Pythonによる科学技術計算入門【流体専門コース】Ⅱ from Udemy

【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Ⅱになります。格子ボルツマン法の基礎的な理解・実装を完了した状態から開始し、特に乱流にフォーカスして解説・実装を行っていきます。

【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Ⅱになります。このコースでは乱流にフォーカスし、乱流とは何か？乱流と数値流体力学手法、そしてLBMと乱流について学ぶことができます。コースⅠで実装したSRTを拡張したMRT(Multiple Relaxation Time)モデルについて理論的な解説と実装を丁寧に行います。特に一見、難しそうなMRTの実装をSympyによるメタプログラミングを活用した先進的な実装に取り組みます。コースⅡの内容を修了すると2次元LBMの高いReynolds数までの計算が可能になります。

詳細についてはコース概要の動画もご覧ください。

What's inside

Learning objectives

数値流体力学の中でも乱流の性質を理解できる
乱流モデルとは、rans、les、dnsの違いを説明できる

Lbmで乱流を計算する為の方法が理解できる
Lbmで2次元の乱流を計算できるモデルを実装できる

数値流体力学の中でも乱流の性質を理解できる
乱流モデルとは、rans、les、dnsの違いを説明できる
Lbmで乱流を計算する為の方法が理解できる
Lbmで2次元の乱流を計算できるモデルを実装できる

Syllabus

はじめに

コース概要説明

コースIのコード配布

乱流の基礎

Traffic lights

Read about what's good

what should give you pause

and possible dealbreakers

Focuses on the Lattice Boltzmann Method (LBM), a modern approach in computational fluid dynamics, making it relevant for those seeking cutting-edge techniques

Employs GPU parallel computing with CuPy, offering practical, production-ready code applicable to software development in high-performance computing environments

Expands on the SRT model from Course I to the MRT model, providing a deeper understanding of turbulence modeling in LBM, which is valuable for advanced simulations

Requires prior knowledge and implementation of basic Lattice Boltzmann Method concepts, indicating it is designed for learners with an existing foundation

Uses Google Colab, which allows learners without high-end local GPU environments to participate, but may require familiarity with the Colab environment

Relies on code from a previous course, suggesting that learners may need to complete the first course to fully benefit from the content

Reviews summary

Lbm乱流計算とgpu実装の専門コース

受講生によると、このコースは流体力学、特に格子ボルツマン法（LBM）の専門的な内容に焦点を当てており、その中でも乱流計算とMRTモデルについて理論と実践の両面から深く掘り下げています。Cupyを使ったGPUによる並列計算実装は特に実用的で、フルスクラッチでコードを書くことで理解が定着しやすいとの声があります。Sympyによるメタプログラミングといった先進的な手法も扱われます。一方で、内容は非常に専門的であり、コースIで学ぶLBMの基礎知識が必須となるため、対象者は絞られますが、数値流体力学の研究者やエンジニアにとっては非常に価値の高い講座と見られます。世界初となるLBM専門コースとしての独自性も評価されています。

対象は絞られるが深い内容。

"流体計算、特に格子ボルツマン法に関する高度な知識が前提となります。"

"内容は非常に専門的で、初心者には全く向きません。"

"コースIを事前に受講しておくことが強く推奨されます。"

フルスクラッチでのコーディング。

"理論だけでなく、Google Colabで実際にコードを書く演習が豊富です。"

"フルスクラッチでの実装を通して、理解が深まりました。"

"書かれているコードが実用的で、そのまま活かせそうです。"

Cupyで実践的な高速計算。

"Cupyを用いたGPU並列計算は実用的で、速度向上を実感できた。"

"大規模計算への応用が見えてきて、大変参考になった。"

"Colab環境でGPUを使えるのが手軽でよかった。"

複雑なMRTモデルを深く学ぶ。

"MRTモデルの理論が丁寧に解説されており、理解が進みました。"

"Sympyを使ったメタプログラミングによる実装は非常に先進的でした。"

"格子ボルツマン法の基礎から応用への繋がりが明確になりました。"

Activities

Be better prepared before your course. Deepen your understanding during and after it. Supplement your coursework and achieve mastery of the topics covered in Pythonによる科学技術計算入門【流体専門コース】Ⅱ with these activities:

乱流モデリングに関する書籍を読む

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乱流モデリングに関する知識を深めることで、コースで扱う乱流モデルの理解を深め、より高度なシミュレーションを行えるようになります。

View Melania on Amazon

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RANS、LES、DNSの違いを理解する
各乱流モデルの適用範囲を理解する
乱流モデルのパラメータ調整方法を学ぶ

数値流体力学の教科書を読む

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数値流体力学の基礎を学ぶことで、格子ボルツマン法の理解を深め、コースの内容をより深く理解することができます。

View 流体力学の基礎 on Amazon

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数値流体力学の基礎的な概念を理解する
様々な数値解法を比較検討する
演習問題を解いて理解度を確認する

格子ボルツマン法の実装練習

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格子ボルツマン法の実装を繰り返すことで、アルゴリズムの理解を深め、より効率的なコードを書けるようになります。

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簡単な流れ場を格子ボルツマン法でシミュレーションする
境界条件や初期条件を変えてシミュレーション結果を比較する
GPUによる並列計算を実装して高速化を試みる

Three other activities

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Show all six activities

格子ボルツマン法の解説記事を作成する

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格子ボルツマン法について記事を書くことで、理解を深め、他の人に説明できるようになります。

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格子ボルツマン法の原理を分かりやすく説明する
実装方法や注意点をまとめる
シミュレーション結果の可視化方法を紹介する

独自の数値流体力学ソルバーを開発する

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コースで学んだ知識を応用して、独自のソルバーを開発することで、実践的なスキルを身につけることができます。

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格子ボルツマン法をベースにしたソルバーを設計する
様々な流れ場をシミュレーションできるように機能を拡張する
ソルバーの性能を評価し、改善する

格子ボルツマン法のオープンソースプロジェクトに貢献する

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オープンソースプロジェクトに貢献することで、実践的なコーディングスキルを向上させ、他の開発者との交流を通して知識を深めることができます。

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既存のバグを修正する
新しい機能を追加する
ドキュメントを整備する

Career center

Learners who complete Pythonによる科学技術計算入門【流体専門コース】Ⅱ will develop knowledge and skills that may be useful to these careers:

計算物理学者

計算物理学者は、物理学の問題を数値的に解くためのアルゴリズムやソフトウェアを開発する専門家です。この仕事では、数学、物理学、コンピュータサイエンスの知識を組み合わせて、複雑な物理現象をシミュレーションし、分析します。このコースは、数値流体力学、特に格子ボルツマン法に特化しており、計算物理学者として流体関連の問題に取り組む上で非常に役立ちます。コースで学ぶ乱流モデルやMRTモデルの実装は、複雑な流体現象を正確にシミュレーションし、新しい物理現象を発見するための基盤となります。また、GPUによる並列計算の実装は、大規模なシミュレーションを高速化し、より詳細な解析を可能にします。

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CFDエンジニア

CFDエンジニアは、数値流体力学（CFD）ソフトウェアを用いて、流体現象をシミュレーションし、解析する専門家です。この仕事では、航空宇宙、自動車、エネルギー、化学など、さまざまな産業における設計や最適化に貢献します。このコース、特に格子ボルツマン法に焦点を当てた内容は、CFDエンジニアとして乱流現象を扱う上で非常に役立ちます。コースで学ぶMRTモデルの実装や、Sympyを活用したメタプログラミングは、高度なシミュレーション技術を習得する上で不可欠です。また、GPUによる並列計算の実装は、大規模な乱流シミュレーションを効率的に行うための重要なスキルとなります。さらに、円柱周りの流れの計算など、具体的な応用例を通じて、実践的な知識と問題解決能力を養うことができます。

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数値流体力学エンジニア

数値流体力学エンジニアは、流体の運動をシミュレーションし、分析する専門家です。この仕事では、航空宇宙、自動車、医療機器など、さまざまな産業における設計や最適化に貢献します。このコース、特に格子ボルツマン法に焦点を当てた内容は、数値流体力学エンジニアとして乱流現象を扱う上で非常に役立ちます。コースで学ぶMRTモデルの実装や、Sympyを活用したメタプログラミングは、高度なシミュレーション技術を習得する上で不可欠です。また、GPUによる並列計算の実装は、大規模な乱流シミュレーションを効率的に行うための重要なスキルとなります。さらに、円柱周りの流れの計算など、具体的な応用例を通じて、実践的な知識と問題解決能力を養うことができます。

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数値解析研究者

数値解析研究者は、数学的な問題を数値的に解くための新しいアルゴリズムや手法を開発する専門家です。この仕事では、数値流体力学における新しい解法や、既存の解法の改良などを行います。このコースは、格子ボルツマン法という比較的新しい数値流体力学の手法に特化しており、数値解析研究者にとって非常に魅力的な内容です。特に、乱流モデルやMRTモデルの実装、Sympyによるメタプログラミングは、高度な数値解析技術を習得し、新しいアルゴリズムを開発するための基盤となります。また、GPUによる並列計算の実装は、大規模なシミュレーションを効率的に実行するために不可欠です。このコースは、数値解析研究者が最先端の研究を行うための知識とスキルを提供します。博士号（Ph.D.）が必須となることが多いです。

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シミュレーションエンジニア

シミュレーションエンジニアは、コンピュータを用いて物理現象やシステムの挙動をモデル化し、シミュレーションを通じて性能評価や最適化を行う専門家です。この仕事では、製品設計、プロセス改善、リスク評価など、さまざまな分野でシミュレーション技術が活用されます。このコースは、数値流体力学、特に格子ボルツマン法に特化しており、シミュレーションエンジニアとして流体関連の問題に取り組む上で強力な武器となります。コースで学ぶ乱流モデルやMRTモデルの実装は、複雑な流体現象を正確にシミュレーションし、より信頼性の高い結果を得るために役立ちます。また、GPUによる並列計算の実装は、大規模なシミュレーションを高速化し、より効率的な開発プロセスを実現するために非常に重要です。

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研究開発エンジニア

研究開発エンジニアは、新しい技術や製品を開発し、既存の技術を改善する役割を担います。この仕事では、科学的な知識とエンジニアリングのスキルを組み合わせて、革新的なソリューションを生み出すことが求められます。このコースは、数値流体力学の専門知識、特に格子ボルツマン法に関する深い理解を提供するため、研究開発エンジニアにとって非常に有益です。コースで扱う乱流モデルやMRTモデルの実装は、複雑な流体現象を解析し、新しい設計やプロセスを開発する上で役立ちます。また、GPUによる並列計算の実装は、大規模なシミュレーションを効率的に実行し、より迅速な開発サイクルを実現するために不可欠です。

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熱流体解析エンジニア

熱流体解析エンジニアは、熱と流体の相互作用をシミュレーションし、解析する専門家です。この仕事では、製品の冷却設計、空調システムの最適化、燃焼プロセスの解析など、さまざまな分野で熱流体解析技術が活用されます。このコースは、数値流体力学、特に格子ボルツマン法に特化しており、熱流体解析エンジニアとして熱と流体の両方を考慮した高度なシミュレーションを行う上で非常に役立ちます。コースで学ぶ乱流モデルやMRTモデルの実装は、複雑な熱流体現象を正確にシミュレーションし、より効率的な設計やプロセスを開発するために役立ちます。GPUによる並列計算の実装は、大規模なシミュレーションを高速化し、より迅速な開発サイクルを実現するために不可欠です。

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流体解析コンサルタント

流体解析コンサルタントは、顧客企業の流体関連の問題を解決するために、流体シミュレーションや解析を行う専門家です。この仕事では、顧客のニーズを理解し、最適なシミュレーション手法を選択し、結果を分析して改善策を提案します。このコースで学ぶ格子ボルツマン法は、さまざまな産業分野で応用されており、流体解析コンサルタントとして幅広い問題に対応するために役立ちます。特に、乱流モデルやMRTモデルの実装、GPUによる並列計算の実装は、複雑な流れの解析や大規模なシミュレーションを効率的に行うための重要なスキルとなります。また、円柱周りの流れの計算など、具体的な応用例を通じて、実践的な問題解決能力を養うことができます。

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計算科学者

計算科学者は、科学的な問題を解くために、コンピュータを用いてシミュレーションやモデリングを行う専門家です。流体力学の分野では、複雑な流れのシミュレーションや乱流モデルの開発などを行います。このコースで学ぶ格子ボルツマン法は、流体シミュレーションの基礎を提供し、計算科学者が流体関連の問題に取り組む上で役立ちます。特に、MRTモデルの実装やGPUによる並列計算の実装は、大規模なシミュレーションを効率的に行うための重要なスキルとなります。また、Sympyを活用したメタプログラミングは、複雑なアルゴリズムを効率的に実装するための高度なテクニックです。

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航空宇宙エンジニア

航空宇宙エンジニアは、航空機や宇宙船の設計、開発、製造、テストを行う専門家です。流体力学は、航空機の空力特性や推進システムの設計において重要な役割を果たします。このコースで学ぶ格子ボルツマン法は、航空機の周りの流れをシミュレーションし、空力性能を評価するために役立ちます。特に、乱流モデルの実装は、航空機の高揚力翼やジェットエンジンの内部流れなど、複雑な流れ現象を解析するために不可欠です。このコースは、航空宇宙エンジニアがより高性能な航空機や宇宙機の開発に貢献するための知識とスキルを提供します。

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ソフトウェア開発エンジニア

ソフトウェア開発エンジニアは、コンピュータソフトウェアを設計、開発、テストする専門家です。この仕事では、プログラミングスキル、アルゴリズムの知識、ソフトウェア開発の原則を理解していることが求められます。このコースは、格子ボルツマン法の実装を通じて、実践的なプログラミングスキルを向上させる機会を提供します。特に、Cupyを使ったGPUによる並列計算の実装は、高性能なソフトウェアを開発する上で重要なスキルとなります。また、Sympyによるメタプログラミングは、複雑なアルゴリズムを効率的に実装するための高度なテクニックです。コースで開発するコードは、実用的なレベルであり、ソフトウェア開発エンジニアとして即戦力となる能力を養うことができます。

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自動車エンジニア

自動車エンジニアは、自動車の設計、開発、製造、テストを行う専門家です。流体力学は、自動車の空力特性やエンジン冷却、排気システムなど、さまざまな分野で重要な役割を果たします。このコースで学ぶ格子ボルツマン法は、自動車の周りの流れをシミュレーションし、空気抵抗を低減するための設計を支援します。特に、乱流モデルの実装は、自動車の高速走行時の安定性や燃費性能を向上させるために不可欠です。このコースは、自動車エンジニアがより高性能で環境に優しい自動車の開発に貢献するための知識とスキルを提供します。

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機械エンジニア

機械エンジニアは、機械システムの設計、開発、製造、テストを行う専門家です。流体力学は、ポンプ、タービン、熱交換器など、さまざまな機械システムの設計において重要な役割を果たします。このコースで学ぶ格子ボルツマン法は、これらの機械システム内部の流れをシミュレーションし、性能を最適化するために役立ちます。特に、乱流モデルの実装は、高効率なポンプやタービンの開発に不可欠です。このコースは、機械エンジニアがより高性能で信頼性の高い機械システムの開発に貢献するための知識とスキルを提供します。

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プロセスエンジニア

プロセスエンジニアは、化学プラントや製造プロセスを設計、最適化、運用する専門家です。流体力学は、反応器の設計、混合プロセスの最適化、パイプラインの流量制御など、さまざまな分野で重要な役割を果たします。このコースで学ぶ格子ボルツマン法は、これらのプロセス内部の流れをシミュレーションし、効率を向上させるために役立ちます。特に、乱流モデルの実装は、複雑な反応器内部の流れを解析し、反応効率を最大化するために不可欠です。このコースは、プロセスエンジニアがより効率的で安全なプロセスを設計するための知識とスキルを提供します。

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データサイエンティスト

データサイエンティストは、大量のデータから価値ある情報を抽出し、ビジネス上の意思決定を支援する専門家です。流体解析の分野では、シミュレーションデータや実験データを用いて、流れの特性を分析し、予測モデルを構築することがあります。このコースで学ぶ格子ボルツマン法は、流体シミュレーションの基礎を提供し、データサイエンティストが流体関連のデータ分析を行う上で役立ちます。特に、乱流モデルやMRTモデルの実装は、複雑な流体現象を理解し、より高度なデータ分析を行うための基盤となります。また、GPUによる並列計算の実装は、大規模なシミュレーションデータを効率的に処理するために重要です。

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Reading list

We've selected two books that we think will supplement your learning. Use these to develop background knowledge, enrich your coursework, and gain a deeper understanding of the topics covered in Pythonによる科学技術計算入門【流体専門コース】Ⅱ.

流体力学の基礎

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この本は、数値流体力学の基礎を網羅的に解説しており、特に格子ボルツマン法を学ぶ上で必要な知識を補強するのに役立ちます。数値解法の基礎から応用まで幅広くカバーしており、コースの内容をより深く理解するための参考書として最適です。また、演習問題も豊富に収録されているため、理解度を確認しながら学習を進めることができます。数値流体力学を専門とする学生や研究者にとって、必携の一冊と言えるでしょう。