産業技術総合研究所・先進製造プロセス研究部門・マイクロ熱流体研究グループでは、流体運動に関する新しい数値流体力学(CFD)計算・モデル化手法である、格子ボルツマン法( Lattice Boltzmann Method, LBM )[1][2]とフェーズフィールドモデル( Phase Field Model, PFM )[3]に基づく数値流体モデルと計算法の開発、およびLBM,PFM計算法を用いた数値流体力学(CFD)に基づく数値実験（コンピュータシミュレーション）を実施して、以下のような複雑な流体現象の微視的スケールからの解明を目指しています[4]-[16]。

本研究内容に関する質問先E-mail: naoki-takada@aist.go.jp [ Naoki TAKADA ( 高田 尚樹 ) ]

Access : since 2005/02/13.

Last Update :July 6, 2009 ( Update of link to LBM web sites)

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産総研オープンラボ (AIST OpenLab) 2009年10月15日(木)･16日(金), 産総研つくばセンター (茨城県つくば市, Access map)終了しました。ご来場ありがとうございました。

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これまでの研究課題（-2005年度, 環境管理技術研究部門・環境流体工学研究グループ）

 （１）二酸化炭素の海洋固定技術に関する研究

　温暖化ガスの１つである二酸化炭素（CO2）を大気中に放出せずに海水に溶け込ませることによって、地球の急激な温暖化を防ぐ技術があります。その中の一つの方法として、CO2を気体の状態で海の中に吹き込んで泡をつくり、その泡が上昇しながら水に解けることを利用して低コストで効率良くCO2を海に閉じ込める「GLADシステム」が提案され、その泡の動きを予測するための計算をしています。

 

Fig.1 円管内静止液中を上昇する2気泡の合体

 （２）閉鎖性水域の水質改善を目的としたマイクロバブル生成機構の研究[13][14][15]

　水の流れが悪く、酸素が不足しがちな湾や湖の水質を良くするため、非常に小さな空気の泡（直径は約50分の1ミリメートル）を水に吹き込んで酸素を増やし、微生物の働きを活発にさせることで、汚れた水をきれいにする技術があります。その泡（マイクロバブル）を効率良く作るには、どんな構造の機械を設計すれば良いかを考えるため、１つの泡が水の回転で引き伸ばされて分裂し、もっと小さなたくさんの泡が生まれる現象をLBMシミュレーションによって予測します。

 

Fig.2 周期的な一様せん断流れ場に浮遊する液滴の変形・分裂 [Updated on Feb.15,2005.]

 （３）複雑多孔性物体内の流動現象予測に関する研究

LBMは、流れの中にある複雑な形状の物体に対する境界条件を容易に計算することが出来ます。この利点を活用して、マイクロフォーカスX線CT装置で計測したラットの大腿骨や地層サンプルのような多孔質性物体の3次元微細構造データをLBMの数値解計算に取り込んでマイクロ流動現象を再現するとともに、新しい計算コードを開発して物質移動の数値的な予測の高精度化を検討しています。

 

Fig.3 ラット大腿骨内部の仮想的な流れのLBMシミュレーション

 格子ボルツマン法(Lattice Boltzmann Method, LBM)：[1][2]

LBMは、連続体としての流体を仮想的な粒子の集合体とみなし，粒子が繰り返す衝突の相互作用と並進を通してマクロスケールの流体現象を創発的に再現する統計力学的モデル化手法で、格子気体セルオートマトン(LGCA)法に基づいて1988年に提案されました。

LBMは、次のような長所を持っています。

(1)並列計算への高い適応性

(2)複雑形状の物体に対する境界条件の容易性

(3)多相流体界面の自己組織的な再現

以上の長所を活かして、LBMの研究では、単相流のみならず，多相流，磁性流体運動，熱対流，砂岩中の微視的流動，多孔質媒体中の非Newton流体流れ等，様々な工学分野における複雑な流動現象のモデル開発と数値解析が進められてきました．現在は、単相流LBM解析のソフトウェアが市販され、自動車メーカーによって利用されている一方，多相流体モデルの開発や数値シミュレーションへの適用に関する研究が国内外において精力的に行われています。

 

Fig.4 格子ボルツマン法の概念図

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 References / 参考文献

[1] Chen, S. and Doolen, G. D., "Lattice Boltzmann Method for Fluid Flows," Annu. Rev. Fluid Mech., 30 (1998), pp.329-364. [Abstract] [Update on Jan.9,2007.]

[2] Succi, S., "The Lattice Boltzmann Equation for Fluid Dynamics and Beyond," (2001), Oxford at the Clarendon Press, UK, ISBN0-19-850398-9.

[3] Anderson, D.M., McFadden, G.B., and Wheeler, A.A., "Diffuse-Interface Methods in Fluid Mechanics," Annu. Rev. Fluid Mech., 30 (1998), pp.139-165. [Abstract] [Update on Jan.9,2007.]

[4] 高田尚樹, 「 格子ボルツマン法による流体現象の数値シミュレーションに関する研究 」, 神戸大学博士論文, 1998年3月. [*1] / Naoki TAKADA, "Study on Numerical Simulations of Fluid Phenomena by Lattice Boltzmann Method," 1998, Doctoral Thesis, Graduate School of Science and Technology, Kobe University, Kobe, Hyogo, Japan (in Japanese)./【 PDF files: 表紙/目次/記号/第1章/第2章/第3章(1)(2)(3)/第4章/第5章/第6章(1)(2)(3)/第7章/文献 】[Update on Jan.9,2007.]

[5] Takada, N. and Tsutahara, M.," Evolution of viscous flow around a suddenly rotating circular cylinder in the lattice Boltzmann method," Computers and Fluids, Vol.27 (1998), pp.807-828. [Abstract][*1] [Update on Jan.9,2007.]

[6] 高田尚樹, 山越康広, 蔦原道久, "三次元熱流体格子ボルツマン・モデルによる流体解析," 日本機械学会論文集B編, 64巻628号 (1998), pp.3934-3941. [目次][CiNii][NII-ELS][*1] / Naoki TAKADA, Yasuhiro YAMAKOSHI and Michihisa TSUTAHARA, "Numerical Analysis of Fluid Motions by Three-Dimensional Thermal Lattice Boltzmann Model", Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, Series B, Vol.64 (1998), Paper No.97-1978, pp.3934-3941 (in Japanese). [Update on Jan.9,2007.]

[7] 高田尚樹, 蔦原道久, "格子ボルツマン法における内部自由度を有する格子BGKモデルの提案", 日本機械学会論文集B編, 65巻629号 (1999), pp.92-99. [目次][CiNii][NII-ELS] / Naoki TAKADA and Michihisa TSUTAHARA, "Proposal of Lattice BGK Model with Internal Degrees of Freedom in Lattice Boltzmann Method", Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, Series B, Vol.65 (1999), Paper No.98-0013, pp.92-99 (in Japanese).[Update on Jan.9,2007.]

[8] Takada, N., Tsutahara, M.,and Yamakoshi,Y., "Numerical Simulation of Compressible Fluid by Lattice Boltzmann Method", Proceedings of The Second Asian Computational Fluid Dynamics Conference, Vol.1, 256-260, Paper No.ACFD2-2C4, Tokyo, Japan, Dec.15-18, 1996. [*1] [Update on Jan.9,2007.]

[9] 蔦原道久, 高田尚樹, 片岡武 (共著), 「 格子気体法・格子ボルツマン法 -新しい数値流体力学の手法-(FD付) 」^*1, A5判, 175頁, ISBN4-339-04343-5, 株式会社コロナ社, 1999年9月10日(初版第1刷), 2005年9月20日(第2刷). / *1 原著:上記の学位論文[4], 論文[5], [6], Proceedings[8]等に基づく. [Update on Jan.9,2007.]

[10] Takada, N., Misawa, M., Tomiyama, A., and Fujiwara, S., " Numerical Simulation of Two- and Three-Dimensional Two-Phase Fluid Motion by Lattice Boltzmann Method, "Computer Physics Communications, 129 (2000), pp.233-246.[Abstract] [Update on Jan.9,2007.]

[11] Takada, N., Misawa, M., Tomiyama, A., and Hosokawa, S., " Simulation of Bubble Motion under Gravity by Lattice Boltzmann Method, "Journal of Nuclear Science and Technology,Vol.38,No.5 (2001), pp.330-341.

[12] Takada,N., Tomiyama,A.,and Hosokawa,S., "Lattice Boltzmann Simulation of Drops in a Shear Flow", Proc. 4th ASME-JSME Joint Fluids Engineering Conference, CD-ROM, Paper No.FEDSM2003-45166, Honolulu, Hawaii, USA, July 6-10, 2003.

[13] Takada,N., Tomiyama,A., and Hosokawa,S., "Numerical Simulation of Drops in a Shear Flow by a Lattice-Boltzmann Binary Fluid Model",Computational Fluid Dynamics JOURNAL, Vol.12,No.3(2003),475-481.[Title]

[14] 高田尚樹, 冨山明男, "統計熱力学的界面モデルを用いたせん断流中における液滴挙動の数値シミュレーション", 日本機械学会論文集B編, 70巻699号 (2004), 論文No.04-0121, pp.2712-2720.[目次][CiNii] / Naoki TAKADA and Akio TOMIYAMA, "Numerical Simulation of Motion of Drops in a Shear Flow Using a Statistical-Thermodynamic Interface Model", Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, Series B, Vol.70, No.699 (2004), Paper No.04-0121, pp.2712-2720 (in Japanese). [Update on Feb.1,2007.]

[15] 高田尚樹, 冨山明男, "PHASE-FIELD MODELに基づく二相流数値計算手法", 日本機械学会論文集B編, 71巻701号 (2005), 論文No.04-0186, pp.117-124.[目次][CiNii][PDF] / Naoki TAKADA and Akio TOMIYAMA, "A Numerical Method for Two-Phase Flow Based on a Phase-Field Model", Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, Series B, Vol.71, No.701 (2005), Paper No.04-0186, pp.117-124 (in Japanese). [Update on Feb.1,2007.]

[16] Other references ( References in Phase-field CFD web page ) [ Update on July 6, 2009. ].

[17] Other publications ( in Naoki TAKADA Index Page ).

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Links / 関連リンク

・Research and Development of Computational Fluid Dynamics (CFD) Methods Based on Phase-Field Model (PFM) for Interface-Tracking Simulations of Two-Phase Flows
[ Update on July 6, 2009. ]

・ NII Academic Research Database Repository [ NII-DBR top ] [ Addition on October 19, 2006 ]

・日本流体力学会 第20回数値流体力学シンポジウム ( JSFM 20th Computational Fluid Dynamics Symposium -CFD2006- )
日時: 2006年12月18日(月)〜20日(水)
会場: 名古屋大学 東山キャンパス ( 愛知県名古屋市千種区不老町, Access(subway)&Campus Map )
OS 6. 格子ボルツマン / Lattice Boltzmann Method

・日本機械学会 第19回計算力学講演会 ( JSME 19th Computational Mechanics Conference )
日時: 2006年11月3日(金)〜5日(日)
会場: 名古屋大学 東山キャンパス ( 愛知県名古屋市千種区不老町 )
OS 24. 混相流のモデリングとシミュレーション / Modelling and Simulation of Multiphase Flows
OS 27. 格子ボルツマン・ガス法 / Lattice-Gas Cellular Automata and Lattice Boltzmann Methods

・The 15th International Conference on Discrete Simulation of Fluid Dynamics (DSFD2006)
第15回流体力学離散シミュレーション国際会議
Date ：August 21-25, 2006 / 2006年(平成18年) 8月21日-25日
Place：University of Geneva, Geneva, Switzerland / ジュネーブ大学, ジュネーブ, スイス

・格子ボルツマン法の基礎と応用に関する研究分科会 ( (社)日本機械学会 流体工学部門, A-TS05-19 )

・日本機械学会 第18回計算力学講演会 (JSME 18th Computational Mechanics Conference)
2005年11月19日(土)〜21日(月), 筑波大学春日キャンパス( Access & Map ).
OS-30.格子ボルツマン・ガス法 / Lattice-Gas Cellular Automata and Lattice Boltzmann Methods [ 11月20日(日)14:15-17:30, 第1室(101講義室), 計11件. ]

・The 14th International Conference on Discrete Simulation of Fluid Dynamics in Complex Systems (DSFD2005)
　第14回複雑系流体力学離散シミュレーション国際会議
　Date ：August 22-26,2005 / 2005年8月22日-26日
　Place：Kyoto University Clock Tower Centennial Hall / 京都大学百周年時計台記念館
　　　　　( Yoshida Campus, Kyoto, Japan./ 吉田キャンパス,〒606-8501京都市左京区吉田本町 )
　　　　　Access & Map ( English / Japanese )

・The Second International Conference for Mesoscopic Methods in Engineering and Science (ICMMES-2005)
July 26-29, 2005, Hong Kong Polytechnic University(HKPU), Hong Kong, China.

・13th International Conference on the Discrete Simulation of Fluid Dynamics (DSFD2004)
August 16-20, 2004, The Marriott Hotel, Kendall Square, Cambridge, Massachusetts, USA.

・10th International Conference on the Discrete Simulation of Fluid Dynamics
July 2-7, 2001, Cargese, Corse, France.

・International Symposium on the Discrete Simulation of Fluid Dynamics/LGA'99
July 28-30, 1999, Sanjo Conference Hall, The University of Tokyo, Tokyo, Japan.

・7th International Conference on the Discrete Simulation of Fluids
July 14-18, 1998, University of Oxford, UK.

・6th International Conference on Discrete Models for Fluid Mechanics
August 26-28, 1996, Center for Computational Science, Boston University, Boston, Massachusetts, USA.

・AIST Microfluidics Group ( マイクロ熱流体研究グループ, 2006年4月1日〜, 産総研 先進製造プロセス研究部門 ) [ Addition on Sep.8, 2006. ]

・複雑現象工学研究グループ ( 〜2006年3月31日, 産総研 先進製造プロセス研究部門,マイクロフォーカスX線CT装置開発・所有 )

・Computational Thermal Fluid Dynamics Laboratory @ Shinshu University (信州大学 工学部 機械システム工学科 吉野研究室): 格子ボルツマン法, 多孔質体内流れ, 混相流, 熱物質輸送現象 [ Addition on Sep.8, 2006. ]

・Fluid Dynamics Laboratory @ Kyoto University (京都大学 工学研究科 航空宇宙工学専攻 流体力学研究室): 格子ボルツマン法, Boltzmann方程式, 希薄気体力学 [ Addition on May 1, 2006. ]

・Heat Transfer & Combustion Engineering Lab. (名古屋大学大学院 工学研究科 機械理工学専攻 機械科学分野 環境・エネルギー工学講座 伝熱燃焼工学グループ) [ Addition on Sep.8, 2006. ]

・Ohashi Laboratory (大橋研究室,東京大学大学院工学系研究科): 格子ガス法, 格子ボルツマン法, 実数格子ガス法 [ Update on July 6, 2009. ]

・環境・数理工学研究室, 富山大学工学部 機械知能システム工学科 エネルギー・環境工学講座: 格子ボルツマン法, 混相流, 相転移，伝熱 （ 研究紹介[1],[2] ）

・Minemoto Laboratory（九州大学大学院工学研究院化学工学部門第5講座 峯元研究室 -環境システム工学講座-：格子ガス法、格子ボルツマン法) [ Update on July 6, 2009. ]

・Quick Flow：新村裕昭研究員（東京大学）のページ．

・流体エネルギー形態学研究室（神戸大学大学院自然科学研究科）：格子ボルツマン法による流れのシミュレーション

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