求心衝撃波に伴う界面不安定性と渦ダイナミックスの大規模分子動力学シミュレーション

• 研究課題/領域番号: 14380211
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: プラズマ理工学
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 西原 功修 大阪大学, レーザーエネルギー学研究センター, 教授 (40107131)
• 研究分担者: 村上 匡且 大阪大学, レーザーエネルギー学研究センター, 助教授 (80192772) ; 長友 英夫 大阪大学, レーザーエネルギー学研究センター, 助手 (10283813) ; ZHAKHOVSKII Vasilii V 大阪大学, レーザーエネルギー学研究センター, 研究員 ; ZHAKHOVSKII Vasi 大阪大学, レーザー核融合研究センター, 学振外国人招聘研究者 ; ZHAKHOUSKII Vashilii 大阪大学, レーザー技術総合研究所, 研究員
• 研究期間 (年度): 2002 – 2004
• 研究課題ステータス: 完了 (2004年度)
• 配分額: 14,500千円 (直接経費: 14,500千円); 2004年度: 4,900千円 (直接経費: 4,900千円); 2003年度: 4,900千円 (直接経費: 4,900千円); 2002年度: 4,700千円 (直接経費: 4,700千円)
• キーワード: 分子動力学シミュレーション / 動的領域分割 / GRIDコンピューティング / リヒトマイヤー・メシュコフ不安定性 / レーリー・テーラー不安定性 / 渦シート / 流体不安定性非線形成長 / バブル・スパイク / 非一様渦 / 粒子拡散 / 衝撃波 / 渦 / 並列計算 / バブル

研究概要

本研究では、求心衝撃波に伴う界面の不安定性、すなわちリヒトマイヤー・メシュコフ不安定性(RMI)、とレーリー・テーラー不安定性(RTI)の非線形発展について、分子動力学(MD)シミュレーションを用いて、また渦生成の観点から理論的な解明を行った。得られた主な成果は以下のとおりである。
1.大規模分子動力学流体シミュレーションプログラムの開発
RMI, RTIなどのマクロな流体不安定性を扱うことのできる大規模MDプログラムを開発し、さらにネットワークで接続された複数のスーパーコンピュータを用いて大規模シミュレーションを効率よく行える最適化手法(動的領域分割手法)を開発した。開発した動的領域分割手法のスケーラビリティを720台の計算機を用いて確認し、またSUPER SINETで接続されたスーパーコンピュータにおいて不特定多数のユーザーが使用している環境での有効性を確認した。
2.リヒトマイヤー・メシュコフ不安定性(RMI)の非線形発展
MDシミュレーションにより、求心衝撃波に伴うマッハ衝撃波・マッハステム、あるいはリップル不安定性の形成を確認し、反射衝撃波に伴うRMI不安定性の非線形成長を明らかにした。またRMIを渦シートのダイナミックスとして扱う非線形理論(ただし、非圧縮性流体)を構築し、RMIで生じるバブルとスパイクの非線形成長率、ダブルスパイラル構造の密度の跳び、初期渦度などの依存性を明らかにした。
3.レーリー・テーラー不安定性(RTI)の非線形発展
MDシミュレーションにより、RTIで生じる渦の生成とそれに伴う粒子の異常拡散の存在を明らかにした。また、RTIの非線形発展で生じるバブルの漸近的振る舞いを記述する理論を構築し、バブルの曲率と非線形成長率について密度の跳びの依存性を明らかにした。

研究成果

• [雑誌論文] Normal velocity freeze-out of the Richtmyer-Meshkov instability when a shock is reflected (2004)
  • 著者名/発表者名: J.G.Wouchuk
  • 雑誌名: Physical Review E 70 ページ: 26305-26305
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Self-similar gravitational collapse of radiatively cooling spheres (2004)
  • 著者名/発表者名: M.Murakami
  • 雑誌名: Astrophysical Journal 607 ページ: 879-889
  • NAID: 110003948270
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Suppression of the Rayleigh-Taylor instability and its implication for the impact ignition (2004)
  • 著者名/発表者名: H.Azechi
  • 雑誌名: Plasma Physics and Controlled Fusion 46 ページ: 245-254
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Suppression of the Rayleigh-Taylor instability due to self-radiation in a multiablation target (2004)
  • 著者名/発表者名: S.Fujioka
  • 雑誌名: Physical Review Letters 92 ページ: 195001-195001
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Suppression of Rayleigh-Taylor instability due to radiative ablation in brominated plastic targets (2004)
  • 著者名/発表者名: S.Fujioka
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 11 ページ: 2814-2822
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Normal velocity freeze-out of the Richtmyer-Meshkov instability when a shock is reflected (2004)
  • 著者名/発表者名: J.G.Wouchuk, K.Nishihara
  • 雑誌名: Physical Review E 70,(2)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Self-similar gravitational collapse of radiatively cooling spheres (2004)
  • 著者名/発表者名: M.Murakami, K.Nishihara, T.Hanawa
  • 雑誌名: Astrophysical Journal 607,(2)
  • NAID: 110003948270
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Suppression of the Rayleigh-Taylor instability and its implication for the impact ignition (2004)
  • 著者名/発表者名: H.Azechi, H.Shiraga, M.Nakai, K.Shigemori, S.Fujioka, T.Sakaiya, Y.Tamari, K.Ohtani, M.Murakami, A.Sunahara, H.Nagatomo, K.Nishihara, N.Miyanaga, Y.Izawa
  • 雑誌名: Plasma Physics and Controlled Fusion 46(Sp.Iss.SI Suppl.12B) ページ: 245-254
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Suppression of the Rayleigh-Taylor instability due to self-radiation in a multiablation target (2004)
  • 著者名/発表者名: S.Fujioka, A.Sunahara, K.Nishihara, N.Ohnishi, T.Johzaki, H.Shiraga, K.Shigemori, M.Nakai, T.Ikegawa, M.Murakami, K.Nagai, T.Norimatsu, H.Azechi, T.Yamanaka
  • 雑誌名: Physical Review Letters 92(19)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Suppression of Rayleigh-Taylor instability due to radiative ablation in brominated plastic targets (2004)
  • 著者名/発表者名: S.Fujioka, A.Sunahara, N.Ohnishi, Y.Tamari, K.Nishihara, H.Azechi, H.Shiraga, M.Nakai, K.Shigemori, T.Sakaiya, M.Tanaka, K.Otani, K.Okuno, T.Watari, T.Yamada, M.Murakami, K.Nagai, T.Norimatsu, Y.Izawa, S.Nozaki, Y.W.Chen
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 11 ページ: 2814-2822
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Suppression of the Rayleigh-Taylor instability and its implication for the impact ignition (2004)
  • 著者名/発表者名: Azechi H, Shiraga H, Nakai M, et al.
  • 雑誌名: PLASMA PHYSICS AND CONTROLLED FUSION 46・12
• [雑誌論文] Normal velocity freeze-out of the Richtmyer-Meshkov instability when a shock is reflected (2004)
  • 著者名/発表者名: Wouchuk JG, Nishihara K
  • 雑誌名: PHYSICAL REVIEW E 70・2
• [雑誌論文] Soliton synchrotron afterglow in a laser plasma (2004)
  • 著者名/発表者名: Esirkepov T, Bulanov SV, Nishihara K, et al.
  • 雑誌名: PHYSICAL REVIEW LETERS 92・25
• [雑誌論文] Suppression of the Rayleigh-Taylor instability due to self-radiation in a multiablation target (2004)
  • 著者名/発表者名: Fujioka S, Sunahara A, Nishihara K, et al.
  • 雑誌名: PHYSICAL REVIEW LETTERS 92・29
• [雑誌論文] Self-similar gravitational collapse of radiatively cooling spheres (2004)
  • 著者名/発表者名: Murakami M, Nishihara K, Hanawa T
  • 雑誌名: ASTROPHYSICAL JOURNAL 607・2 ページ: 879-889
  • NAID: 110003948270
• [雑誌論文] Suppression of Rayleigh-Taylor instability due to radiative ablation in brominated plastic targets (2004)
  • 著者名/発表者名: Fujioka S, Sunahara A, Ohnishi N, et al.
  • 雑誌名: PHYSICS OF PLASMAS 11・5 ページ: 2814-2822
• [雑誌論文] Vortex structures and turbulence emerging in a supernova 1987a configuration : Interactions of "complex" blast waves and cylindrical/spherical bubbles (2003)
  • 著者名/発表者名: S.Zhang
  • 雑誌名: Laser and Particle Beams 21 ページ: 471-477
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Rayleigh-Taylor and Richtmyer-Meshkov instabilities for fluids with a finite density ratio (2003)
  • 著者名/発表者名: S.I.Abarzhi
  • 雑誌名: Physics Letters A 317 ページ: 470-476
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Destruction of a solid film under the action of ultrashort laser pulse (2003)
  • 著者名/発表者名: S.I.Anisimov
  • 雑誌名: JETP Letters 77 ページ: 606-610
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Nonlinear evolution of an interface in the Richtmyer-Meshkov instability (2003)
  • 著者名/発表者名: C.Matsuoka
  • 雑誌名: Physical Review E 67 ページ: 36301-36301
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Saturation and postsaturation phenomena of Rayleigh-Taylor instability with adjacent modes (2003)
  • 著者名/発表者名: T.Ikegawa
  • 雑誌名: Physical Review E 67 ページ: 26404-26404
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] First observation of density profile in directly laser-driven polystyrene targets for ablative Rayleigh-Taylor instability research (2003)
  • 著者名/発表者名: S.Fujioka
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 10 ページ: 470-476
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Vortex structures and turbulence emerging in a supernova 1987a configuration : Interactions of "complex" blast waves and cylindrical/spherical bubbles (2003)
  • 著者名/発表者名: S.Zhang, N.J.Zabusky, K.Nishihara
  • 雑誌名: Laser and Particle Beams 21(3) ページ: 471-477
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Rayleigh-Taylor and Richtmyer-Meshkov instabilities for fluids with a finite density ratio (2003)
  • 著者名/発表者名: S.I.Abarzhi, K.Nishihara, J.Glimm
  • 雑誌名: Physics Letters A 317,(5-6) ページ: 470-476
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Destruction of a solid film under the action of ultrashort laser pulse (2003)
  • 著者名/発表者名: S.I.Anisimov, V.V.Zhakhovskii, N.A.Inogamov, K.Nishihara, A.M.Oparin, Y.V.Petrov
  • 雑誌名: JETP Letters 77,(11) ページ: 606-610
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Nonlinear evolution of an interface in the Richtmyer-Meshkov instability (2003)
  • 著者名/発表者名: C.Matsuoka, K.Nishihara, Y.Fukuda
  • 雑誌名: Physical Review E 67,(3)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Saturation and postsaturation phenomena of Rayleigh-Taylor instability with adjacent modes (2003)
  • 著者名/発表者名: T.Ikegawa, K.Nishihara
  • 雑誌名: Physical Review E 67,(2)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] First observation of density profile in directly laser-driven polystyrene targets for ablative Rayleigh-Taylor instability research (2003)
  • 著者名/発表者名: S.Fujioka, H.Shiraga, M.Nishikino, K.Shigemori, A.Sunahara, M.Nakai, H.Azechi, K.Nishihara, T.Yamanaka
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 10 ページ: 4784-4789
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Ablation effects on weakly nonlinear Rayleigh-Taylor instability with a finite bandwidth (2002)
  • 著者名/発表者名: T.Ikegawa
  • 雑誌名: Physical Review Letters 89 ページ: 175003-175003
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] X-ray radiograms of complex blast wave/sphere interactions obtained from laser-produced plasmas juxtaposed with visualizations of two-dimensional axisymmetric hydrodynamic simulations (2002)
  • 著者名/発表者名: Y.G.Kang
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Plasma Science 30 ページ: 36-37
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Single spatial mode experiments on initial laser imprint on direct-driven planar targets (2002)
  • 著者名/発表者名: M.Nakai
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 9 ページ: 1734-1744
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Ablation effects on weakly nonlinear Rayleigh-Taylor instability with a finite bandwidth (2002)
  • 著者名/発表者名: T.Ikegawa, K.Nishihara
  • 雑誌名: Physical Review Letters 89,(17)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] X-ray radiograms of complex blast wave/sphere interactions obtained from laser-produced plasmas juxtaposed with visualizations of two-dimensional axisymmetric hydrodynamic simulations (2002)
  • 著者名/発表者名: Y.G.Kang, K.Nishihara, N.J.Zabusky, H.Nishimura, T.Norimatsu, H.Kim, M.Nakatsuka
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Plasma Science 30,(1) ページ: 36-37
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Single spatial mode experiments on initial laser imprint on direct-driven planar targets (2002)
  • 著者名/発表者名: M.Nakai, H.Azechi, N.Miyanaga, K.Shigemori, T.Kawasaki, T.Nagaya, M.Nishikino, Y.Kanai, D.Ohnuki, H.Nishimura, H.Shiraga, O.Maegawa, R.Ishizaki, K.Nishihara, H.Takabe, T.Yamanaka
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 9,(5) ページ: 1734-1744
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] T.Ikegawa, K.Nishihara: "Saturation and Postsaturation Phenomena of Rayleigh-Taylor Instability with Adjacent Modes"Physical Review E. 67. 026404-1-11 (2003)
• [文献書誌] C.Matsuoka, K.Nishihara, Y.Fukuda: "Nonlinear Evolution of an Interface in the Richtmyer-Meshkov instability"Physical Review E. 67・3. 036301-1-14 (2003)
• [文献書誌] S.Abarazhi, K.Nishihara, J.Glimm: "Rayleigh-Taylor and Richtmyer-Meshokov Instabilities for Fluids with a Finite Density Ratio"Physics Letters A. 317・5. 470-476 (2003)
• [文献書誌] S.Fujioka et al.: "First Observation of Density Profile in Directly Laser-Driven polystyrene Targets for Ablative Rayleigh-Taylor Instablity"Physics of Plasmas. 10・12. 4784-4789 (2003)
• [文献書誌] S.Zhang, N.J.Zabusky, K.Nishihara: "Vortex Structures and Turbulence Emerging in a Supernova 1987a Configuration : Interactions of "Complex" Blast Waves And Cylindrical/Spherical Bubbles"Laser and Particle Beams. 21・3. 471-477 (2003)
• [文献書誌] S.Anisimov et al.: "Destruction of a Solid Film under the Action of Ultrashort Laser Pulse"JETP Letters. 77・11. 606-610 (2003)
• [文献書誌] T.Ikegawa, K.Nishihara: "Ablation Effects on Weakly Nonlinear Rayleigh-Taylor Instability with a Finite Bandwidth"Physical Review Letters. 89・11. 115001-1-115001-4 (2002)
• [文献書誌] M.Horikoshi et al.: "Effect of Viscosity on Destabilization of the Rayleigh-Taylor Instability by Thermal Conductivity in a Fluid"Physics of Plasmas. 9・8. 3536-3539 (2002)
• [文献書誌] M.Murakami, S.Iida: "Scaling laws for hydrodynamic ally similar implosion with heat conduction"Physics of Plasmas. 9・6. 2745-2759 (2002)
• [文献書誌] S.Shimizu et al.: "Coulomb explosion of benzene induced by an intense lager field"Journal of Chemical Physics. 117・7. 3180-3189 (2002)
• [文献書誌] T.Zh.Esirkepov et al.: "Proposed Double-Layer Target For the Generation of High-Quality Laser Accelerated Ion Beams"Physical Review Letters. 89・17. 175003-1-175003-4 (2002)
• [文献書誌] T.Zh.Esirkepov et al.: "Three-Dimensional Relativistic Electromagnetic Subcycle Solitons"Physical Review Letters. 89・27. 275002-1-275002-4 (2002)