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2019 年度 実績報告書

全球MHDシミュレーションと先進的可視化による磁場と流れの自由緩和状態の解明

研究課題

研究課題/領域番号 17H02998
研究機関神戸大学

研究代表者

陰山 聡  神戸大学, システム情報学研究科, 教授 (20260052)

研究期間 (年度) 2017-04-01 – 2022-03-31
キーワード磁気流体力学 / 自己組織化 / MHD / 構造形成
研究実績の概要

今年度は初期磁場をこれまでよりも複雑な形状に設定して緩和シミュレーションを行った。特に詳しく調べたのは球の中心から一定の半径の球面状に乗る複数の小型リング状磁場を初期条件とした緩和過程である。シミュレーション開始直後、それぞれの小型リング磁場は磁気張力により収縮する。このとき、リング内の流体がジェット状に絞り出され、球の中心近くで互いに衝突し、還流する。その流れはすぐに不安定化し、しばらくすると落ち着いて流れと磁場が共存する準定常状態が得られる。このときの運動エネルギーと磁気エネルギーはほぼ等しく、磁場が流れ場を駆動しつつ同時に流れが磁場を生み出す相補的な平衡状態が実現される。ここ点は昨年度までに調べた緩和過程と本質的には同じであるが、今年度新たに見出した興味深い性質は、この緩和過程で激しい流れが生じるにも関わらず、最終的な準定常状態における磁場が初期条件で与えた形状どある程度似ている場合がしばしば見られることである。初期磁場の形状を記憶しているように見えるこの現象のメカニズムは今のところ全く不明である。本研究計画のもう一つの柱である「4次元ストリートビュー」という独自の可視化手法の開発については、今年度、この手法の実現に不可欠な二つの要素技術、多視点・全方位・同時可視化を実現するスーパーコンピュータ向けライブラリと、 多数の全方位動画データセットをPC上で対話的に解析するPCアプリの開発に注力し、どちらもほぼ完成させることができた。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

本研究を開始するに当たり、磁気エネルギーが卓越する初期条件と、運動エネルギーが卓越する初期条件のどちらから開始しても最終的な緩和状態は二つのエネルギーがほぼ等しく、ぞれぞれがなんらかの意味で相補的な緩和状態になると予想していた。これまでに見出した緩和状態はたしかにそのようなエネルギー等分配が成り立つ場合が多い(ただしそれ以外の状態も見つかっている)。その空間構造は多彩であり、共通する性質を見出すことはまだできていないが、いずれの場合にも球内の流れがなめらかに循環することが相補的なエネルギー供給を可能にしている。シミュレーションで設定した境界が直方体等の形状であったら、このような磁場・流れ場構造は形成されなかったであろう。したがって球という特殊な領域内部での緩和現象に問題を設定した本研究の狙いは正しかったと考えている。また、計算結果を解析するにあたり可視化が大きな課題となることも予想通りであった。この問題の解決のために開発している4次元ストリートビューという先進的な可視化手法もほぼ完成しつつある。多視点・全方位・同時可視化のためのライブラリの開発は順調に進み、同時可視化を実現するための方法も2種類(同期方式と非同期方式)用意することができた。またスーパーコンピュータ上で生成された多数の全方位可視化動画群を入力データし、ユーザが対話的にシミュレーションの時空データを解析する専用アプリの開発も順調に進んだ。テストとしてカーテシアンジオメトリでの簡単な流体シミュレーション(渦輪の形成と伝播)に適用し、この手法「4次元ストリートビュー」の有効性も確認した。

今後の研究の推進方策

これまでに見出した緩和構造は、(1) 流れと磁場が同じような形状をもち、それが初期磁場とは全く異なる形状である場合、(2) 流れと磁場が同じような形状をもち、しかもそれが初期磁場と似ている場合、そして (3) 流れと磁場が全く異なる形状を持ち、初期磁場とも全く異なる場合、の大きく分けて3種類ある。この3種類の構造は主に初期条件の違いだけで導かれるものであるが、何がこの違いを導くのか現在のところ全くわかっていない。また、空間的には明らかに異なる構造をもっているこの3種類の緩和状態は、何らかの共通する物理的な特徴をもっているはずであるが、そのヒントも今のところ全くつかめていない。この二つの謎を解くことが本研究の最終的な目標実現に向けた具体的な道筋である。そのために、初期条件の流れ場と磁場の特徴をヘリシティやクロスヘリシティなどの物理量を計画的に変更しながらパラメータサーベイを行い、それぞれの緩和状態を解析する。計算規模が大規模で一回のシミュレーションの実行と解析にはかなりの時間がかかるため、パラメータの正しい選択が必須である。緩和過程で起きている現象をMHDの物理としてできるだけ正確かつ直感的に把握することが鍵となる。ただしその難しさは当初想定していた以上のものである。緩和の途中の乱流状態は言うまでもなく、比較的単純な構造を持つ緩和後の自己組織化状態も、その実体を理解するのに予想以上の労力が必要であることがわかってきた。磁場と流れ場という二つのベクトル場が互いにエネルギーを供給しあいながら準定常状態を保つ状態は、単一のベクトル場の構造の準定常状態の解析とは比較にならないほど難しい。本研究で進めてきた先進的な可視化解析手法「4次元ストリートビュー」はこれらの解明にその威力を発揮すると期待している。

  • 研究成果

    (14件)

すべて 2020 2019

すべて 雑誌論文 (6件) (うち査読あり 5件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (8件) (うち国際学会 1件、 招待講演 3件)

  • [雑誌論文] 4次元ストリートビュー: 計算機シミュレーションの新しい可視化法2020

    • 著者名/発表者名
      陰山 聡, 坂 本 尚 久, 大野 暢亮
    • 雑誌名

      プラズマ核融合学会誌

      巻: 96 ページ: 199-206

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] YYZVis: An Efficient Visualization Toolkit for Yin-Yang-Zhong Grid Dataset2020

    • 著者名/発表者名
      Uemori Kaoru、Sakamoto Naohisa、Ohno Nobuaki、Kageyama Akira
    • 雑誌名

      Journal of Advanced Simulation in Science and Engineering

      巻: 7 ページ: 15-33

    • DOI

      https://doi.org/10.15748/jasse.7.15

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Development of CAVELib Compatible Library for HMD-type VR Devices2019

    • 著者名/発表者名
      Kawahara Shintaro、Kageyama Akira
    • 雑誌名

      Journal of Advanced Simulation in Science and Engineering

      巻: 6 ページ: 234-248

    • DOI

      https://doi.org/10.15748/jasse.6.234

    • 査読あり
  • [雑誌論文] In-Situ Visualization with Membrane Layer for Movie-Based Visualization2019

    • 著者名/発表者名
      Yamamoto Kohei、Kageyama Akira
    • 雑誌名

      Lecture Notes in Computer Science

      巻: 11540 ページ: 588-594

    • DOI

      https://doi.org/10.1007/978-3-030-22750-0_55

    • 査読あり
  • [雑誌論文] An Interactive Visualization Tookkit for Yin-Yang-Zhong Grid Dataset2019

    • 著者名/発表者名
      Kaoru Uemori, Naohisa Sakamoto, Nobuaki Ohno, and Akira Kageyama
    • 雑誌名

      Proceedings The 38th JSST Annual International Conference on Simulation Technology

      ページ: 27-30

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 計算機シミュレーションの対話的同時可視化手法2019

    • 著者名/発表者名
      陰山 聡
    • 雑誌名

      TELECOM FRONTIER

      巻: 105 ページ: 1-5

  • [学会発表] 4-D Street View: Movie-based visualization method for HPC2019

    • 著者名/発表者名
      Akira Kageyama
    • 学会等名
      AAPPS-DPP
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] n-Situ Visualization with Membrane Layer for Movie-based Visualization,2019

    • 著者名/発表者名
      Akira Kageyama
    • 学会等名
      International Conference for Computational Science (ICCS)
  • [学会発表] 4次元ストリートビュー: 計算機シミュレーションの新しい可視化手法2019

    • 著者名/発表者名
      陰山 聡
    • 学会等名
      第36回 プラズマ・核融合学会 年会
    • 招待講演
  • [学会発表] 動画ベースの可視化手法 4 次元ストリートビュー2019

    • 著者名/発表者名
      陰山 聡
    • 学会等名
      CFDシンポジウム
  • [学会発表] 可視化手法の新手法 4次元ストリートビュー2019

    • 著者名/発表者名
      陰山 聡
    • 学会等名
      STEシミュレーション研究会
  • [学会発表] 全方位動画に基づく新しい可視化手法2019

    • 著者名/発表者名
      陰山 聡
    • 学会等名
      プラズマシミュレータシンポジウム
  • [学会発表] VFIVE開発の経緯とその後の発展の紹介2019

    • 著者名/発表者名
      陰山 聡
    • 学会等名
      第87回CG・可視化研究会(CAVE研究会)
    • 招待講演
  • [学会発表] 球内部のMHDシミュレーション手法と可視化ツール2019

    • 著者名/発表者名
      陰山 聡
    • 学会等名
      JpGU(日本地球惑星科学連合大会)

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公開日: 2021-01-27  

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