| 研究課題/領域番号 |
21K03484
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分13040:生物物理、化学物理およびソフトマターの物理関連
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| 研究機関 | 福井大学 |
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研究代表者 |
古石 貴裕 福井大学, 学術研究院工学系部門, 教授 (20373300)
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| 研究分担者 |
玉井 良則 福井大学, 学術研究院工学系部門, 教授 (50324140)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)
2023年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
2022年度: 520千円 (直接経費: 400千円、間接経費: 120千円)
2021年度: 2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円)
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| キーワード | 水滴 / 分子動力学シミュレーション / 大規模シミュレーション / 1億水分子 / 水滴衝突 / 水滴分裂 / FDPS |
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| 研究開始時の研究の概要 |
水滴が衝突する様子や分裂する様子を分子レベルで調べるため、分子動力学シミュレーションを用いて最大1億個の水分子を含む水滴の動きを、コンピュータを使った計算で再現する。
分子動力学シミュレーションでは分子の動きを直接計算で求めるため、計算対象となる水滴の水分子数が多くなると計算量が増大し、実行が困難となる。そのためこれまで10万水分子を越える水滴での計算は行われていないが、本研究では新たな高速シミュレーションプログラムを開発し、1億水分子の水滴での計算を目指す。
水滴のシミュレーションから水滴の衝突最大半径、分裂条件、分裂液滴サイズなどがどのように決まるのかを水分子の動きから解明する。
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| 研究実績の概要 |
1000万-1億水分子を用いた分子動力学(MD)シミュレーションにより、固体表面への水滴衝突の挙動を分子レベルで解析することを目指しており、シミュレーション実行、データ解析、プログラム開発を続けている。
これまでの研究で、今まで使用してた6千水分子の水滴よりも大幅にサイズを増加させた最大500万水分子での水滴衝突シミュレーションを行っており、今期は主に得られた結果の解析を行った。解析では各水分子の座標を基にした密度分布から水滴の形状を求め、その結果から水滴が固体表面に衝突した後に広がる液膜内に生じる2次元泡や、水滴の衝突速度が 700 m/s 以上のとき飛び散る水滴の数を求めることができた。
現在使用できる計算機では1億水分子系の実行は難しいため、国内で最速のスーパーコンピュータである「富岳」を使うべく、昨年度のに引き続き一般試行課題に申請したところ、申請課題は採択され、シミュレーションプログラムの富岳への対応を行った。
富岳の各ノードに搭載されている CPU:A64FX には 48 のコアがあり、これらのノードを複数使用してシミュレーションを並列実行することで、大規模な系でのシミュレーションを短時間で行うことができる。各ノード内では OpenMP を用いた並列化、ノード間では MPI を用いた並列化を行うが、ノード内ではメモリを共有して使用できる一方、ノード間ではメモリを共有していないためデータの通信が必要となる。このとき各ノードで担当する粒子数が一定でない場合は計算効率が悪くなるため、粒子数がなるべく一定となるようプログラムを改良したところ、並列計算での計算効率を改善することができた。今後は富岳のノード間通信で採用されているTofuインターコネクトに対応させたノード割り当てを行い、更なる高速化を目指す予定である。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
理化学研究所にある計算機「皐月」を使用して、6千水分子から500万水分子の系で固体表面への水滴衝突シミュレーションを行い、得られた結果の解析も行った。これまでに100万および500万水分子系の水滴では、水滴が固体表面に衝突すると、水滴の下部から液膜が生じて広がっていくことがわかっている。この結果を詳しく調べるため、水滴端の形状と水滴の等高線を求めた。
水滴端の形状を調べるために、系を 0.59 nm のセルで区切って、そのセル内での水分子数を求め、それらを固体平面と平行な x-y 面に射影し、特定の面密度となる点を内挿で計算した。得られた内挿点を結んだものが x-y 面での水滴形状を表す境界線となり、水滴内部に現れる境界線は水滴内の生じた2次元泡を表す。
水滴の衝突速度が 700 m/s 以上になると 50万～500万 水分子の水滴では衝突後に、液膜先端に生じた突起状の部分が水滴から分離して2次水滴が生じる。このような水滴の飛び散り現象はシミュレーションプログラムで扱う水滴サイズが大きくなったため再現できた現象である。境界線の導出により、水滴内の2次元泡の数と水滴の飛び散りで生じた2次水滴を個数の時間変化を求めることができ、2次元泡の生成や水滴飛び散りが液膜の広がり速度に強く依存していることがわかった。
水滴の境界線の導出と同じ方法を、水滴の高さ方向に 0.59 nm 間隔で適用することで、水滴の等高線も求めた。水滴の液膜が広がるときの等高線で表した形状変化から、液膜の密度がおおよそ 0.4 g/cm^3 より小さくなると2次元泡が生じることがわかった。
得られたデータが大量であるため年度内に全ての解析が終わらず、課題を1年延長することになった。今後はプログラム開発とデータ解析を並行して行っていく予定である。
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| 今後の研究の推進方策 |
これまでの研究において最大500万水分子系で、固体表面への水滴衝突シミュレーションを行うことができた。その結果水分子数が100万以上の系では、これまでよりも現実に近い水滴の固体表面への衝突における、液膜の広がりや分裂を再現することができた。今後は引き続き、これらの現象の水滴サイズ依存性を調べるため、更に大きな系でのシミュレーションを行い、最大で1億水分子でのシミュレーションの実行を目指す。
現在までに1億水分子でのシミュレーションが、国内最速のスーパーコンピュータ「富岳」で実行可能であることを確認できている。この計算を現実的な時間で実行するためには、シミュレーションプログラムを富岳で高速に動作させる必要があり、並列計算を富岳向けに最適化する必要がある。
富岳のノード間は6次元メッシュ/トーラスで結合されており、ノード間通信はこの結合に合わせて行う必要があるが、現状のシミュレーションプログラムはそのような通信に対応していないため、今後は富岳に合わせたノード間通信を行うようプログラムを改良する。
十分な計算速度が得られたら、1億水分子での水滴衝突シミュレーションを行い、水滴内部の密度変化についても調べるなど、更に詳細な解析も行う。
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