2018 Fiscal Year Research-status Report
局所構造およびパリティの観点から紐解くプラズマ乱流のマルチスケール相互作用
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17K14424
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
前山 伸也 名古屋大学, 理学研究科, 助教 (70634252)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | プラズマ・核融合 / プラズマ乱流 / マルチスケール物理 / 非線形相互作用 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、プラズマ乱流研究における従来の電子・イオン間スケール分離の仮定を覆すマルチスケール乱流の新しい理論的枠組みを開拓しようとするものである。平成30年度は、下記の通り、マルチスケール相互作用の直接数値シミュレーションとそのデータ解析は様々な困難性により難航した一方、もう一つの研究指針として挙げていた、計算コストの小さい簡易問題の構築や、モデル化に関しては進展が得られた。
・前年度解析で得られたマイクロティアリングモードと電子温度勾配モードの相互作用の発生条件を同定するために、両者の駆動比率を変えた複数パラメータの計算を実施したが、数値不安定性が生じ、相互作用条件の同定に至らなかった。
・パリティに関する解析を進め、径方向一様モードについてはバルーニング型・ティアリング型のモード構造を巧く分離・抽出できた。しかし、径方向非一様モードについては、パリティ分離が線形独立なモード間の和で定義されるため、ある特定波数のモードを判別できないという問題があらわになった。
・改良衝突モデルによる時間刻み幅の律速を解消するため、作用素分割法・陰的時間積分法・Krylov部分空間法を用いた衝突項の陰解法を新たに開発した。ここで、5次元位相空間における衝突項の実空間に対する独立性を利用し、Krylov部分空間法における反復計算はMPI通信フリーの実装とすることで、解法全体のMPI通信量の削減を図った。ベンチマークテストおよび性能評価試験を行い、演算効率の向上と求解時間の短縮の両方の実現が示された。
・スラブ配位イオン・電子温度勾配モードのマルチスケール乱流シミュレーションコードを開発した。これは、両モードが磁力線平行方向には同程度の波長をもつことを利用しており、比較的簡易な3次元問題に自由度が削減された。これにより、パラメータスキャンを容易にし、マルチスケール相互作用条件の同定に資する。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
研究実績の概要に記載した通り、特定パラメータ領域で数値不安定性が生じたために直接数値シミュレーションが難航した。さらに、パリティ展開が実用上径方向非一様モードに対するモード構造の分離に有用でなく、データ解析が難航した。
一方で、数値解法の改善、簡易問題の構築の面で進展が見られた。また、後述するようにマルチスケール相互作用のモデル化のための理論的指針が得られており、研究全体としては着実に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度開発したスラブモデルにおいて、波数・周波数スペクトル特性、ローパスフィルタを用いた短波長モードから長波長モードへの影響の抽出、およびその統計的性質について調べた結果、短波長モードが長波長モードに与える寄与は低周波のコヒーレント成分と広帯域のノイズ的成分からなることが観測された。これから着想を得て、非平衡統計力学の分野で開発された森の射影演算子法を利用したマルチスケール相互作用の抽出とモデル化のための方法論を構築し、その有効性の初期的な結果を示した（日本物理学会第74回年次大会）。
2019年度は、簡約モデルに基づく広範なパラメータ解析、および、射影演算子法を利用したマルチスケール相互作用の抽出とモデル化の適用を進める。
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| Causes of Carryover |
当初、関連研究を行っているマックスプランクプラズマ物理研究所の研究者と議論を行うための外国出張を予定していたが、調整の都合がつかず取りやめとし、代わりに国内で開催されたMax Planck Princeton Center Workshop 2019 (MPPC2019)会期中に議論を行った。
次年度の論文出版費に充てる。
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