| 研究課題/領域番号 |
19K11992
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| 研究機関 | 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構 |
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研究代表者 |
小野寺 直幸 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, システム計算科学センター, 研究職 (50614484)
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| 研究分担者 |
井戸村 泰宏 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, システム計算科学センター, 室長 (00354580)
真弓 明恵 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, システム計算科学センター, 研究職 (20791396)
下川辺 隆史 東京大学, 情報基盤センター, 准教授 (40636049)
山田 進 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, システム計算科学センター, 研究主幹 (80360436)
山下 晋 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 原子力基礎工学研究センター, 研究職 (80586272)
河村 拓馬 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, システム計算科学センター, 研究職 (90718248)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| キーワード | 気液二相流体解析 / Poisson解法 / マルチグリッド法 / GPU / 適合細分化格子 |
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| 研究実績の概要 |
気液二相流体解析に基づく原子炉内の流動現象の解明は、原子力工学分野において重要な課題の一つである。一方、数値流体力学解析による気泡・液滴挙動を直接的に捉えた機構論的解析には、マルチスケール・マルチフィジクスに対応した高度な物理モデルと膨大な計算機資源が必要であり、実機を対象とした解析は殆ど行われていない。上記課題に対して、原子力機構では多相多成分熱流動解析コードJUPITERの開発を進めている。二相流体解析を大規模化する上では、多種溶融物の質量・体積等の保存を課すために計算する圧力Poisson方程式がボトルネックとなっている。圧力Poisson方程式が与える大規模疎行列は反復行列解法によって計算するが、極端な密度比が行列の条件数を悪化させる多相流体問題では、問題規模の増大による収束特性の悪化および並列数の増大に伴う通信コストの顕在化が計算性能を劣化させて長時間解析を阻害する。
本研究では、GPUを利用したエクサスケール向けの二相流体解析を開発する。大規模な圧力Poisson方程式に対しては、GPU向けの省通信型マルチグリッド（MG）法を開発することで収束特性を改善すると共に、ステンシル計算向けのGPU最適化フレームワークやブロック型適合細分化格子（AMR）法といった最先端の計算機技術を活用することで解析を飛躍的に高速化する。以上の解析技術により、実機を対象とする気液二相流体の長時間解析を実現することが初めて実現できる。本研究は原子炉の安全性評価等の原子力工学分野の基盤技術確立に繋がるだけでなく、様々な工学分野における多相流体解析にも大きく貢献できることが期待される。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
初年度である2019年度は、原子力工学問題等で対象とする複雑な構造物を含んだ流れの効率的な解析を実現するために、研究代表者の小野寺がGPU向けに開発を進めてきたブロック型適合細分化（AMR）格子に対応したPoisson解法を実装した。また、Poisson解法の高速化として、大規模計算に適した前処理手法であるマルチグリッド（MG）法の実装およびブロックAMR格子のデータ構造に適した前処理手法[Onodera et al., HPC Asia 2021]を開発した。Poisson解法の有効性を確認するために、気液の密度比を1:1000および原子炉内の構造物を模擬した境界条件を課した問題に対して、収束時間を測定した。その結果、Red-Black SOR（RB-SOR）法を前処理手法として採用した共役勾配（CG）法と比較して、新たに開発したMG前処理付きCG法では計算時間を1/3以下に削減することに成功した。
2020年度は、共同研究者がCPU上にて開発している直交格子版のJUPITERを、ブロック型AMR格子およびGPU計算へと拡張した二相流体解析コードJUPITER-AMRを新たに開発した。原子力工学分野の気液二相流体問題として、燃料棒を模擬した構造物が複数本並ぶバンドル体系に対する解析を設定した。JUPITER-AMRでは、ブロック型のデータ構造とAMR法の柔軟な格子配置のおかげで、物体内部の格子点を計算性能を劣化させずに削除することが可能となる。実際に、1mm格子解像度の8x8バンドル体系に対する解析を実施した結果、直交格子では1024x1024x3072（約30億）格子点の計算を、JUPITER-AMRでは約70%の21億格子点にて実施可能であることを示した。
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| 今後の研究の推進方策 |
2021年度は、高性能計算分野での研究として混合精度演算を駆使した解析の更なる高速化、および、原子力工学分野での研究として気液二相流体解析の高精度化を計画している。
二相流体解析の更なる高速化として、Poisson解法の前処理計算への単精度・半精度演算の適用や最新のGPU（NVIDIA V100、A100）に搭載されたシェアードメモリやテンソル演算機を駆使した実装を計画している。
原子力工学問題での検証として、2020年度に実施したバンドル体系の解析を予定している。例えば、バンドル体系に対する解析では、様々な流動形式の条件下での気泡の分布の予測が重要となる。気液界面を直接的に解像する一流体モデルでは、界面捕獲手法による気泡の合体・分裂を捉えた解析が可能である。しかしながら、元のJUPITERの双曲線正接関数を用いたTHINC-WLIC法では、バンドル体系の様に流路が長い条件において、気液界面が数値拡散によりボヤけるといった問題が挙げられていた。そこで、気液界面の数値拡散を抑える手法として有効なフェーズフィールドモデルの採用により、界面形状を高精度に捉えることが可能となる。本研究ではバンドル体系の解析において、気泡の形状や分布等の流動形式を実験結果[Ren et al., Meas. Sci. Technol., Vol.29, (2018)]と比較する事で、フェーズフィールドモデルのパラメータを最適化し、JUPITER-AMRの高精度化を実現する。以上の解析を、様々な実験条件（流動形式）に対して実施することで、JUPITER-AMRの適用範囲を明らかとすると共に、更なる高精度解析の実現に向けた計算規模を見積もる。最終的には、高速化および気液界面手法を高度化したJUPITER-AMRを用いて、過酷事故（SA）を模擬した原子炉内溶融物の移行挙動解析の実現を目指す。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
新型コロナウイルス感染症の感染拡大により、2020年度に参加を予定していた国際会議等が中止になったため、参加に係る経費が次年度使用額として生じた。次年度使用額は2021年度分経費と合わせて、出張に係る費用として使用する。
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