GPUスーパーコンピュータを用いた沸騰多相流挙動解析
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21K11911
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 60090:High performance computing-related
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| Research Institution | Japan Atomic Energy Agency |
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Principal Investigator |
杉原 健太 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, システム計算科学センター, 研究職 (80621929)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小野寺 直幸 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, システム計算科学センター, 研究職 (50614484)
山下 晋 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 原子力基礎工学研究センター, 研究職 (80586272)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
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| Keywords | 気液二相流 / Phase Field / GPU / 多相流解析 / 沸騰 / Phase field |
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| Outline of Research at the Start |
多数の気泡が含まれるような多相流れの挙動解明に向け、Graphic Processing Unit(GPU) を多数利用したスーパーコンピュータによる大規模並列計算を利用した数百億格子規模の多相流体解析コードを開発する。沸騰水内の熱流動挙動において重要となる沸騰・凝縮などの相変化現象を再現するために気泡の圧縮性や気液界面を考慮した数値流体計算手法を活用する。大規模並列計算手法としてステンシル計算向けのGPU最適化フレームワークや適合細分化格子(AMR)法などといった最先端の計算機技術を活用することで解析を大幅に高速化し、実機を対象とした沸騰水内の熱流動挙動の解析を実現する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
2022年度は、GPU型大型計算機を利用した沸騰気泡流れの熱流動解析に向けて、前年度に開発した界面捕獲型の気液二相流解析コードの界面モデルの高度化を実施し、バンドル体系の気泡流解析を実施した。界面モデルとして採用したPhase Field法には過剰な界面修正によって計算格子に沿った界面形状に変形してしまう場合があることが判明したため、従来のConservative Allen-Cahn(CAC)方程式を改良したModified conservative Allen-Cahn(MCAC)を開発し、界面近傍の局所的な速度場および速度勾配から必要最小限の界面補正強度を与えることを可能とした。単一気泡上昇問題や液滴振動問題などのテストを実施し、MCACは計算格子に沿った界面変形を防げるだけでなくCACと同等以上の計算精度があることが明らかになった。MCACを用いて5x5バンドル体系の気液二相流解析を実施し、実験結果との比較を行なった結果、数値解析ではボイド率を過大評価してしまう事が判明した。その原因は、界面捕獲法では２つの界面が３格子程度まで接近すると非物理的に合体してしまい、ボイド率が過大評価されてしまう点にある。界面捕獲法で気泡同士の反発を表現するためには界面間の薄膜を解像する必要があり、気泡直径に対して1600格子以上の超高解像度計算が必要になるとの報告があるが、バンドル体系のような実規模の解析では不可能である。そこで、多数の気泡計算において、個々の気泡に対し独立した相を計算するMulti-Phase Field法を用いることにより従来の1/50の解像度で気泡の接近と反発現象を再現可能であることが明らかになった。本研究は界面追跡法を用いた気液二相流計算の解析技術の高度化だけでなく、原子力工学や様々な産業分野の基盤技術確立に繋がる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
2022年度は、前年度に開発した大規模GPU解析向けの気液二相流解析コードにおける界面モデルの高度化を実施し、5x5バンドル体系の気泡流解析を実施して実験結果と比較した。従来の界面モデルを高精度化したが、バンドル体系解析では実験結果を再現することができない事が判明した。原因を調査した結果、計算では気泡同士が過剰に合体を繰り返してしまい、ボイド率の過大評価に繋がった事が分かった。本問題を解決するためには、計算における気泡の合体を制御する必要があるため、現在の界面モデルでは難しく、個々の気泡を独立に計算する事が可能なMulti-Phase Fieldモデルを導入し、気泡の反発現象を低解像度でも再現可能であることを明らかにした。
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| Strategy for Future Research Activity |
2023年度は、原子力工学分野における研究として5x5バンドル体系の気泡流解析精度の高精度化と簡易沸騰モデルの導入を計画している。2022年度に導入したMCACベースの保存型Multi-Phase Field法をバンドル体系解析に適用し、ボイド率分布の精度向上を目指す。多数の気泡を取り扱う必要があるため、Active Parameter Tracking法を用いた省メモリ化を実装する。また、バンドル体系解析のような実規模の問題に対して沸騰現象を取り扱うためには沸騰核からの微小な気泡成長を取り扱うのは現実的ではないため、温度回復法をベースとしたエネルギー収支を用いた簡易沸騰モデルを適用し、バンドル体系での沸騰気泡流解析を実現する。
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Report
(2 results)
Research Products
(5 results)
