Shock Wave Detection and 64 Times Resolution Flow Simulation based on Image-Processing/Fluid-Dynamics

基于图像处理/流体动力学的冲击波检测和 64 倍分辨率流动模拟

基本信息

批准号：
19K04834
负责人：
北村圭一
金额：
$ 2.83万
依托单位：
Yokohama National University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2019
资助国家：
日本
起止时间：
2019-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

画像において輝度が突如大きく変化する個所を「エッジ」と呼ぶ．Canny法は代表的なエッジ検出技術である．本研究ではこのエッジと，流体力学において物理量が急激に変化する「衝撃波」との類似性に着目している．衝撃波は，空気抵抗や騒音の原因となる一方で，結石破砕治療に利用される側面を持つ．つまり有害にも有益にもなる．しかし衝撃波は一般に肉眼では認識できず，数値流体力学で正確にシミュレーションする事も難しい．そこで画像処理におけるエッジと同様，得られた解が空間的に不連続な変化を起こす個所を衝撃波として抽出し，これを新たな数値流体計算法に活用する．具体的には輝度の代わりに圧力もしくは密度を利用する．これらは衝撃波において大きく変化する事が知られており，その関係はランキン・ユゴニオ条件として知られている．こうして衝撃波を画像処理技術と流体力学理論を用いて検知し，これを数値流体力学における計算法に組み込む事で，簡便・精密・安定に衝撃波を扱う計算法を構築する事が本研究の目的である．従来の衝撃波計算においては，実際には衝撃波でない場所でも精度を犠牲にして計算を安定化させていた．本計算法が確立すれば，高い精度を維持したまま衝撃波計算が可能となり，従来比64倍の解像度が期待される．2019-21年度は，衝撃波検知法を完全気体の空気だけでなく混相流や電磁流体へ拡張し改良を行なった．これにより，衝撃波を含む混相流の計算をより低コストで行う事ができる．しかしながら新型コロナの影響で充分な研究時間や出張の機会を確保できなかった．2021年度は，本研究の本丸である「衝撃波を含む流体計算法」と「画像処理を応用した衝撃波検知法」の組み合わせにいよいよ着手した．そして予備的な数値実験結果を得て学会発表を行なった．2022年度はその過程で，混相流の効率的な計算法等について査読付き論文を発表した．

图像中亮度突然发生显着变化的位置称为“边缘”。 Canny方法是一种典型的边缘检测技术。在这项研究中，我们重点关注该边缘与流体力学中物理量快速变化的“冲击波”之间的相似性。虽然冲击波会产生空气阻力和噪音，但它们也可用于碎石处理。换句话说，它既可能有害，也可能有益。然而，冲击波通常是肉眼不可见的，并且很难使用计算流体动力学对其进行精确模拟。因此，与图像处理中的边缘类似，我们提取所获得的解引起空间不连续变化的点作为冲击波，并将其用于新的计算流体计算方法中。具体而言，使用压力或密度来代替亮度。众所周知，这些在冲击波中会发生显着变化，这种关系被称为朗肯-于贡尼奥条件。本研究的目的是利用图像处理技术和流体动力学理论来检测冲击波，并将其融入计算流体动力学计算方法中，构建一种轻松、精确、稳定地处理冲击波的计算方法。在传统的冲击波计算中，即使在没有实际冲击波的位置，也会牺牲精度来稳定计算。如果这种计算方法成立，将能够在保持高精度的情况下计算冲击波，预计分辨率将比传统方法高64倍。从2019年到2021年，我们将冲击波检测方法扩展和改进，不仅适用于全气态空气，还适用于多相流和电磁流体。这使得能够以较低的成本计算包括冲击波的多相流。然而，由于新型冠状病毒的影响，我无法获得足够的研究时间或出差机会。 2021年，我们终于开始将这项研究的主要重点“包括冲击波的流体计算方法”和“应用图像处理的冲击波检测方法”结合起来。然后我们获得了初步的数值实验结果，并在学术会议上展示了它们。 2022 年，作为这一过程的一部分，我们发表了一篇关于多相流高效计算方法的同行评审论文。