事例
プラズマトーチ動作条件の多目的最適化
アークプラズマシミュレーションソフトウェア VizSparkの使用例として、アルゴンプラズマトーチの動作条件の多目的最適化を行います。
以下の、相反する目的を満たすような動作条件を求めます。
- 目的1:噴出する気体の温度を最大にする
- 目的2:消費電力を最小にする
シミュレーションで扱いやすくするため、「噴出する気体の温度」と「消費電力」を、以下の目的変数に読み替えています。
- 目的変数1: トーチの噴出口から 1 cm の点での温度
- 目的変数2: 気体中のジュール熱の積分値
調整する動作条件は、以下の2つの値で表します。
- 説明変数1: 電極間の電流 （100 A から 1000 A の間で調整）
- 説明変数2: トーチ入口の気体圧力 (200000 Paから 500000 Paの間で調整)
プラズマトーチのシミュレーションは、VizSpark で行います。計算条件は
- ガス種 Ar
- 圧力 ガス出口： 1 atm
- 気体初期温度 300 K
- 計算時間 0.3 ms (目的変数1、目的変数2は、この時点で測定)
です。
最適化には、R言語 の GPareto パッケージを用いています。
説明変数のグラフ、目的変数のグラフ、そしてシミュレーション結果を下に動画で示します。
動画
このように最適化が進みます（動画）
左：説明変数（圧力、電流） 右：目的変数（温度、ジュール熱）
数字（1から25まで）は、何回目のシミュレーションかを示します。
VizSparkのシミュレーション結果。左から、流速分布(m/s)、気体の圧力(Pa)、温度(K)、電流密度(A/m2)。
結果
結果
今回の目的変数の条件を満たす解を、色のついた丸印で示しています。 左下の、説明変数の図で、左下のほうに丸印が集中しています。 つまり、今回の条件設定では、圧力も電流も低いほうが良いという結果になりました。 この結果は、目的変数の値をどのように設定するかによって変わります。 （たとえば、目的変数に流速を含めると、トーチ入り口の気体圧力は、高いほうが望ましいはずです)
このように、
アークプラズマシミュレーションソフトウェア VizSparkとR言語を組み合わせて使うことで、 プラズマ装置の、目的に応じた最適な動作条件を決定することができます。