| 研究課題/領域番号 |
17K05734
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| 研究機関 | 核融合科学研究所 |
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研究代表者 |
三浦 英昭 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 教授 (40280599)
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| 研究分担者 |
荒木 圭典 岡山理科大学, 工学部, 教授 (90299181)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | 乱流 / 拡張MHD / 要素構造 / CITM |
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| 研究実績の概要 |
電磁流体力学(MHD)方程式と、乱流の格子サイズ以下の影響を定性的に反映する現象論的モデル（サブグリッドスケールモデル、SGSモデル）で代替する、ラージ・エディ・シミュレーション(LES)手法によるプラズマ乱流研究を進めた。
磁場へのイオン・電子分離効果を表すHall 項を取り入れた、Hal MHD方程式による乱流のLESのためのSGSモデルの開発を行い、このモデルを用いた数値シミュレーションを実施した。昨年度までの研究に続き、一様な磁場が印可された一様性Hall MHD乱流のためのSGSモデルを開発した。直接数値シミュレーション(DNS)と、SGSモデルを組み込んだLESの比較から、新たなSGSモデルが非等方性乱流の基本的性質をよく再現することを示した。これらの成果は国際会議で発表した。
さらに、Hall項に加えジャイロ粘性項を付加した拡張MHDモデルの一様等方性乱流DNSを実施した。ジャイロ粘性項は速度場に対して高次のローパスフィルター的な作用を及ぼす一方で、渦渡場などに間欠性を高める傾向が表れること、要素構造の一つである電流シート構造に変化が現れることなどの性質があることを示した。この成果は査読付き論文誌に投稿、出版された。
この他、交換型・テアリング不安定性の遷移モード(Current Interchange Tearing Mode, CITM)のLESを実施した。前年度にCITMのMHDシミュレーションで成果を上げたのに続き、今年度は、Hall項とジャイロ粘性項を付加したLESを実施し、CITMに対するこれらの効果の影響を調べた。この結果、CITMは反磁性流れの生成と乱流遷移の影響などを受けるものの、交換型不安定性からテアリング不安定性への遷移など、現象の骨格は維持されることが明らかになった。これらの成果を、国際会議で発表した。
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| 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
この研究は、直接数値シミュレーション(DNS)による基礎データの蓄積、基礎データを定性的に再現する現象論的モデルの作成、この現象論的モデルを組み込んだラージ・エディ・シミュレーション(LES)の実施、DNSとLESの比較検証によるSGSモデルの改良、LESの再実行と再検証、というサイクルによる研究プロセスを想定している。
このプロセスの中で、DNSの実施は極めて円滑に実施されている。当初想定したパラメータに関するDNSはほぼ完遂され、より広範なパラメータについて調査の範囲を広げつつある。これは、核融合科学研究所の一般共同研究（プラズマシミュレータ利用共同研究）や、学際大規模情報基盤共同利用・共同研究拠点(JHPCN)共同研究などの潤沢な計算資源や、これらの共同研究で提供されるコード開発支援およびシミュレーションコード最適化などのサポートの結果である。また、第二点目のSGSモデルについても、研究代表者、協力者、連携協力者の長年の共同研究の蓄積から、着実にモデルの作成が行われた。また、LESの初期段階（上述の研究サイクルの中の最初のLESの実施)も順調である。
他方、若干研究の進捗が遅くなりつつあるのは、DNSとLESの比較検証による、SGSモデルの改良である。これは、DNSデータがもたらす拡張MHD乱流のデータが、乱流の間欠性やエネルギースペクトルの冪則の構造などの解析、理解に、当初想定よりも時間を要しているためである。これは、着実に解析を進めることで進捗が図れるものであり、大きな停滞とは考えていない。
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| 今後の研究の推進方策 |
課題申請時の計画に従って、第一に、SGSモデルを用いた大規模拡張MHD（Hall項、ジャイロ粘性項の一方もしくは両方を含む）の不安定性・乱流LESと、SGSモデルを用いないDNSの対比によるSGSモデルの正当性の検証の実証を進める。また、衝突頻度の低いプラズマの乱流を念頭に、一様一定な磁場が印加されたHall MHD、拡張MHD乱流のDNSおよびLESを実施するとともに、異方性を考慮したSGSモデルの開発改良を続行する。この研究により、本研究内容の、核融合プラズマなどへの応用性を高める。
第二に、Ramos型の拡張MHD方程式（これはBraginskii型拡張MHD方程式を包含する）による拡張MHD乱流シミュレーションの実施（シミュレーションコードへの実装やCFL条件の検討）を進める。これについては、近年では粒子(Particle-In-Cell, PIC)法やVlasov/Boltzmann方程式に基づく乱流シミュレーションによる研究も報告が増えつつある現状を踏まえ、拡張MHD方程式に基づく乱流LESの比較対象を、同じ拡張MHD方程式に基づくDNSからPIC法に基づく乱流シミュレーションに代えること、この変更を通じて、従来より正確に運動論的効果をモデル化することも検討する。
第三に、核融合研究への応用を念頭に、Current Interchange-Tearing Modes (CITM)不安定性のLES研究を発展させる。平成30年度の研究で、CITM成長過程における反磁性流れの乱流遷移が確認できている。平成31年度は、このCITMに対して外部からシアーを伴う流れが印可された場合の振る舞いやKelvin-Helmholtz(KH)型不安定性の影響、核融合実験装置のトロイダル形状の影響を調べる。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
前年度に執行できなかった予算については、平成30年6月に開催されたプラズマ物理国際会議への参加、成果発表に使用したた。これは平成30年度の計画通りである。
他方、平成30年度当初は、上記の国際会議に加え、平成30年10月に開催のアメリカ物理学会プラズマ分科年会(APS-DPP)において研究成果の発表を予定していた。しかし、職場の業務スケジュールとの兼ね合いでこの出張が不可能となり、出張経費が使われずに残った。（この研究成果の一部は、共同研究者が同学会で発表したことから、目的の一部は達成された。）さらに、平成30年末に投稿した論文が受理されたが、この雑誌は無料でオープンアクセスであるため、論文のオープンアクセス化費用として計上した経費が使われずに残った。
次年度使用額については、令和元年9月及び10月に予定されている国際会議での成果発表（9月については、講演申し込みが既に採択されている）や海外の共同研究者との打ち合わせ、今後の論文発表のための経費として使用する予定である。
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