16. ターゲット：計算流体力学（Computational Fluid Dynamics

16.1. はじめに

このチュートリアルでは、cfd データセットの一般的な可視化テクニックを紹介します。ここでは、Paraview の File/ Open/ Examples にある disk_out_ref.ex2 というデータセットを使用します。このデータセットには、V というベクトル場が含まれています。

16.2. スライス

• disk_out_ref.ex2を開きます。

• Apply を実行します。

• +X

• Filters → Common → Slice を選択します。

• Apply を実行します。

• Show Plane の選択を解除します。

• Coloring を v に設定します。

• パイプラインブラウザで、disk_out_ref.ex2 を選択します。

• Filters → Common → Slice を選択します。

• Y Normal.

• Apply を実行します。

• Show Plane の選択を解除します。

• Coloring を pres に設定します。

• View → Color Map Editor → Presets (ハートのついた小さな袋) → Turbo.

• マウスでスライスを回転させ、両方の面が見えるようにします。

• Edit → Reset Session です。また、色を変えていた場所のすぐ上に、ショートカットアイコンがあります。緑色の反時計回りの蛇が尻尾を食べているように見えます。

16.3. ストリームトレーサー - ラインとチューブ

• disk_out_ref.ex2を開きます。

• Apply を実行します。

• +X

• Filters → Common → Stream Tracer を選択します。

• v.

• Seed Type を Point Cloud に設定します。

• Show Sphere のチェックをはずします。

• Coloring を v に設定します。

• Apply を実行します。

線は面ほどきれいに発色しません。それぞれの流線の周りにチューブフィルタを追加してみましょう。

• Filters → Search を選択します。

• タイプ Tube にします。

• Apply を実行します。

さて、パーティクルがどの方向に移動しているのかを知りたい。そこで、グリフフィルタを使用します。グリフフィルタはチューブではなく、流線上に配置することに注意してください。

• パイプラインブラウザで StreamTracer1 を選択します。

• Filters → Common → Glyph を選択します。

• Glyph Type を Cone に設定します。

• Orientation Array を v に設定します。

• Scale Array を v に設定します。

• !非常に重要!: Scale Factor で、右側のリサイクルボタンを選択します。

• Apply を実行します。

• Coloring を temp に設定します。

• View → Color Map Editor → Presets (ハートのついた小さな封筒) → Black Body Radiation.

このクールな画像をスクリーンショットとして保存しましょう。

• File → Save Screenshot.

• ファイル名を追加します。

• OK を押します。

• OK を押します。

• Edit → Reset Session.

16.4. カスタムソースを使ったストリームトレーサー

任意のソースからストリームトレーサーを作成したいと考えています。これは、線、スプライン、円、楕円、その他あらゆる曲線です。極端な例としては、平面で切断された円柱が挙げられます。

• disk_out_ref.ex2を開きます。

• Apply を実行します。

• +X

• vtkBlockColors を Solid Color に設定します。

• Opacity を 0.3 に設定します。

• Sources/Alphabetical/Elipse.

• Center を 0,0,7 に設定します。

• Major Radius Vector を 3,0,0 に設定します。

• Ratio を 0.3 に設定します。

• Apply を実行します。

• Filters → Search を選択します。

• タイプ Tube にします。

• Apply を実行します。

• Pipeline Browser で disk_out_ref.ex2 を選択します。

• Filters → Alphabetical → Stream Tracer with Custom Source を選択します。

• Seed Source を Elipse に設定します。

• Apply を実行します。

• Coloring を Solid Color に設定します。

下の画像は、ストリームトレーサーにラインやチューブを加えたものと、ストリームトレーサーにカスタムソースを加えたものを合体させたものです。よりきれいに見えるように色も変えてみました。興味があれば、複製はユーザーにお任せします。

16.5. スライスに垂直なグリフ

• Edit → Reset Session.

• disk_out_ref.ex2を開きます。

• Apply を実行します。

• +X.

ハーフスライスを作成しましょう。これはグリフのseed planeとして使用されます。

• Filters → Common → Slice を選択します。

• Z Normal.

• 原点を 0, 0, 5 に設定します。

• Show Plane のチェックをはずします。

• Apply を実行します。

• Filters → Common → Clip を選択します。

• Show Plane のチェックをはずします。

• Apply を実行します。

次に、グリフを適用します。

• Filters → Common → Glyph を選択します。

• Glyph Type を Arrow に設定します。

• Orientation Array を v に設定します。

• Scale Array を v に設定します。

• !非常に重要!: Scale Factor で、右側のリサイクルボタンを選択します。

• .5X.

• .5X.

• Apply を実行します。

• Coloring を v に設定します。

• Magnitude を Z に変更します。

このグリフを元のデータセットに戻して、文脈を整理してみよう。

• パイプラインブラウザで disk_out_ref.ex2 を選択します。

• Representation を Wireframe に設定します。

• pipeline browser で、disk_out_ref.ex2 の隣にある eball をクリックします。

• Opacity を 0.3 に設定します。

• マウスでグリフベクターにズームインすることができます。

16.6. 流体の流れ

速度プロファイルを表示するには、データセットを線でサンプリングし、この線からグリフを作成する必要があります。これはParaViewのテクニック、すなわちPlot over Lineフィルタを使って行うことができます。なお、ParaView 5.11以降では、Resample to Lineフィルタが追加される予定です。

• Edit → Reset Session.

• disk_out_ref.ex2を開きます。

• Apply を実行します。

一本の線の上にサンプルを置くことができます。

• Filters → Data Analysis → Plot over Line を選択します。

• Y Axis.

• Point1 と Point2 の Z 成分を 1 に変更します。

• Resolution を 40 に変更します。

• Apply を実行します。

• LineChartView を閉じます。

• Pipeline Browser で、disk_out_ref.ex2 の表示設定をオフにします。

これで流体を貫く線ができあがりました。Vの負のZ成分（Vとは逆方向の線）を計算しましょう。そうすると、2つのプロファイルができます。1つはVで、もう1つはVzです。

• Filter → Common → Calculator を設定します。

• Result を Vz に変更します。

• Set Expression to 0*iHat+0*jHat+-v_Z*kHat.

• Apply を実行します。

ここで、2つのグリフを作成します。1つは Calculator フィルタから、もう1つは Plot over Line フィルタから直接作成します。

• パイプラインブラウザでは、Calculator1 がハイライトされているはずです。

• Filters → Common → Glyph を選択します。

• Glyph Type を Arrow に設定します。

• Orientation Array を Vz に設定します。

• Scale Array を Vz に設定します。

• !非常に重要!: Scale Factor で、右側のリサイクルボタンを選択します。

• .5X.

• .5X.

• Apply を実行します。

• Color Editor のアイコンをクリックします。

• カラーをオレンジに変更します。

• Apply を実行します。

• パイプラインブラウザで、Plot over Line フィルタを選択します。

• Filters → Common → Glyph を選択します。

• Glyph Type を Arrow に設定します。

• Orientation Array を v に設定します。

• Scale Array を v に設定します。

• !非常に重要!: Scale Factor で、右側のリサイクルボタンを選択します。

• Apply を実行します。

このグリフを元のデータセットに戻して、文脈を整理してみよう。

• パイプラインブラウザで disk_out_ref.ex2 を選択します。

• disk_out_ref.ex2 の横にある eyeball をクリックします。

• Opacity を 0.3 に設定します。

ちょっといい画像を作るために、ビューを水平に分割し、この可視化を横からも表示することにします。

ラインからサンプリングしたデータを.csvファイルに書き出し、そこでExcelなどのツールで後処理をすることができます。以下にその方法を示します。

• パイプラインブラウザで PlotOverLine を選択します。

• 縦型分割画面。

• Spreadsheet view.

• ここで、Export Scene のアイコンをクリックし、Spreadsheet を .csv file に書き出します。

このクールな画像をスクリーンショットとして保存しましょう。

• File → Save Screenshot.

• ファイル名を追加します。

• OK を押します。

• 両方のビューを保存したい。Save All Views をクリックします。

• OK を押します。

16.7. 流体による2Dプロット

• Edit → Reset Session.

• disk_out_ref.ex2を開きます。

• Apply を実行します。

• +X.

• Filters → Data Analysis → Plot over Line を選択します。

• Y Axis.

• Point1 と Point2 の Z 成分を 4 に変更します。

• Apply を実行します。

• Properties Tab で、v_Z 以外の変数をオフにします。

• 左の view である RenderView をクリックします。

• パイプラインブラウザで disk_out_ref.ex2 を選択します。

• Opacity を 0.3 に設定します。

16.8. スライス上のContour

• Edit → Reset Session.

• disk_out_ref.ex2を開きます。

• Apply を実行します。

• +X.

• Filter → Common → Slice を選択します。

• Show Plane のチェックをはずします。

• Apply を実行します。

Contourフィルタに必要な大きさです。

• Filters → Common → Calculator を選択します。

• 出力配列名 vMag.

• Expression を mag(v) に設定します。

• Apply を実行します。

次に、2次元のスライスにContourを描きます。

• Filter → Common → Contour を選択します。

• vMagのContourです。

• Value を削除し、Add a Range of Values のアイコンを使って新しいセットを作成します。

• Apply を実行します。

可視化としては、Slice の表示設定をオンにして v で塗り、Contour を Solid Color に変更し、その色を White にするのがよいでしょう。

ここでは、流線、チューブ、グリフ を追加した例を紹介します。

16.9. 勾配、発散、渦度、Q基準

Gradient フィルタ (Advanced Properties タブ) は、Gradient、Divergence、Vorticity、および Q Criterion を提供します。以下は disk_out_ref.ex2 を使用した例です。

16.10. 流体の探索

流体のセルやポイントをプローブする方法は数多くあります。1つは、レンダービューのすぐ上にある Hover Points On と Hover Cells On のアイコンを使う方法です。もう1つは、インタラクティブにセルまたはポイントを選択する方法です。そして、データ検索で、セルまたはポイントラベルをオンにします。さらに、プローブフィルタを使用する方法もあります。ここでは、プローブフィルタの使い方を説明します。

• Edit → Reset Session.

• disk_out_ref.ex2を開きます。

• Apply を実行します。

• +X.

• Filters → Common → Clip を選択します。

• Show Plane のチェックをはずします。

• 反転 のチェックをはずします。

• Apply を実行します。

Probe フィルタは、Auto Apply をオンにすると、より効果的に機能します。立方体から木が伸びているようなアイコンです。

• Auto Apply オン

• Filters → Data Analysis → Probe を選択します。

• 必要であれば、RenderView ウィンドウを選択し、フォーカスを与えてください。

• ここで、disk_out_ref.ex2 を移動し、プローブされた場所を p キーで更新します。プローブされた データは、スプレッドシートビューに表示されます。

16.11. 静的なベクトル場のアニメーション化

データにベクトル場があれば、静的なデータセットをアニメーション化することができます。私たちの目標は、ベクトルフィールドから流線のセットを作成し、この流線のセット上にポイントを配置し、流線の下にポイントをアニメーション化することです。また、流線のポイントにグリフを追加する予定です。

• Edit → Reset Session.

• disk_out_ref.ex2を開きます。

• Apply を実行します。

• X アイコンをクリックします。

• Stream tracer フィルタ。(すでにVでストリームトレーシングを行っています)。

• Seed Type を Point Cloud に設定します。

• オプション - 不透明度を 0.4 に変更します。

• Apply を実行します。

• Filter → Common → Contour を選択します。

• IntegrationTime でのContour

• Apply を実行します。

• Filters → Common → Glyph を選択します。

• Vectors V.

• No Scale Array.

• Scale 1.

• Glyph Mode を All Points に設定します。

• Apply を実行します。

• View → Animation View を選択します。

• Mode を Sequence に設定します。

• No. Frames を 100 に設定します。

• 青い + の横のプルダウンボックスを Contour に変更します。

• 青い + をクリックします。なお、スタートは0にするときれいに表示されます。

• ここで、再生ボタンをクリックします。

• パイプラインブラウザでは、Contourフィルタの表示設定もオフにしています。

動画で保存しましょう。

• File → Save Animation.

• ファイル名を追加します。

• .avi として保存します。

• OK を押します。

• OK を押します。

16.12. ボリュームレンダリング

流体をボリュームレンダリングされた温度で塗り、火のように見えるようにするつもりです。コンテキストを与えるために、外面を抽出し、disk_out_ref を半分に切り取ります。この外面を黒く塗ることにします。

注意：ボリュームレンダリングは非常にリソースを消費します。サーフェスを使ったデータセットがボリュームレンダリングで詰まって表示されることがあります。解決策は、クラスタのより多くのノードを取得し、より多くのメモリを取得することです。

• Edit → Reset Session.

• disk_out_ref.ex2を開きます。

• Apply を実行します。

• Filters → Alphabetical → Extract Surface を選択します。

• Apply を実行します。

• Filters → Common → Clip を選択します。

• Invert の選択を解除します。

• Apply を実行します。

• Solid Color を black に設定します。

• Representation を Wireframe に設定します。

• disk_out_ref.ex2を再度開きます。

• Apply を実行します。

• Coloring を temp に設定します。

• Representation を Volume に設定します。

火のように見えることが目的なので、Color Map の設定を細かくしていきます。

• View → Color Map Editor を選択します。

• presets (ハートマークのついたフォルダのようなもの) を Black Body Radiation に変更します。

• カラー伝達関数 （下側の1次元の色のついた線）には、すでに4つのポイントがあるはずです。

• オレンジ色の領域にポイントを追加します

• ブラックの上部にもう一つ追加します。

Did you know?

• ウィンドウ内をクリックすると、カラースケール上にポイントを作成することができます。

• カラースケール上のポイントをクリックすると、そのポイントを選択することができます。

• ポイント間の移動は、Tab キーと Shift キーで行えます。

• deleteキーでポイントを削除することができます。

• 温度は、黒体曲線の物理法則で設定する必要があります。そこで、advanced ボタンをクリックして、以下のように6点のcolor transfer function values (カラー伝達関数値) を手動で指定します。

• 不透明度伝達関数 （上の2Dの色のついた線）には、すでに2つのポイントがあるはずです。

• 以下のように4点追加します。

• 不透明度には、少し芸術的な要素が必要です。私たちがやろうとしていることは、炎の中のさまざまな温度を示すことです。また、すすが異なる量であることを示したい場合もあります（これはポイント番号1になります）。したがって、6点のopacity transfer function values (不透明度伝達関数値) を以下のように手動で指定します。

最終的にボリュームレンダリングの火はこのように表示されます。