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所在平台: Udemy |
课程主页: https://www.udemy.com/course/lattice-boltzmann-method-iv/
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**课程名称：** Pythonによる科学技術計算入門 【流体 専門コース】Ⅳ **课程概述：** 本课程是【Pythonによる科学技術計算入門】的进阶和专业方向课程，专注于数值流体力学（CFD）。我们将探讨流体力学的基本概念、数值流体力学的原理，并重点学习一种新兴的数值流体力学方法——格子玻尔兹曼法（LBM）。本课程是全球首个系统性、专业化讲解格子玻尔兹曼法的课程（课程Ⅳ）。 课程分为理论篇和实现篇。 **理论篇：** * **基础知识：** 深入讲解热流体分析的基础概念，从“为什么温度会下降”等基础问题入手，逐步深入。 * **LBM的应用：** 学习如何使用LBM求解Navier-Stokes方程，以及热传导方程和扩散方程。通过逐步讲解，理解LBM在处理不同方程时的异同，以及边界条件和实际应用中的实现技巧。 **实现篇：** * **Thermal LBM实现：** 基于课程Ⅲ中实现的3D D3Q27 LBM，进行Thermal LBM的实现。 * **Fluid LBM的Thermal LBM实现：** 将Thermal LBM与Fluid LBM相结合，实现D3Q27-Factorized Central Moment模型。该模型适用于湍流区域，代码具有很高的实用性。 * **案例分析：** 将3D圆柱绕流解析扩展到热流体解析，并进行验证。 **目标学员：** * 对高水平科学技术计算感兴趣的学生和职场人士。 * 在企业或国家研究机构工作的研究人员。 * 高校硕士和博士研究生。 * 博士后研究人员。 * 希望从零开始开发内部软件，而非使用商业CFD软件的用户。 **课程特色：** * **全流程自主实现：** 在Google Colab环境中，使用Python从零开始实现算法。 * **GPU加速：** 利用Cupy库实现GPU并行计算，使代码具有高度实用性，可直接应用于软件开发。 * **灵活的学习环境：** 无需准备昂贵的桌面+GPU环境，即可完成课程。 **核心概念：** * **数值流体力学 (CFD):** 通过数值方法求解流体控制方程（如Navier-Stokes方程），以模拟流体运动。 * **格子玻尔兹曼法 (LBM):** 一种快速发展的数值流体力学新方法。其完全显式求解的特性使其与并行计算（尤其是GPU）高度兼容，可实现高效加速。 **学习收益：** * **热流体分析能力：** 在课程Ⅲ基础上，结合热传导方程，实现热流体分析。 * **多物理场分析：** 理解LBM如何求解Navier-Stokes方程、热传导方程和扩散方程，掌握LBM在多物理场分析中的应用。 * **高级LBM模型实现：** 实现用于热流体分析的Double Population模型，以及用于流体部分的Factorized Central Moment模型。 * **工业级代码：** 确保算法在各种雷诺数下都能稳定计算，产出具有工业应用价值的代码。 **重要提示：** * 本课程是专业课程Ⅳ。 * 课程Ⅲ已可进行实用的计算。 * 强烈建议观看课程概要视频以获取更详细信息。
【このコースは誰に向けたものか？】本コースは、Udemy講座【Pythonによる科学技術計算入門】の応用コース・専門コースにあたります。このコースでは数値流体力学にフォーカスし、流体力学とは何か？、数値流体力学の基礎、また新しい数値流体力学手法である格子ボルツマン法について特に原理的な部分を学ぶコースです。このコースは格子ボルツマン法を体系的かつ専門に学べる世界初のコースとなります。このコースはコースⅣになります。大きく理論編と実装編に分かれています。まずは理論編では熱流体解析のベースとなる基礎知識について解説を行います。温度は何故冷めるのか？という素朴な疑問から徐々にスタートしていきます。また、格子ボルツマン法ではNavier-Stokes方程式だけでなく、熱伝導方程式や拡散方程式も同じような手順で解けることをstep by stepで学んでいきます。この際にはNavier-Stokes方程式の時との違いや、境界条件、実装上の工夫など実用上重要な内容を学んでいきます。実装編では、コースⅢで実装した3次元D3Q27 LBMをベースにThermal LBMの実装と、Fluid LBMのThermal LBMの実装を行っていきます。Thermal LBMでもD3Q27-Factorized Central Momentモデルを実装する為、完成したモデルは乱流域で使用する事が出来、実用性の高いコードを実装します。最後に3次元の円柱周りの流れを熱流体解析に拡張し、検証していきます。【こんな方に向いています】・専門的かつハイレベルな科学技術計算に興味のある学生さんや社会人の方・企業や国の研究機関で働いている研究員の方・大学の修士課程や博士課程の方・ポスドクの方・市販の数値流体力学ソフトを使うのではなく内製のソフトウェア開発をフルスクラッチで行いたい方【フルスクラッチで一緒に実装します】Google Colab環境でnotebook上にフルスクラッチでアルゴリズムの実装を行います。特にCupyを使ったGPUによる並列計算を採用している為、完成されたコードは実用的でそのままソフトウェア開発に活かせるレベルになります。またGoogle Colab環境なので仮にデスクトップ + GPUという環境を用意できなかったとしても本講座を受講する事が可能です。【数値流体力学とは?】数値流体力学とは科学技術計算の１つの分野で流体の支配方程式であるNavier-Stokes方程式を数値的に解くことで、流体の流れをシミュレーションにより調べる手法です。【格子ボルツマン法とは?】格子ボルツマン法は2000年代に入って、急速に発展している数値流体力学の新しい手法となります。特に完全陽解法という性質から並列計算と相性が良く、GPUにより高速化が可能です。今回、CUDAによる実装を行いますが、逐次計算の100倍以上の高速化が可能です。【何が学べる？】本コースは専門コースのⅣになります。コースⅢまででも十分実用的な計算は可能ですが、ここに熱伝導方程式を組み込むことで、熱流体解析を行う事ができます。LBMはNavier-Stokes方程式を解くことができますが、全く同じように熱伝導方程式や拡散方程式も解くことができ、マルチフィジックス解析を得意としています。この為、全ての物理現象をLBMのフレームワークの中で解いていくための理論的な中身と実装について詳細に学んでいきます。また実装編において、Double PopulationモデルというLBMで熱流体解析を行う上で最もよく使われる手法を実装していきます。流体にも温度にもFactorized Central Moment以上のモデルを実装する為、どのようなReynolds数でも安定に計算でき、作成されたコードは産業応用上十分なレベルに仕上がります。詳細についてはコース概要の動画もご覧ください。
