figure 68 : 計算プロジェクトの保存
メインメニューから[計算]->[実行]を選択すると、 Figure 69 のようなダイアログが表示されるので、[OK]を選択すると計算が開始される。(Figure 70 )

Figure 69 : 警告

Figure 70 : 「計算実行中」
計算が終了したら、メインメニューから[計算結果]->[保存]を選択して計算結果を保存しておく。
計算結果の表示
オブジェクトブラウザーから[iRICZone]->[スカラー]->[ElevationChange(m)]にチェックマークを付け、 [ElevationChange(m)]を右クリックして[プロパティ]を選択して、[スカラー設定]を Figure 71 のように設定する。

Figure 71 : 「スカラー設定」
オブジェクトブラウザーから[ベクトル]->[Velocity(ms-1)]にチェックマークを付け、 [ベクトル]を右クリックして[プロパティ]を選択して、[ベクトル設定]を Figure 72 のように設定する。

Figure 72 : 「ベクトル設定」
メインメニューに[タイムスケールバー]をゼロに戻し、[アニメーション]->[開始/停止]を選択する ( Figure 73 )

Figure 73 : 「アニメーションの実行」
Figure 74 のようにアニメーションが表示され、河床変動がほぼ定常に達していることが分かる。

Figure 74 : 「河床変動と流速ベクトルのアニメーション」
計算結果のエクスポート
計算で得られた河床形状を次節で行うNays2d+による準3次元流れの計算の境界条件に使用するために 計算結果をテキストファイルにエクスポートする。Figure 75 に示すように、メインメニューから、 [ファイル]->[エクスポート]->[計算結果]を選ぶ.

Figure 75 : 「計算結果のエクスポート(1)」
[計算結果のエクスポート]ウィンドウ( Figure 75 )が表示されるので、 [形式]を[地勢データファイル形式(tpo)]に設定する( Figure 76 )。

Figure 76 : 「計算結果のエクスポート(2)」
出力フォルダは任意の名前で、 [全タイムステップ]の前にあるチェックボックスのチェックを外し、[開始][終了]を10,800に設定して、[OK]をクリックすると、計算結果のエクスポートが完了する( Figure 77 )。

Figure 77 : 「計算結果のエクスポート(3)」
エクスポートされた計算結果は、( Figure 78 )に示すように、水深、流速、流砂量、河床高。。。。 など種類別に様々なファイルに保存されているが、このうち次節の計算に使用するのは河床高のみであるので、 [Results_1_Elevation(m).tpo]という名前のファイル以外は不要なので消しても構わない。

Figure 78 : 「計算結果のエクスポート(3)」
Nays2d+による準3次元流れの計算
ソルバの選択
iRICの起動画面から、[新しいプロジェクト]を選ぶと表示されるソルバの選択画面 ( Figure 79 )で[Nays2d+簡単に3次元の流れの計算が出来ます] を選択して[OK]を押す。

Figure 79 : 「ソルバーNays2d+の選択」
計算格子と河床形状のインポートとマッピング
格子のインポート
メインメニューから[インポート]->[格子]を選択し、前記のNays2DHのプロジェクトフォルダー [Nays2DH_flow_bed]の中の[Case1.cgn]を選ぶ。 Figure 80 のような警告が出るが、「余計なお世話です」と心の中で思いながら、 構わず[はい]をクリックすると、格子のインポートが完了する。 ( Figure 81 )

Figure 80 : 「警告」

Figure 81 : 「格子のインポート完了」
河床高のインポート
メインメニューから[インポート]->[地理情報]->[河床高]を選択する( Figure 82 ).

Figure 82 : 「河床高のインポート」
インポートファイルの選択画面が現れる(Figure 83 )ので、前節のNays2DHの計算結果として エクスポートした [Results_1_Elevation(m).tpo]を選択して[開く]。

Figure 83 : 「河床高のインポート(ファイルの選択)」
Figure 84 のようにデータを間引くかどうか来かれるが、特に間引く必要がなければ、そのまま [OK]を押すと[河床高]のインポートが完了する( Figure 85 )

Figure 84 : 「河床高のインポート(間引き設定)」

Figure 85 : 「河床高のインポート完了」
マッピング
インポートした河床高データをインポートした格子上にマッピングを行う。
Figure 86 のように[格子]->[属性のマッピング]->[実行]を選ぶ。

Figure 86 : 「マッピング」
Figure 87 マッピングする[地理情報]を聞かれるので、 [河床高(m)]にチェックを入れて[OK]をクリックすると

Figure 87 : 「マッピングする情報の選択」
マッピングが完了する( Figure 88 )ので、[OK]をクリックして 完了。

Figure 88 : 「マッピングの完了」
Nays2d+の計算条件の設定
メインメニューから[計算条件]->[設定]で現れる[計算条件]ウィンドウの、 [グループ]において、 [流量および下流端水位の設定]、[時間および浸食に関するパラメータパラメータ]、 [境界条件]、[他の計算条件]、[3次元流速分布]を それぞれ、 Figure 89 、 Figure 90 , Figure 91 , Figure 92 , Figure 93 のようにパラメータを設定する。

Figure 89 : 計算条件(流量および下流端水位の設定)

Figure 90 : 計算条件(時間および浸食に関するパラメーター)

Figure 91 : 計算条件(境界条件)

Figure 92 : 計算条件(他の計算条件)

Figure 93 : 計算条件(3次元流速分布)
なお。Figure 89 の[流量および下流端水位の設定]においては、 [流量と下流端水位の時系列]の隣の[Edit]を押して現れる、 Figure 94 の[流量時間変化設定ウィンドウ]で時間と流量の関係を与える。

Figure 94 : 計算条件(流量の時間配分の設定)
計算条件の設定が終了したら、[計算条件]ウィンドウで[OK]を押す。
Nays2d+の計算の実行
計算の実行方法は前節[Nays2DHによる計算の実行]と全く同じで、タダでさえ長いのに これ以上同じことをクドクド書くと嫌われそうなので省略する。 ただ、計算の実行の前に、必ず、プロジェクトを保存しておくことを推奨する。 ここでは、[Nays2d+Flow]とう名前のプロジェクトに保存する。

Figure 95 : プロジェクトの保存(Nays2d+Flow)
計算結果は[Case1.cgn]というCGNSファイルに保存されるが、次のGELATOで使用するのはこの フォルダに保存される[Case1.cgn]を使用する。 計算の実行が終わった時も必ず[計算結果]->[保存]で結果を保存すること。
GELATOによる仮想トレーサーの追跡計算
ソルバの選択
iRICの起動画面から、[新しいプロジェクト]を選ぶと表示されるソルバの選択画面 ( Figure 96 )で[GELATO] を選択して[OK]を押す。

Figure 96 : 「ソルバーGELATOの選択」
格子のインポート
Figure 97 のようにオブジェクトブラウザーの[格子(データなし)]を右クリック して、[インポート]をクリックする。

Figure 97 : 「格子のインポート(1)」
ファイル選択ウィンドウが現れるので、先ほど[Nays2d+]の計算結果を保存したフォルダ [Nays2d+Flow]の中の[Case1.cgn]を選ぶ( Figure 98)

Figure 98 : 「格子のインポート(2)」
お馴染みの Figure 99 の警告が表示されるが、構わず[はい]を押して進むと 格子のインポートが完了する。( Figure 100)

Figure 99 : 「お馴染みの警告」

Figure 100 : 「格子のインポート完了」
GELATOによるトレーサー追跡計算
計算条件の設定

Figure 101 : 「GELATOの計算条件(1)」

Figure 102 : 「GELATOの計算条件(2)」

Figure 103 : 「GELATOの計算条件(3)」

Figure 104 : 「GELATOの計算条件(4)」
なお、Figure 101 中の[流れの計算結果を読み込むCGNSファイル]は前節[Nays2d+による流れの計算] の結果を保存した[Nays2d+Flow]プロジェクトフォルダにある[Case1.cgn]を選択する。
計算の実行
メインメニューから[計算]->[実行]を選択すると、「プロジェクトの保存がお勧めされる」ので、 ここは大人しく言うことを聞いて、新たにプロジェクトを保存しておく ( Figure 105).

Figure 105 : 「GELATOプロジェクトの保存(1)」
[ファイルに保存(ipro)]か[プロジェクトとして保存]どちらでも良い。

Figure 106 : 「GELATOプロジェクトの保存(3)」
計算が始まるとお馴染みの Figure 107 この画面が登場し。終了すると、これまたお馴染みの Figure 108 が表示されるので、[OK]を押す。

Figure 107 : 「計算の実行(1)」

Figure 108 : 「計算の実行(2)」
計算結果の表示
メインメニューから[計算結果]->[新しい可視化ウィンドウ(2D)を開く]を選択すると、計算結果が表示される。 (Figure 109 )

Figure 109 : 「可視化ウィンドウ(2D)」
本章冒頭に示した実験の画像 Figure 50 と向きが反対なので、Figure 109 に 矢印で示す(小さく分かりにくいが)90°回転のマークを2回クリックして180°回転させる ( Figure 110).

Figure 110 : 「可視化ウィンドウ(180°回転)」
時刻表示が小さくてメチャ見にくいので、オブジェクトブラウザーの[時刻]->[プロパティ]で [時刻設定]を表示させて( Figure 111) フォントサイズを適当に大きくする。

Figure 111 : 「時刻表示設定」
Figure 112 に示すように[時刻バーを戻し]、メインメニューから [アニメーション]->[実行]でトレーサーの流動アニメーションが開始される ( Figure 113)

Figure 112 : 「アニメーションの開始」

Figure 113 : [トレーサーのアニメーション(乱流拡散強度A=0)]
トレーサーは殆ど拡散せずに、線状に流れて行くのが分かる。
乱流拡散強度の違いの比較
Figure 114 [計算条件]->[設定]の、[拡散に関する条件設定]グループで、 [ランダムウォークによるセル以下スケールの乱れ考慮]を[する]にして、[Aの値]を[1]にして 再度[計算を実行]、[計算結果のアニメーション表示を]すると、 Figure 115 のようになる。

Figure 114 : 「ランダムウォークパラメータ(A=1)の設定」

Figure 115 : [トレーサーのアニメーション(乱流拡散強度A=1)]
同様に、[A=5]、[A=10]、[A=50]でランダムウォークをやってみると。。。

Figure 116 : [トレーサーのアニメーション(乱流拡散強度A=5)]

Figure 117 : [トレーサーのアニメーション(乱流拡散強度A=10)]

Figure 118 : [トレーサーのアニメーション(乱流拡散強度A=50)]
Figure 50 の実験と比較すると、[A=10]位の感じであることが分かる。
トレーサーのクローン
[計算条件]->[設定]の、[プライマリートレーサーの分割・結合]を Figure 119 のように設定し、[拡散に関する条件設定]は[A=10]とする。

Figure 119 : [トレーサークローンの設定]
再度計算を実行し、結果を表示すると Figure 120 のような結果となる。

Figure 120 : [トレーサークローン表示(最大20世代、A=10)]

Figure 121 : [トレーサークローン表示(最大20世代、A=10、世代色別表示)]
基本事項(共通事項) で述べたように、実質の重みは10世代目で \(W=0.00195\)、20世代目だと \(W=0.00000195\) なので、 Figure 121 おける、緑・黄・赤等のトレーサー 濃度は中心部の青色系のトレーサーに比べ対数的に低いことになる。 格子内のトレーサー数に重みを乗じて、実質の濃度を見るには、
1.オブジェクトブラウザーで[スカラー]のチェックマークを外す( Figure 122).

Figure 122 : [スカラー]のチェックマークを外す
2.オブジェクトブラウザーで[スカラー(セル中心)]の[重み付き粒子数(プライマリー)]にチェックマークを入れる(Figure 123).

Figure 123 : [重み付き粒子数(プライマリー)]にチェックマークを入れる
3.[重み付き粒子数(プライマリー)]を右クリックして[プロパティ]を押す。

Figure 124 : [重み付き粒子数(プライマリー)]->[プロパティ]
4.[スカラー設定]ウィンドウで、以下のように設定して[設定]を押す。

Figure 125 : スカラー設定
Figure 126 の[可視化ウィンドウ:2D]が表示されるので、 タイムバーをゼロに戻してメインメニューから[アニメーション]->[開始/停止]を 押すと、 Figure 127 のアニメーションが開始される。

Figure 126 : アニメーションの実行

Figure 127 : 重みを考慮したトレーサー濃度のアニメーション
Figure 50 の実験動画の緑色染料の拡散状況に類似した拡散状況が再現された。
トレーサークローンを利用した流れの可視化
トレーサーのクローンツールを用いた流れの可視化の例を示す。
[重み付き粒子数(プライマリー)]のチェックマークを外し、メインメニューの[計算条件]->[設定]を開く。 Figure 128 および Figure 129 のように条件を設定して保存する。 ここで、Figure 129 の[空白セルはすべて発生させる] によって、可視化用の多数のトレーサーを発生さる。

Figure 128 : 計算条件の設定(1)

Figure 129 : 計算条件の設定(2)
設定終了後、計算を実行し、 オブジェクトブラウザーの[粒子]と[スカラー]のチェックマークを入れて、[Generation(Primary)]のチェックマークを外した後に [アニメーション]->[開始/停止]で Figure 130 のようにアニメーションが表示され、水路全体にトレーサーが 満遍なく配置された可視化となる。

Figure 130 : トレーサーを用いた可視化
魚の遊泳シミュレーション
[計算条件]->[設定]で以下の設定を行う。

Figure 131 : 魚の条件設定(1)

Figure 132 : 魚の条件設定(2)

Figure 133 : 魚の条件設定(3)

Figure 134 : 魚の条件設定(4)

Figure 135 : 魚の条件設定(5)
この条件で、[計算]->[実行]を行った後に、オブジェクトブラウザーで[ポリゴン]->[Fish]->[Type]にチェックマークを入れて [アニメーション]->[開始/停止]を選択すると、Figure 136 が再生される。

Figure 136 : 魚の遊泳アニメーション
NaysDw2による流木の追跡計算
本節では2次元流木追跡ソルバNaysDw2により流木の追跡を行う。
ソルバの選択
iRICの起動画面から、[新しいプロジェクト]を選ぶと表示されるソルバの選択画面( Figure 137 )で[NaysDw2シンプルな2次元流木追跡ツール]を選択して[OK]を押す。

Figure 137 : 「ソルバーNaysDw2の選択」
格子のインポート
Figure 138 のように入力するCGNSファイルの選択ダイアログが表示されるので、[…]をクリックする。

Figure 138 : 「格子のインポート(3)」
ファイル選択ウィンドウが現れるので、先ほど[Nays2d+]の計算結果を保存したフォルダ[Nays2d+Flow]の中の[Case1.cgn]を選ぶ( Figure 139)

Figure 139 : 「格子のインポート(4)」
[Case1.cgn]を選択すると Figure 140 のように選択した計算結果の概要が表示されるので[OK]を押す。

Figure 140 : 「格子のインポート(5)」
「CGNSファイルから格子をインポートしますか?」と効かれるので[はい]を押すと Figure 141 の警告が表示されるが、構わず[はい]を押して進むと格子のインポートが完了する。( Figure 142)

Figure 141 : 「警告」

Figure 142 : 「格子のインポート完了」
計算条件の設定
[計算条件]->[設定]で Figure 143 ~ Figure 146 のとおりの設定を行う。

Figure 143 : [基本設定]

Figure 144 : [流木の供給条件]

Figure 145 : [流れおよび流木に関するパラメーター]

Figure 146 : [DEM(個別要素法)パラメーター]
流木追跡計算の実行

Figure 147 : [計算]->[実行]
計算が開始されると、Figure 148 の画面が表示され、終了すると Figure 149 が表示されるので[OK]をクリックする。

Figure 148 : [計算の実行]

Figure 149 : [計算の終了]
流木追跡計算結果の表示
Figure 150 メインメニューから[計算結果]->[新しい可視化ウィンドウ(2D)を開く]を選択

Figure 150 : [可視化ウィンドウの表示]
Figure 151 オブジェクトブラウザーで、[iRICZone][スカラー(格子点)][Velocity(絶対値)]にチェックマーク を入れて、[右クリック]->[プロパティ]を選択

Figure 151 : [スカラーの表示]
Figure 152 [スカラー設定]ウィンドウを図のように設定して[OK]を押す。

Figure 152 : [スカラー設定]
Figure 153 タイムバーをゼロに戻し、[アニメーション]->[開始/停止]を押す。

Figure 153 : [アニメーションの開始]
Figure 154 のようなアニメーションが表示される。

Figure 154 : [流木追跡のアニメーション]