COMSOL Multiphysics®による食品科学への取り組み€¦ · 仮想化のすすめ 3 仮想化＝計算シミュレーションの活用モデリングメカニズムの理解

COMSOL Multiphysics®による食品科学における仮想化のすすめ

橋口真宜

第１技術部部長

計測エンジニアリングシステム株式会社

COMSOL Multiphysics®日本総代理店

東京都千代田区内神田1-9-5 SF内神田ビル5F

http://www.kesco.co.jp/ https://www.comsol.jp/

日本食品科学工学会第６５回大会 2018 8.24 ランチョンセミナー於：東北大

食品科学

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応用科学の側面食品の加工と保存を効率的に行う。

伝熱工学、冷凍工学、調理学、衛生学、微生物学、醸造工学、農業工学、乳業工学、栄養学

技術単位乾燥、殺菌、流動、混合、冷却、加熱

非食品との差異高温や長時間の処理によって成分の変化を生じる栄養面、嗜好面の価値を損なわないことが重要

Wikipedia

2018 M. Hashiguchi

予測微生物学

今回のランチョンセミナーの目的仮想化のすすめ

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仮想化＝計算シミュレーションの活用

モデリング

メカニズムの理解

試験法の設計

プロトタイピング

最適化

開発期間の短縮

設計期間の短縮

妥当性検証の設備費や期間の短縮

開発費削減

市場投入までの期間短縮

パラメタ推定

寸法、形状、トポロジー最適化メリット

2018 M. Hashiguchi

モデルの構築から数値解を得るまで

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解析したい現象解析したい現象

食品を加熱調理し、ある距離、運搬する。食べる人がちょうどよいと感じる温度にするには。

計算原理の選択

熱伝導（食材の内部）

＋

移動時の放熱（料理の外部、熱伝達）

方程式の利用

方程式境界条件初期条件材料物性（何を用意すればよいか？）

計算手法の選択

有限要素法、有限差分法、有限体積法

メッシュ作成計算数値解数値解

何を使えばよいか？

物理、工学、数理、情報、経済、・・・

2018 M. Hashiguchi

ＣＯＭＳＯＬを利用すると簡単に

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解析したい現象解析したい現象

食品を加熱調理し、ある距離、運搬する。食べる人がちょうどよいと感じる温度にするには。

計算原理の選択

熱伝導（食材の内部）

＋

移動時の放熱（料理の外部、熱伝達）

方程式の利用

伝熱を選択方程式境界条件初期条件材料物性（密度、比熱、熱伝導率）

計算手法の選択

有限要素法、有限差分法、有限体積法

メッシュ作成計算数値解数値解

用意されている中からインターフェースを選択

ブランク材料が教えてくれる！

𝑇(𝑥, 𝑦, 𝑧, 𝑡)

𝜌𝐶𝑝𝜕𝑇

𝜕𝑡= −𝛻 ∙ (−𝑘𝛻𝑇)

式も表示してくれる！

2018 M. Hashiguchi

自動ソルバ推奨機能

実例

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https://uk.comsol.com/story/comsol-assists-master-chef-in-winning-international-competition-14471

COMSOL Assists Master Chef in Winning International Competition

Ensure a new recipe for a fried halibut fish roll was cooked properly

https://uk.comsol.com/story/download/158435/Nofima_CN2011.pdf 2018 M. Hashiguchi

COMSOL Multiphysics®

7 2018 M. Hashiguchi

COMSOL Multiphysics®

COMSOL 社（スウェーデン、ボストン）の開発製品です。計測エンジニアリングシステム株式会社は日本総代理店です。

COMSOL Multiphysicsはマルチフィジックス解析環境を提供しています。解析は主として有限要素法に基づいています。（他に、有限体積法、境界要素法、粒子追跡も利用する場合もある）

スウェーデンの数学者当時、KTH (スウェーデン王立大学）の学生

The company was founded in 1986. COMSOL Multiphysics® in 1998.

Germund Dahlquist


COMSOL Multiphysics®の統合型GUIはモデルビルダーとアプリケーションビルダーを用意している

モデル構築モデル開発

アプリ化

教育革新・業務革新へ教育革新・業務革新へ

COMSOL Desktop 統合型GUI （プリ・任意のフィジックス・メッシュ・ソルバ・ポスト処理）

モデルビルダモデルビルダ

アプリケーションビルダアプリケーションビルダ

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任意の連成が可能

ＳＴＬデータ吐き出しで３Ｄプリンタへ

サーバーにアップロードすれば、タブレット端末などで利用も可能

2018 M. Hashiguchi

COMSOL MultiphysicsのGUI表示例 COMSOL MultiphysicsのGUI表示例

COMSOL Desktopとインターフェース

•プリ処理/フィジックス設定機能

•ソルバ機能

•ポスト処理

•システム要件 64bitのWindows/Mac OS X/Linux 要グラフィックスカード(VRAM 512MB以上)

プロットウィンドウ

モデルビルダ

ヘルプウィンドウ

インフォメーションウィンドウ

グラフィックスウィンドウ

リボン設定ウィンドウ

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アプリ開発用のアプリケーションビルダとして併用

デフォルト設定で不足する部分を追加/修正する作業でモデルを開発できる。

マウスの左クリックで設定ウィンドウへ、右クリックでコンテクストメニューへ。

アプリ

LiveLink for Excel

モデルビルダ：モデル開発者向けのインターフェースモデルビルダ：モデル開発者向けのインターフェース

利用者用のインターフェース利用者用のインターフェース

LiveLink for MATLABもある。ここでは説明しない。 2018 M. Hashiguchi

LiveLink for Excel

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ＣＯＭＳＯＬ解析と既存の業務の親和性

http://www.kesco.co.jp/seminar/comsol/advanced.html

LiveLink™ for Excel® 無料セミナへぜひご参加を！

利用者向けインターフェース（１）

2018 M. Hashiguchi

通常利用している環境で高度な計算解析を利用

COMSOL Multiphyiscs

誰でも利用可能！

誰でも閲覧可能！

COMSOLのGUIを知らなくても大丈夫

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イラストは「いらすとやかわいいフリー素材集」からの引用

2018 M. Hashiguchi

測定や実験値といったデータを、 COMSOL Multiphyiscsにつなげる

COMSOL Multiphyiscs

LL for Excel

測定/実験材料データのエクスポート

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参考市販ソフト（他社）でVBA経由で実験装置を制御できるものあり。実験装置に対してCOMSOLの計算結果を反映することも可能と考えられる。

イラストは「いらすとやかわいいフリー素材集」からの引用 2018 M. Hashiguchi

カスタマイズした結果処理/可視化を行なうためのデータの取り出し

COMSOL Multiphyiscs

LL for Excel

結果処理/可視化

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イラストは「いらすとやかわいいフリー素材集」からの引用

2018 M. Hashiguchi

ジオメトリ、フィジックス、解法をVBAでパラメタ化し、COMSOL Multiphysicsを制御する


アプリ

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場所を選ばない解析へ

利用者向けインターフェース（２）

2018 M. Hashiguchi

http://cdn.comsol.com/documentation/5.2.1.199/IntroductionToApplicationBuilder.pdf

http://www.kesco.co.jp/comsol/download/IntroductionToApplicationBuilder_52_rev2_j.pdf

日本語訳

英語版

開発モデル

COMSOL Desktop上で作成

自部門他部門遠隔事業所間教育ツールスタイルの統一化

定期セミナ開催

COMSOL Multiphysics for Everyone

実験値、計算値のフィードバック

開発者

アプリ

KESCO HPから申し込み

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アプリによるモデル利用層の拡大サーバー（ソフトウェア）でアプリをWeb形式でタブレット端末から利用可能サーバーの稼働するPCで計算を行うので端末数の増加を低コストで実現可能

海外では営業が

開発をアプリでアシストしている！

2018 M. Hashiguchi

伝熱解析の調理加熱への応用とアプリ化の例

物性値の入力物性値の入力

計算と結果表示ボタン計算と結果表示ボタン

問題説明検討パラメタの説明問題説明検討パラメタの説明

スクロールバーによる数式部分の表示スクロールバーによる数式部分の表示

2018 M. Hashiguchi 18

COMSOL Multiphysics®によるモデリングの例


伝熱問題


境界加熱（焼くイメージ）：伝熱

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300[degC]

裏面の平均温度

中心温度

焼く面の温度が３００℃であるとした場合。（境界熱源として熱量を与えても良い。）

境界加熱の特徴：中心に火が通るのに時間がかかる。

実際には食品をひっくり返して裏面を焼くこともある。

2018 M. Hashiguchi

オーブン加熱：伝熱（放射）

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k=0.358

k=400

銅の場合

食品は温度ムラを生じる。

空気の無い宇宙空間でも利用できる。

平均温度

最大温度

最小温度

加熱源

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食品の２４時間天日乾燥の設計

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太陽光のモデリング

2018 M. Hashiguchi

日照の計算例

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幾何光学による解析 COMSOLは動画表示機能があり、現象を把握しやすい。

2018 M. Hashiguchi

モデルサイズの縮小も重要

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１Ｄモデル

３Ｄモデル

１Ｄ非等温パイプ流と３Ｄ伝熱を組み合わせたモデリングの例

2018 M. Hashiguchi

水蒸気加熱：伝熱

加熱水蒸気をあてる。一定時間保持し、その後停止する。その時の食品内部の温度の時間変化を計算する。

表面温度が時間変化する。

シミュレーションを利用すれば、食品内部の様子が詳細にわかる。

http://www.jsces.org/activity/journal/web_vol22no2_hashiguchi.pdf 26

食品境界全体の温度を上げることができる。しかし、中心温度を上げるには時間がかかる。

加熱：温度単調上昇停止：温度単調低下

COMSOL Multiphysicsによる計算科学工学 – 新しいプラットフォーム（1）

2018 M. Hashiguchi

物性値の推定への利用

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http://www.jsces.org/activity/journal/web_vol22no2_hashiguchi.pdf

COMSOL Multiphysicsによる計算科学工学 – 新しいプラットフォーム（1）

物性値を推定し、それを利用すると、全域で実測値と一致した。

COMSOL解と差分解は一致する。

物性値に誤差があると仮定。

2018 M. Hashiguchi

水分輸送への拡張


トウモロコシの胚の乾燥解析 CT画像

メッシュ作成

計算用の形状再構築 5H乾燥後の湿度

低温

高温

別システムを利用

COMSOLでの解析


乾燥時のソーセージの収縮変形解析

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実験と計算の一致も良好

2018 M. Hashiguchi

肉の熟成解析

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実験と計算はよく一致、左：重量損失、右：平均水分

ソーセージの水分；左：１日後、右：２４日後

直径の時間変化：実験と計算はよく一致

2018 M. Hashiguchi

計算のメリット：短時間で実時間を予測

対流伝熱への拡張


チョコレート製造工程の解析 NestleによるKit Katの焼成にかかる流れ場の解析例


保冷庫の中：熱流体【１】後部ドアを閉めたまま、10000秒後の流速と温度

【２】後部ドアを開けた後の時間変化（２、１０、５０，５００秒）

流速温度

温度流速

保冷車

https://www.comsol.jp/blogs/using-simulation-to-ensure-the-cooling-efficiency-of-refrigerated-trucks/

計算と実験の比較

温度

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【１】

【２】

2018 M. Hashiguchi

食品と乾燥

大紀産業（岡山市） 2018 4.15 日経電子版食品乾燥機製造輸出先：スーダン玉ねぎを乾燥加工し、付加価値の向上現地農民の所得向上や雇用創出に貢献する考え

食品乾燥が救うアフリカの農民

農林漁業者（1次産業）が、農産物などの生産物の元々持っている価値をさらに高め、それにより、農林漁業者の所得（収入）を向上していくこと

生産物の価値を上げるため、農林漁業者が、農畜産物・水産物の生産だけでなく、食品加工（2次産業）、流通・販売（3次産業）にも取り組む

６次産業化と食品加工


食品乾燥機の例

http://www.shizuoka-seiki.co.jp/store/ wp-content/uploads/DSJ-mini-Manual.pdf


乾燥方式

http://www.kiharaworks.com/product/food.html


野菜の対流乾燥時の収縮解析

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体積収縮も実験値とよく一致

温度の違いで検討

2018 M. Hashiguchi

おなじ形状のものが多数ある場合

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Solar Panel in Periodic Flow Template Application ID: 12205

https://www.comsol.asia/model/solar-panel-in-periodic-flow-template-12205

周期境界条件を利用する。流れによる構造変形も計算できる。

2018 M. Hashiguchi

アイスクリームの熱・質量輸送解析

食品の解析では温度依存性といった式を多数、設定する必要があります。 COMSOL Multiphysicsは

そのような式も自由にセットできます。

食品の解析では温度依存性といった式を多数、設定する必要があります。 COMSOL Multiphysicsは

そのような式も自由にセットできます。


ビール発酵の解析

COMSOLは酵素反応を化学反応として連成解析できます。

アルコール濃度

時間（Ｈ）


マイクロ波加熱への拡張


電磁波による食品の脱水解析

マイクロ波照射解析 500秒での速度分布

500秒での温度分布食品

電磁波

流れ場 Navier-Stokes解析 Darcy流解析 43 2018 M. Hashiguchi

モデルの開発から最適設計へ


仮想化の先には最適化が

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仮想化＝計算シミュレーションの活用

モデリング

メカニズムの理解

試験法の設計

プロトタイピング

最適化

開発期間の短縮

設計期間の短縮

妥当性検証の設備費や期間の短縮

開発費削減

市場投入までの期間短縮

パラメタ推定

寸法、形状、トポロジー最適化メリット

最適化最適化パラメタ推定パラメタ推定

寸法、形状、トポロジー最適化寸法、形状、トポロジー最適化

最適化パラメタ推定

寸法、形状、トポロジー最適化

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モデリングのフロー

モデルの開発

解析解のある問題で妥当性を確認

Verification

Validation 目的とする解析の実行と妥当性の確認

モデル～現象

仮想実験として利用でき、制約条件に留意し、よりよい性能を出すための工夫を行うことができる

最適化

モデルがパラメタを含む場合

パラメタ推定（物性値含む）

理論、実験値を利用など

モデル＝現象（挙動が一致するの意味）

アプリの利用


緑の範囲で探索

目的関数

マイクロ流路への応用

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ジオメトリをベジエ曲線で表現ベジェ曲線はパラメタ化されており、寸法最適化に利用される。

希釈化学種輸送、電場、流体、最適化のマルチフィジックス解析

2018 M. Hashiguchi

電気浸透流

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電流、流体を計算

移動時間を算出

目的関数時間差を最小化

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実際に化学種を流してみる

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大幅改善！

搬送するものにダメージを与えない流路設計へ

2018 M. Hashiguchi

まとめ


統合型GUI：操作、管理が楽

COMSOL Desktop®

GUI メニュー：コンテクスト/リボン入力：マウス、キーボード、多言語

モデルビルダ/アプリケーションビルダ

シーケンス：追加、削除、並べ替え形状定義、物理、メッシュ、計算、可視化

フィジックス/材料/最適化/LiveLink/CAD

COMSOL Multiphysics(基本）専門モジュール材料ライブラリ、粒子追跡、最適化

LiveLink for: MATLAB®, Excell®, CAD*

モジュール：CAD/ECAD インポート、デザイン *SOLID Works®他

COMSOL Server

アプリケーションビルダで作成されたシミュレーションアプリの配布、管理、実行

LiveLink for :MATLAB®, Excel®

外部ファイル：実験値、計算値**

データインポート/エクスポートメッシュ、ジオメトリ、STL

**異種メッシュ上のデータ入力可

51

基本操作は、クリック、右クリックで。異なるフィジックスも同じルック&フィールで。

2018 M. Hashiguchi

参考資料検索キーワード

http://www.kesco.co.jp/comsol/index.html 52

フィジックス（現在、２８分野）複数の連成解析が可能 PDE（偏微分方程式）との組み合わせも可能

2018 M. Hashiguchi

高いモデリング能力、解析利用層の拡大能力、具体的形状の提示能力

53

方程式ベースモデリングによる追加・組み合わせ可

専門モジュールの任意の組み合わせ可

常微分方程式(ODE)、偏微分方程式(PDE)、微分代数方程式(DAE)

異なる空間次元モデルとの組み合わせ可

課題解決への即応性

きめ細かな対応性

適切なモデルサイズ

妥当性の確保パラメタの推定/調整

制約条件との両立最適化最適化モジュール

プロトタイピング３Ｄプリンタ用データのSTL出力機能

解析利用層の拡大アプリケーションビルダによるアプリ作成 LiveLink for Excelによる親和性

モデル開発環境：モデルビルダモデル開発環境：モデルビルダ

多様なユーザーインターフェース：アプリケーションビルダ/LiveLink 多様なユーザーインターフェース：アプリケーションビルダ/LiveLink

形状提示能力形状提示能力

変形形状の抽出機能

最小二乗法

編集可能例題が豊富に用意されている

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ギア運動から発生する音の解析

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様々な音は環境に影響を与えます。食品加工分野でも騒音について対策をしておく必要があります。

COMSOLは運動、変形/応力、騒音まで解析ができます。

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マルチボディ解析

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COMSOL Multiphysicsは機構解析＋応力/変形解析ができます。リンク機構の最適化などもできます。

シリンダ部分の最適化

https://www.comsol.jp/model/download/398731/models.mbd.crane_link_optimization.pdf

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地面の下の透水係数の予測

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https://www.comsol.jp/model/download/407651/models.ssf.aquifer_characterization.pdf

地面の下の水の流れ具合を知ることは農業にとって重要です。

2018 M. Hashiguchi

2018 M. Hashiguchi 57

https://www.comsol.jp/videos

COMSOL Multiphysics®へのアクセス

定期セミナー、技術セミナー（無料）

https://www.kesco.co.jp/seminar /comsol/index.html

興味を持たれた方へ

COMSOL BLOGにCOMSOL Multiphysicsに関するもっとたくさんの事例があります。

comsol.jpにはCOMSOL Multiphysicsに関するリリースハイライトといった最新の情報が掲載されています。

使ってみたい方は、トライアル（１か月間無料でフル機能の試用）を申し込んでください。 http://www.kesco.co.jp/comsol/trial.html

Googleなどで、comsol blog と打ち込んでください。

Googleなどで、comsol.jp と打ち込んでください。

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計測エンジニアリングシステム（株）第１営業部高橋 03-5282-7040 本学会の展示会場におります。ぜひお声をかけてください！

数百人の方々が毎年参加されており、特別講演、ユーザー講演、機器展示など、好評をいただいております。参加無料。昼食付。ぜひ、お気軽にご参加ください。参加募集をすでに開始しています。

http://www.kesco.co.jp/conference/2018/index.html

COMSOL カンファレンス2018 東京 2018年12月7日（金）秋葉原UDX

または、03-5282-7040 第１営業部あて

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