| 研究課題/領域番号 |
17K05734
|
|---|
| 研究機関 | 核融合科学研究所 |
|---|
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)
|
|---|
| 研究分担者 |
荒木 圭典 岡山理科大学, 工学部, 教授 (90299181)
|
|---|
| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2022-03-31
|
| キーワード | 乱流 / Hall MHD / 高磁気プラントル数 / エネルギースペクトル |
|---|
| 研究実績の概要 |
電磁流体力学(MHD)方程式にHall項を加えたHall MHD方程式や、これにジャイロ粘性項を加えた拡張MHD方程式について、Large Eddy Simulation(LES)を行うことを目指した研究を行っている。LESには、シミュレーションでは解像されない格子サイズ以下のスケールが、格子サイズ以上のスケールに及ぼす効果を定性的なモデル（サブグリッドスケールモデル、SGSモデル）で代替する必要がある。これまで、SGSモデルの基礎データの取得を目的として、モデルを使用しない高解像度の直接数値シミュレーション(DNS)を進める一方、このデータに基づいたSGSモデルの開発を進めてきた。
高磁気プラントル数のHall MHD乱流について、その物理特性の理解と、SGSモデルのための基礎データを目指してDNSを実行した。2019年に出版した論文(Miura et al., Phys. Rev. E, 2019)では格子点数N^3=1024^3以下のDNSを実施したのに対し、2020年度は格子点数2048^3の大規模シミュレーションを通じて、磁場だけではなく速度場も弱いながら乱流状態に至ることができた。この2020年度のシミュレーションからは、2019年度のシミュレーションの結果が再現されただけではなく、渦渡場や電流密度場の確率密度関数(Probability Density Function, PDF)を通じて、乱流の強い間欠性が明らかになった。これらの研究は、2021年度中に論文としてまとめ、学術雑誌に投稿する予定である。
このほか、これまでに行ったDNSをもとにSGSモデルの改良を進め、そのモデルの妥当性の検証を行い、国際会議で報告した。また、Particle-In-Cellシミュレーションとの比較を目指して、圧縮性拡張MHD方程式の整備改良を進めた。この初期成果を、国際会議で報告した。
|
| 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
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モデルの改良を、循環的に繰り返しながらモデルの改良を行う研究である。DNSの実施はこの循環プロセスの中で最も時間がかかる構成要素であるが、研究開始以来極めて円滑に実施されてきた。当初想定したパラメータに関するDNSは完遂済である。この後、2019年度に行った高磁気プラントル数乱流シミュレーションについて、パラメータ領域を広げて追加計算を行っている。これらは、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)共同研究への積極的な応募による計算資源の獲得、そしてこれらの制度で提供されるコード開発支援等の結果である。
他方、若干研究の進捗に遅れがみられるのは、DNSとLESの比較検証を通じたSGSモデルの改良である。原因は、コロナ禍による共同研究者との打ち合わせ（対面による議論）が減少したことである。物理的なモデルについての理論的な議論はネットワーク越しでは行い難い側面もあり、遅れを十分に取り返すに至っていないが、2021年度にこの遅れを取り戻したい。
また、2020年度に行う予定であった、我々のデータに興味を持つ他の（本研究課題の研究分担者ではない）研究者との協力も、同様の理由で停滞した。しかし、この点については既に停滞局面を乗り越えつつあり、2021年度にはこの新しい研究協力の成果が得られるものと考えている。
|
| 今後の研究の推進方策 |
2020年度は課題最終年度であったが、コロナ禍の影響で成果発表の機会を失うなど、様々な混乱が生じた。2021年度に発表を予定していた国際会議もキャンセルされるなど、その混乱はいまだに収まっていない。このため、国際会議での発表は年度末まで可能性を探りつつ、これまでに行った数値シミュレーションや、SGSモデルの整理、性能検証を行う予定である。また、この状況を、追加シミュレーションを行う時間を得たと捉え、物理的な内容を強化するために利用する方向である。
具体的には、2020年度の内容を引き継ぎ、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を進める。また、異方性を考慮したSGSモデルの開発改良を続行する。この研究を進めて、本研究内容の成果を核融合プラズマや宇宙プラズマの諸問題に応用するためのシミュレーションコード改良を続ける。
第二に、2020年度の研究を進展させ、拡張MHD方程式に基づく乱流LESとParticle-In-Cell(PIC)法に基づく粒子シミュレーションの比較に基づいてSGSモデルを改良する作業を継続する。
|
| 次年度使用額が生じた理由 |
コロナ禍により、海外への渡航不能、国際会議のキャンセルにより、予算が計画通り執行できなかった。2021年度に予定されていた国際会議もキャンセルされるなど、混乱は続いているため、2021年度末の会議への参加を模索しつつ、状況に応じて、計算機使用料など当該課題の推進に適切な執行を行う予定である。
|
