2015 Fiscal Year Annual Research Report
高レイノルズ数乱流中の微粒子の著しい集中促進メカニズム解明のための計算科学
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15H03603
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
石原 卓 名古屋大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (10262495)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 乱流 / 高レイノルズ数 / 粒子追跡 / 直接数値シミュレーション / 原始惑星系円盤乱流 / 微惑星形成過程 / 圧縮性乱流 / 電磁流体乱流 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、非線形性が極めて強い高レイノルズ数(Re)乱流による微粒子集中促進のメカニズムの計算科学的な解明を目指している。
27年度はスペクトル法を用いた乱流の直接数値計算(Direct Numerical Simulation; DNS)に基づく粒子追跡シミュレーションの並列コードを完成させ、「京」コンピュータやFX100等のスーパーコンピュータ用の高効率化を行った。完成したコードでは、粒子追跡のためのノード間のデータ通信を最小限に抑える並列化技法を用いて3次スプライン補間の高速計算を実現した。その結果、乱流DNSのみの時間発展と大差ない計算時間で最大10の8乗個を超える膨大な数の粒子の高精度な追跡を可能にし、最大格子点数2048の3乗の乱流DNSにおいて8×(256の3乗)個、格子点数1024の3乗の乱流DNSにおいて8×(512の3乗)個の粒子追跡シミュレーションを実現した。
得られた乱流場と粒子のデータを用いて、乱流中の特定の渦密集領域の粒子の運動の性質を調べる条件付き統計解析や、渦密集領域と粒子高濃度領域の関係を明らかにする可視化と解析などを実施した。その結果、(i)レイノルズ数が高くなり、乱流の非線形性が強くなるほど慣性の大きい粒子の濃集が促進されることや(ii)慣性の大きい粒子が渦密集領域から排出され渦密集領域の際に集まることなどを明らかにし、米国物理学会流体分科にて発表した。また、粒子に鉛直重力が働く場合の数値シミュレーション、圧縮性乱流中の粒子運動のシミュレーション、電磁流体乱流中の粒子追跡シミュレーションも実施し、鉛直重力、圧縮性や磁場が粒子の濃集集中に与える影響についての解析も行い、得られた結果を天文学会にて発表した。また、一連の研究成果を天文学会の基調講演にて発表した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
現在までに乱流の直接数値計算(DNS)に基づく粒子追跡シミュレーションのコード開発及び高効率化が実現した。これにより、格子点数2048の3乗の乱流DNSによる粒子追跡シミュレーションが実現した。また、計算資源が確保できれば格子点数4096の3乗の乱流DNSによる粒子追跡も実現可能となった。
また、圧縮性乱流の差分法に基づくDNSコードにおいても粒子追跡を可能にし、予備的な数値計算結果を得た。現在、圧縮性乱流DNSを用いた粒子追跡の大規模数値実験を実現するためのコードの見直しと計算結果の検証を実施している。原始惑星系円盤乱流中の微惑星形成過程の解明を目指した、粒子の衝突付着合体シミュレーションのコード開発も開始した。以上のように、進捗は当初の予定以上に進んでいる。現在、これまでに得られた結果をまとめた論文の執筆と今後の大規模数値実験に向けた準備を行っている。
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| Strategy for Future Research Activity |
乱流DNSを用いた粒子追跡実験により、惑星科学分野の未解決問題である「原始惑星系円盤乱流中の微惑星形成過程」について多くの知見が得られることが期待され、その目処がたってきた。今後は、これまでに得られた成果を惑星科学分野の専門誌に発表するとともに、惑星科学分野の専門家と連携を密にして、より具体的な問題に挑戦していきたいと考えている。
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[Presentation] 原始惑星系円盤乱流と微惑星成長2016
Author(s)
石原卓, 江野畑圭, 小林直樹, 白石賢二, 中本泰史, 梅村雅之
Organizer
日本天文学会2016年春季年会
Place of Presentation
首都大学東京
Year and Date
2016-03-14 – 2016-03-17
Invited
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