2020 Fiscal Year Annual Research Report
Development of advanced simulator for solidification microstructure prediction and its application to integration technology of simulation and experiment
| Project/Area Number |
20H00217
|
|---|
| Research Institution | Kyoto Institute of Technology |
|---|
Principal Investigator |
高木 知弘 京都工芸繊維大学, 機械工学系, 教授 (50294260)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
坂根 慎治 京都工芸繊維大学, 機械工学系, 助教 (70876755)
大野 宗一 北海道大学, 工学研究院, 教授 (30431331)
安田 秀幸 京都大学, 工学研究科, 教授 (60239762)
青木 尊之 東京工業大学, 学術国際情報センター, 教授 (00184036)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
|
| Keywords | フェーズフィールド法 / 高性能計算 / データ同化 / その場観察 / 凝固組織 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
液相流動を伴うデンドライト成長のフェーズフィールドシミュレーションには並列効率の高い格子ボルツマン法を用いてきたが，液相の粘性係数として実合金の物性値を用いることが困難な点が課題であった．そこで，二緩和時間格子ボルツマン法を導入し，この課題を解決した．加えて，シミュレーションを安定に実行するために，固液界面に対してinterpolated bounce-backを導入した．これらの導入によって，高速かつ安定な液相流動を伴うデンドライト凝固計算を可能とした．
ダブルオブスタクルポテンシャルを用いたマルチフェーズフィールドモデルを，運動を伴う多数の等軸デンドライト成長問題に適用し，液相流動と固体運動を伴う等軸晶形成過程，及びその後の粒成長までを連続的かつ高精度に再現するモデルを構築した．また，このプログラムを並列GPU実装することで大規模計算を可能とした．さらに，境界条件を工夫することで，固液共存域のせん断変形シミュレーションを可能とし，固液共存域変形問題において典型的挙動であるダイラタンシーの再現に成功した．このモデルによって，任意形状の固相粒と固液相変態を伴う固液共存域の数値シミュレーションをはじめて可能とした．
柱状デンドライト成長，液相流動を伴うデンドライト成長，粒成長の各問題に対してデータ同化を適用し，基本となるプログラムを作成した．なお，逐次データ同化としてアンサンブルカルマンフィルタを適用した．また，双子実験（数値実験）を行うことで作成したシステムとプログラムの有用性を確認した．加えて，固液界面物性を取得するために，分子動力学法とフェーズフィールド法を融合するデータ同化の基本モデルを構築した．さらに，実験結果をフェーズフィールドシミュレーションに導入するために，SPring-8を用いた時間分解X線CTを用いたデンドライト凝固と固液共存域変形の観察を行った．
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
凝固組織予測の先進的シミュレータの開発においては，液相流動を伴うデンドライト凝固のフェーズフィールド格子ボルツマンモデルに，二緩和時間モデルの適用を完了し，その性能を飛躍的に向上させることができた．また，液相流動と固体運動をともなうマルチフェーズフィールド格子ボルツマンモデルを開発し，その複数GPU実装を行うことで，多数の等軸デンドライトの運動を伴うデンドライト凝固から，凝固後の粒成長までを一貫して再現することに成功した．このモデルの境界条件を工夫することで，固液共存域変形のシミュレーションに成功した．さらに，固液界面近傍にのみ細かい格子を用いる適合細分化格子法(AMR)の複数GPU実装にも着手し，デンドライト樹間液相流動の透過率評価を継続して行っている．以上のように，凝固組織予測の先進的シミュレータの開発は確実に進展している．
シミュレーションと実験の一体化のためのデータ同化システムの構築においては，柱状デンドライト成長，液相流動を伴うデンドライト凝固，粒成長に対するアンサンブルカルマンフィルタを用いた基本データ同化システムの構築に成功した．このシステムを用いた２次元双子実験を行うことで，これら基本システムの有用性を確認した．また，SPring-8によるその場観察実験を実施し，データ同化にどのような実験条件が適するのか考察を行った．以上のように，シミュレーションと実験の一体化のためのシステム構築は予定通り進んでいる．
|
| Strategy for Future Research Activity |
凝固組織予測の先進的シミュレータの開発については，AMRの複数GPU実装を積極的に進め，高速かつ効率的な大規模フェーズフィールドシミュレーションを可能とする．また，フェーズフィールドシミュレーションを組み込んだデータ同化を効率的に行うための工夫をし，シミュレーションと実験の一体化を目指す．
|
