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Welcome to our laboratory(ご挨拶)

 

都市基盤設計学講座沿岸都市設計学分野(後藤研究室)では,粒子法によるシミュレーション工学の多元的展開を目指した研究活動を行っています.シミュレーションの対象は,自然環境での流体現象から都市における群集行動まで多岐にわたりますが,人間を取り巻く自然現象(特に水災害関連の諸現象)や都市における諸問題を多数粒子系の粒子間相互作用を伴う力学系としてモデル化し,粒子系シミュレーションによる計算力学によって現象の本質を探究し,社会基盤工学の基礎学理および工学基礎(Engineering Science)の深化に貢献したいと考えています.このページでは,当研究室の研究活動の概要をご説明しております.

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教授 後藤仁志

 

 

[Most Cited Journal of Computational Physics Articlesにて12位にランクイン]

計算科学(物理学)系の主要学術誌 JCP(Journal of Computational Physics)の高頻度引用ランキング Most Cited Journal of Computational Physics Articlesにおいて,当研究室の論文Enhancement of stability and accuracy of the moving particle semi-implicit method (Volume 230, Issue 8, April 2011)が12位にランクインしました.このランキングは,2011以降にJCPに開催された論文をScopusによる高頻度引用調査によって選定したものです(2016年4月現在).

 

[VF-2016 Best Paper Awardを受賞]

3rd International Conference on Violent Flows 2016にてBest Paper Awardを受賞しました.
論文題目:Numerical modeling of dike erosion due to overtopping flow using Incompressible SPH method
著者:Hiroyuki Ikari and Hitoshi Gotoh

 

[Most Cited Applied Ocean Research Articlesで首位に]

当研究室の論文A higher order Laplacian model for enhancement and stabilization of pressure calculation by the MPS method (Applied Ocean Research, Volume 32, Issue 1, February 2010)が論文引用数ランキングMost Cited Applied Ocean Research Articlesにて2015年1月に首位にランクされました.同ランキングの第14位には,A 3D higher order Laplacian model for enhancement and stabilization of pressure calculation in 3D MPS-based simulations (Applied Ocean Research, Volume 37, Issue 1, August 2012)もランクインしています(2015年1月現在).

 

[Top 25 Hottest Article(Applied Ocean Research)で年間第2位に]

当研究室と港湾空港技術研究所の共著論文On enhancement of Incompressible SPH method for simulation of violent sloshing flows (Applied Ocean Research, Volume 46, 2014)が論文ダウンロード数ランキングTop 25 Hottest Article(Applied Ocean Research)の年間ランキング・January to December 2014 full yearにおいて第2位にランクされました.

 

[英文書籍 Computational Wave Dynamics の刊行]

英文書籍 Computational Wave Dynamics が World Scientific Publishing Co. からリリースされました(2013年6月7日).当研究室からは編著者の一人を後藤,著者の一人を原田が勤めています.

Computational Wave Dynamics
by Hitoshi Gotoh, Akio Okayasu and Yasunori Watanabe
234pp, ISBN: 978-981-4449-70-0, Hardcover, US$54

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[特設ページ] Virtual Transit Mall京都四条・Particle Method Benchmark

研究室の独自のシミュレーション技術の紹介を目的として,2つの特設ページを開設しております.「Virtual Transit Mall 京都四条」では,京都四条のトランジットモール計画検証のための群集シミュレーションをご紹介しており,仮想都市における群集歩行シミュレーションの具体例をご覧いただけます.一方,「Particle Method Benchmark」(英文)では,当研究室で開発中の高精度粒子法(CMPS-HS法,CISPH-HS法等)の性能を具体的にご理解頂くため, Violent Flowの典型的な事例を対象としたベンチマークテストの結果をご紹介します.

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初めに,当研究室のプロフィールを,キーワードを交えつつ簡単にご紹介します.

 

海岸工学

当研究室は,1967年に海岸工学講座として設置されました(「History」のページを参照下さい).海岸工学は,海岸域の防災と環境保全,さらには海岸域での人間活動を扱う分野です.当研究室では,津波・高潮に対する海岸防災から人工磯の生態系変化などの海岸環境問題に至るまで広範囲なテーマに取り組み,国や都道府県の各種委員会等における具体的な施策の提言や助言活動を通じ,海岸管理の実務にも貢献してきました.

 

シミュレーション工学

海岸工学は現在でも研究活動の重要な対象ですが,海岸域だけに限定せず,河川流域や沿岸・流域都市における水防災・水域環境など,多岐にわたる問題について,先端のシミュレーション技術でアプローチしています.

 

粒子法

シミュレーションといっても様々な方法がありますが,当研究室では粒子法と呼ばれる手法を主軸に据えています.水面が激しく波立って飛沫が上がるような激流(海岸の砕波や河川の跳水など)は,従来の流体シミュレーション法では計算が困難でしたが,粒子法(流体の運動方程式の解法)を用いるとこれらの激流のシミュレーションが可能となります.

 

最先端の計算技術開発

当研究室では,単に既存の粒子法を活用するだけでなく,流体関連分野で共通して適用できる計算原理の研究に重点を置いています.粒子法の乱流計算のためのSPS-Turbulence Modelは,当研究室が初めて提案した手法です.また,当研究室で開発した高精度粒子法(CMPS-HS法,CISPH-HS法等)はTHOMSON-REUTERS 社のISI Web of Scienceに登録された国際学術誌にも複数掲載され,水工学以外の分野でも広く知られています.高精度粒子法に関する研究論文は,論文被引用数の国際ランキングにおいて以下のような高頻度被引用実績を有しています.

これらの論文は,Science DirectのダウンロードランキングTop 25 Hottest Articles (Coastal EngineeringおよびApplied Ocean Research)において上位ランク(5位以内)を複数期にわたって獲得しました.特に,

は,Top 25 Hottest Article(Applied Ocean Research)の年間ランキング・Oct. 2009- Sep.2010 Academic Yearにおいて首位にランクされました.また,

はTop 25 Hottest Article(Applied Ocean Research)の年間ランキング・January to December 2014 full yearにおいて第2位にランクされました.

さらに,当研究室の論文

は,論文ダウンロード数ランキングMost Read Computers & Fluids Articlesにて2011年12月に首位にランクされました.

も,論文ダウンロード数ランキングMost Downloaded Applied Ocean Research Articlesにて2014年7月に首位にランクされました.

 

粒子法の実務への普及

当研究室では,粒子法計算技術の基礎研究だけでなく,実務技術としての普及にも協力しています. 粒子法における界面粒子の判定法に関する特許「METHOD AND DEVICE FOR DETERMINING INTERFACE PARTICLE USED IN PARTICLE METHOD AND PROGRAM FOR DETERMINING INTERFACE PARTICLE」(patent No.8521466)を米国より取得し,技術を公開しています.

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Link to patent No.8521466 in USPTO(United States Patent and Trademark Office).同様の特許は,国内及び中国にても成立しています.

国内特許         中国特許1   中国特許2

国内特許:「粒子法における界面粒子の判定方法および装置、ならびに界面粒子の判定用プログラム」(登録番号5429886) 中華人民共和国特許:「用于粒子法的界面粒子的判定方法及装置」(登録番号1441863)

さらに,政府関連の研究機関,電力事業者および技術コンサルタント会社と多数の共同研究を実施し,当該機関の部内向け粒子法計算コードの開発の技術監修も行っています.これらの機関で開発された粒子法コードには,当研究室が開発した高精度粒子法の技術が活用され,設計実務に貢献しています.

 

マルチフィジックスの展開

粒子法の対象は流体だけではありません.粒子法は連続体一般のモデルであり,弾性体,塑性体,流体を統一的に記述することが可能です.粒子法を用いれば,FEM等の従来手法の適用が困難な大変形現象を対象として,建設系学理の基礎を成す3つの力学(構造力学,土質力学,水理学)で扱う諸現象を統一したマルチフィジックスの展開が可能です.当研究室では,地盤工学と水工学の境界領域の課題として流体と地盤の連成解析のための流体・弾塑性体ハイブリッドモデルの開発を行っています.このモデルは,河川堤防の越流侵食シミュレーションなど都市防災の問題に有効です.

 

群集行動モデル

人間を一つの粒子と見れば,群集は粒子が集合した粒状体です.都市域の交通流や群集移動は,粒状体の流動現象として解釈できる物理的側面を持っています.ただし,個体すなわち人間は,場の情報を取得して能動的に判断して行動しますから,この点を考慮した数理モデルが必要となります.当研究室では,群集行動シミュレータCBS-DEを開発し,津波等の水害時の群集避難,地下街,トンネルなど地下空間からの火災時の群集避難,さらには,群集行動モデルによる駅前広場の基本計画など,市街地の計画・設計に関する課題にも取り組んでいます.今後の計算技術の進歩により10万人規模の行動計算が可能となれば,仮想空間での社会実験のツールとしてのVirtual Cityの構築も視野に入ってきます.

 

CG

粒子法の計算では,10万〜1000万の粒子を追跡しますので,計算結果を直感的に把握できる工夫が不可欠です.例えば,波の計算では,実験水路を見ているかのような状態を CGで再現する方法をとり,「数値波動水槽」と呼んでいます.また,群集行動シミュレータCBSでは,手足を動かした人間モデルを描画しています.当研究室で行っている大規模計算を伴うシミュレーションには,シミュレーションの後処理(ポストプロセッシング)としてのCGやアニメーションの作成が不可欠です.

 

さらに具体的な内容に関しては「Researches」のページをご参照下さい.また,シミュレーション結果の動画を「CG Gallery」のページに掲載しております.

研究室配属を考えている学部生の皆さんや研究室で大学院生として学びたいとお考えの他大学の学生の皆さんには,研究室の学生生活全般に関して「Life of Students」のページで情報提供しています.

 

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