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2021 年度 実績報告書

凝固組織予測の先進的シミュレータ開発と計算・実験の一体化技術への展開

研究課題

研究課題/領域番号 20H00217
研究機関京都工芸繊維大学

研究代表者

高木 知弘  京都工芸繊維大学, 機械工学系, 教授 (50294260)

研究分担者 青木 尊之  東京工業大学, 学術国際情報センター, 教授 (00184036)
大野 宗一  北海道大学, 工学研究院, 教授 (30431331)
安田 秀幸  京都大学, 工学研究科, 教授 (60239762)
坂根 慎治  京都工芸繊維大学, 機械工学系, 助教 (70876755)
研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2023-03-31
キーワードフェーズフィールド法 / 高性能計算 / データ同化 / その場観察 / 凝固組織
研究実績の概要

フェーズフィールド法によるデンドライト凝固の大規模高速計算を可能とするために,固液界面近傍にのみ細かい格子を用いる適合細分化格子法(AMR)の複数GPU実装を行った.ここで,各GPUの計算負荷を均一化するために動的負荷分散を適用した.また,大きな格子を用いた計算を可能とするために,プリコンディショニングを導入した.このAMR技術開発によって,一次枝間隔の広いデンドライト成長問題も効率的に計算可能となった.
ダブルオブスタクルポテンシャルを用いたマルチフェーズフィールド法と二緩和時間モデルを用いた格子ボルツマン法を連成させることで,固液共存域変形のシミュレーションを可能とした.また,このモデルの複数GPU実装を行い,大規模シミュレーションを可能とした.さらに,これを用いた様々な固液共存域のせん断変形シミュレーションを系統的に行い,粒形状,固相率,変形速度などが固液共存域変形挙動に及ぼす影響を詳細に評価した.
GPUスパコンを用いた大規模フェーズフィールド計算によって,優先成長方向が熱流方向から傾いた柱状デンドライトの一方向凝固計算を系統的に行い,その配列を評価した.この結果,傾いたデンドライトでも六角形配列が支配的となることを明らかにした.この結果を用いて,デンドライト樹間液相流動の透過率評価を行い,無次元透過率はおおむねKozeny-Carmanの式によって表現可能であることを示した.
一方向凝固時に成長する柱状デンドライトのデータ同化を効率化するために,デンドライト先端近傍のみを用いるデータ同化を考案し実装した.また,液相流動と固体運動を伴う単一デンドライト成長問題に対するデータ同化システムを開発し,双子実験によってその妥当性を確認した.さらに,多結晶粒成長において多数粒界のエネルギーとモビリティを同時推定可能なデータ同化システムを開発し,双子実験を通してその有用性を示した.

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

凝固組織予測の先進的シミュレータの開発においては,適合細分化格子法(AMR)の複数GPU実装を完了し,現在,液相流動と固体運動を伴うデンドライト凝固問題への適用を図っている.また,固液共存域変形の大規模シミュレーションを可能とし,系統的な固液共存域に対するせん断変形シミュレーションを行った.加えて,GPUスパコンによる大規模フェーズフィールドシミュレーションによって,傾いた柱状デンドライトの配列挙動評価およびデンドライト樹間液相流動の透過率評価も実施した.このように,凝固組織予測の先進的シミュレータの開発は大いに進展している.

シミュレーションと実験を一体化させる手法開発においては,合金の一方向凝固時に成長する柱状デンドライトのデータ同化を効率化するための手法を開発し,基礎となるプログラムを作成した.また,液相流動と固体運動を伴うデンドライト成長のデータ同化を可能とした.さらに,多結晶粒成長において多数の結晶粒界における粒界エネルギーとモビリティを同時推定可能なデータ同化を開発し,双子実験によってその有用性を確認した.また,SPring-8においてその場観察を実施し,実験をフェーズフィールド法に組み込むための適切な凝固条件を探索した.

以上のように,凝固組織予測の先進的シミュレータ開発と,計算と実験の一体化を目指す本研究目的に対して着実に研究を進めることができている.

今後の研究の推進方策

次年度は本研究の最終年度であり,3次元データ同化を可能とするAMR複数GPU並列化を実装したデータ同化を可能とする.そして,SPring-8によるその場観察実験を実際に取り込み,計算と実験を一体化する.また,固液共存域変形,デンドライト樹間液相流動の系統的評価によってこれらの現象解明を推し進める.

  • 研究成果

    (50件)

すべて 2022 2021 その他

すべて 雑誌論文 (5件) (うち査読あり 5件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (44件) (うち国際学会 13件、 招待講演 7件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Phase-field study on an array of tilted columnar dendrites during the directional solidification of a binary alloy2022

    • 著者名/発表者名
      T. Takaki, S. Sakane, M. Ohno, Y. Shibuta, T. Aoki
    • 雑誌名

      Computational Materials Science

      巻: 203 ページ: 111143

    • DOI

      10.1016/j.commatsci.2021.111143

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Parallel-GPU-accelerated adaptive mesh refinement for three-dimensional phase-field simulation of dendritic growth during solidification of binary alloy2022

    • 著者名/発表者名
      S. Sakane, T. Takaki, T. Aoki
    • 雑誌名

      Materials Theory

      巻: 6 ページ: 1-19

    • DOI

      10.1186/s41313-021-00033-5

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Inverse analysis of anisotropy of solid-liquid interfacial free energy based on machine learning2022

    • 著者名/発表者名
      G. Kim, R. Yamada, T. Takaki, Y. Shibuta, M. Ohno
    • 雑誌名

      Computational Materials Science

      巻: 207 ページ: 111294

    • DOI

      10.1016/j.commatsci.2022.111294

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Novel estimation method for anisotropic grain boundary properties based on Bayesian data assimilation and phase-field simulation2021

    • 著者名/発表者名
      E. Miyoshi, M. Ohno, Y. Shibuta, A. Yamanaka, T. Takaki
    • 雑誌名

      Materials & Design

      巻: 210 ページ: 110089

    • DOI

      10.1016/j.matdes.2021.110089

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Multi-phase-field lattice Boltzmann model for polycrystalline equiaxed solidification with motion2021

    • 著者名/発表者名
      N. Yamanaka, S. Sakane, T. Takaki
    • 雑誌名

      Computational Materials Science

      巻: 197 ページ: 110658

    • DOI

      10.1016/j.commatsci.2021.110658

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 種々のZn濃度でのAl-Zn合金におけるデンドライト成長の定量解析2022

    • 著者名/発表者名
      鳴海大翔,野々村真誉,西口ありさ,勝部涼司,安田秀幸
    • 学会等名
      日本金属学会2022年春期第170回講演大会
  • [学会発表] 時間分解X線イメージング(2D/3D)による凝固過程のダイナミクスの解明2022

    • 著者名/発表者名
      安田秀幸,鳴海大翔,勝部涼司,高木知弘,森下浩平,南里幸宏,辻創太,野々村真誉
    • 学会等名
      日本金属学会2022年春期第170回講演大会
  • [学会発表] 液相流動と固相運動を伴う二元合金凝固現象を対象としたデータ同化システムの構築と双子実験2022

    • 著者名/発表者名
      山村 彩乃, 坂根 慎治, 高木 知弘
    • 学会等名
      日本金属学会2022年春季(170回)講演大会
  • [学会発表] 高性能phase-field格子ボルツマン計算によるデンドライトフラグメンテーションに対する自然対流の影響評価2022

    • 著者名/発表者名
      高木 知弘, 坂根 慎治, 青木 尊之
    • 学会等名
      日本鉄鋼協会第183回春季講演大会
  • [学会発表] 柱状および等軸デンドライトに対する透過率予測2022

    • 著者名/発表者名
      高木 知弘
    • 学会等名
      日本鉄鋼協会 高温プロセスシンポジウム
  • [学会発表] Highly Accurate Prediction of Material Microstructure Using High-performance Phase-field Simulation and Data Assimilation2022

    • 著者名/発表者名
      T. Takaki
    • 学会等名
      TMS 2022 Annual Meeting & Exhibition (TMS2022)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Evaluation of Semi-solid Shear Deformation Behavior Using the Multi-phase-field Lattice Boltzmann Method2022

    • 著者名/発表者名
      N. Yamanaka, S. Sakane, T. Takaki
    • 学会等名
      TMS 2022 Annual Meeting & Exhibition (TMS2022)
    • 国際学会
  • [学会発表] Development of a Twin Experiment-validated Data Assimilation System for Dendrite Growth with Melt Convection Using Phase-field Lattice Boltzmann Method2022

    • 著者名/発表者名
      A. Yamamura, S. Sakane, M. Ohno, T. Takaki
    • 学会等名
      TMS 2022 Annual Meeting & Exhibition (TMS2022)
    • 国際学会
  • [学会発表] Investigation of Phase-field Data Assimilation System Using In-situ Observation Results Obtained during Dendrite Growth in Thin Films2022

    • 著者名/発表者名
      Y. Imai, T. Takaki, S. Sakane, M. Ohno, H. Yasuda
    • 学会等名
      TMS 2022 Annual Meeting & Exhibition (TMS2022)
    • 国際学会
  • [学会発表] Characterization of dendritic growth in Cr-Mn-Fe-Co-Ni and Cr-Fe-Co-Ni alloys2021

    • 著者名/発表者名
      Hideyuki Yasuda、Taka Narumi, *Ryoji Katsube, Keita Nakano, Takumi Tomiyama
    • 学会等名
      Materials Research Meeting 2021 (MRM-2021)
    • 国際学会
  • [学会発表] Time-resolved and in-situ observation of steel solidification - transmission imaging (2D) and tomography (3D)2021

    • 著者名/発表者名
      Hideyuki Yasuda
    • 学会等名
      China Symposium on Sustainable Steelmaking Technology, Changsha, China (Hybrid conference)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 時間分解トモグラフィを用いたSUS304のデンドライト成長の定量解析2021

    • 著者名/発表者名
      野々村真誉,鳴海大翔,勝部涼司,安田秀幸
    • 学会等名
      日本鉄鋼協会第182回講演大会
  • [学会発表] Al-5mass%Cu合金デンドライトの固液界面移動の定量解析2021

    • 著者名/発表者名
      野々村真誉,鳴海大翔,安田秀幸
    • 学会等名
      日本金属学会第168回講演大会
  • [学会発表] 適合細分化格子法を適用した複数GPU並列計算による運動しながら成長する等軸デンドライトのphase-field格子ボルツマンシミュレーション2021

    • 著者名/発表者名
      坂根 慎治, 高木 知弘, 青木 尊之
    • 学会等名
      日本流体力学会 第35回数値流体力学シンポジウム(CFD35)
  • [学会発表] 凝固組織の高精度予測に向けた計算と実験の融合手法の検討2021

    • 著者名/発表者名
      山村 彩乃, 坂根 慎治, 高木 知弘
    • 学会等名
      日本材料学会関西支部 若手シンポジウム
  • [学会発表] GPUによるデンドライト凝固組織予測の高精度シミュレーション2021

    • 著者名/発表者名
      高木 知弘
    • 学会等名
      NVIDIA 秋のHPC Weeks, Week 3 -GPU Applications
    • 招待講演
  • [学会発表] フェーズフィールド法― 焼結モデルの紹介 ―2021

    • 著者名/発表者名
      高木 知弘
    • 学会等名
      日本ファインセラミックス協会 第11回シミュレーションスクール
    • 招待講演
  • [学会発表] 固液共存体の変形挙動解析法の構築:multi-phase-field格子ボルツマン法の適用2021

    • 著者名/発表者名
      山中 波人, 坂根 慎治, 高木 知弘
    • 学会等名
      材料シンポジウム ワークショップ「マクロ/ミクロ変形におけるモデリングとシミュレーション」
  • [学会発表] デンドライト凝固のその場観察を対象とするphase-fieldデータ同化システムの構築に向けた検討2021

    • 著者名/発表者名
      今井 裕貴, 坂根 慎治, 高木 知弘
    • 学会等名
      材料シンポジウム 若手学生研究発表会
  • [学会発表] MD法とphase-field法を利用したデータ同化による純金属の固液界面物性推定法の構築2021

    • 著者名/発表者名
      中井 健太, 坂根 慎治, 高木 知弘
    • 学会等名
      材料シンポジウム 若手学生研究発表会
  • [学会発表] Phase-field格子ボルツマン法を用いた液相流動を伴う凝固現象のデータ同化システム構築と双子実験2021

    • 著者名/発表者名
      山村 彩乃, 坂根 慎治, 高木 知弘
    • 学会等名
      材料シンポジウム 若手学生研究発表会
  • [学会発表] 材料組織予測シミュレーションの変革 ― マルチスケールからクロススケールへ ―2021

    • 著者名/発表者名
      高木 知弘
    • 学会等名
      日本機械学会 第34回計算力学講演会(CMD2021) フォーラム [EXAスケールコンピューティング「京」から「富岳」へ]
    • 招待講演
  • [学会発表] AMR法による3次元柱状デンドライト成長の複数GPU並列phase-field計算の高速化2021

    • 著者名/発表者名
      坂根 慎治, 高木 知弘, 青木 尊之
    • 学会等名
      日本機械学会 第34回計算力学講演会(CMD2021)
  • [学会発表] Phase-field法と格子ボルツマン法による二次枝が発達した柱状デンドライトの透過率評価2021

    • 著者名/発表者名
      光山 容正, 坂根 慎治, 大野 宗一, 澁田 靖, 高木 知弘
    • 学会等名
      日本機械学会 第34回計算力学講演会(CMD2021)
  • [学会発表] 固液共存域せん断変形の2次元multi-phase-field格子ボルツマン・シミュレーション2021

    • 著者名/発表者名
      山中 波人, 坂根 慎治, 高木 知弘
    • 学会等名
      日本機械学会 第34回計算力学講演会(CMD2021)
  • [学会発表] 二元合金凝固の薄膜その場観察を想定したphase-fieldデータ同化システムの検討2021

    • 著者名/発表者名
      今井 裕貴, 坂根 慎治, 大野 宗一, 安田 秀幸, 高木 知弘
    • 学会等名
      日本機械学会 第34回計算力学講演会(CMD2021)
  • [学会発表] Phase-field法とMD法によるデータ同化を用いた純Alの固液界面物性の推定2021

    • 著者名/発表者名
      中井 健太, 坂根 慎治, 澁田 靖, 大野 宗一, 高木 知弘
    • 学会等名
      日本機械学会 第34回計算力学講演会(CMD2021)
  • [学会発表] マルチフェーズフィールドモデルと格子ボルツマンモデルに基づく混相流の数値計算手法2021

    • 著者名/発表者名
      高田 尚樹, 高木 知弘, 茂木 克維
    • 学会等名
      日本機械学会 第34回計算力学講演会(CMD2021)
  • [学会発表] Phase-field法とベイズ推論に基づく多結晶粒成長観察からの粒界物性抽出法2021

    • 著者名/発表者名
      三好 英輔, 大野 宗一, 澁田 靖, 山中 晃徳, 高木 知弘
    • 学会等名
      日本機械学会 第34回計算力学講演会(CMD2021)
  • [学会発表] 柱状デンドライト成長に対するphase-fieldデータ同化システムの開発2021

    • 著者名/発表者名
      今井 裕貴, 坂根 慎治, 高木 知弘
    • 学会等名
      日本鉄鋼協会第182回秋季講演大会 学生ポスターセッション
  • [学会発表] Phase-field格子ボルツマン法による液相流動を伴う二元合金凝固問題に対するデータ同化システムの構築と双子実験2021

    • 著者名/発表者名
      山村 彩乃, 坂根 慎治, 高木 知弘
    • 学会等名
      日本鉄鋼協会第182回秋季講演大会 学生ポスターセッション
  • [学会発表] Permeability prediction for columnar dendrite structures utilizing large-scale phase-field and lattice Boltzmann simulations2021

    • 著者名/発表者名
      T. Takaki
    • 学会等名
      2021 International Conference on Phase-Field Method and Related Methods
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Large-scale 2D simulations of formation process of equiaxed structure and semi-solid deformation using phase-field lattice Boltzmann method2021

    • 著者名/発表者名
      T. Takaki, N. Yamanaka, S. Sakane
    • 学会等名
      European Congress and Exhibition on Advanced Materials and Processes (EUROMAT2021)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Multiple GPUs parallel computing implementation of 3D AMR phase-field simulation for columnar dendrite growth2021

    • 著者名/発表者名
      S. Sakane, T. Takaki, T. Aoki
    • 学会等名
      European Congress and Exhibition on Advanced Materials and Processes (EUROMAT2021)
    • 国際学会
  • [学会発表] Preliminary development and validation of data assimilation system for dendrite growth during directional solidification of a binary alloy using phase-field method2021

    • 著者名/発表者名
      Y. Imai, S. Sakane, T. Takaki
    • 学会等名
      European Congress and Exhibition on Advanced Materials and Processes (EUROMAT2021)
    • 国際学会
  • [学会発表] Phase-field data-assimilation of interfacial properties of a pure Al based on MD simulation results2021

    • 著者名/発表者名
      K. Nakai, S. Sakane, T. Takaki
    • 学会等名
      European Congress and Exhibition on Advanced Materials and Processes (EUROMAT2021)
    • 国際学会
  • [学会発表] Data-assimilation twin experiments during setting of an isolated equiaxed dendrite2021

    • 著者名/発表者名
      A. Yamamura, S. Sakane, T. Takaki
    • 学会等名
      European Congress and Exhibition on Advanced Materials and Processes (EUROMAT2021)
    • 国際学会
  • [学会発表] A Domain Decomposition Method based on a Multi-phase-field Model to Reduce Inter-node Communication2021

    • 著者名/発表者名
      Seiya Watanabe, Takayuki Aoki, Changhong Hu, Shintaro Matsushita, Tomohiro Takaki
    • 学会等名
      Parallel CFD 2021
    • 国際学会
  • [学会発表] Liquid-gas Foam Simulations using Cumulant Lattice Boltzmann Method with Adaptive Mesh Refinement2021

    • 著者名/発表者名
      Sitompul Yos Panagaman、Aoki Takayuki、Watanabe Seiya、Takaki Tomohiro
    • 学会等名
      第26回計算工学講演会
  • [学会発表] A Large-scale Foam Simulation using a Multi-phase field Lattice Boltzmann Method with Adaptive Mesh Refinement2021

    • 著者名/発表者名
      Yos Sitompul,Takayuki Aoki, Seiya Watanabe,Kenta Sugihara,Tomohiro Takaki
    • 学会等名
      日本機械学会 第34回計算力学講演会
  • [学会発表] Foam Simulation with a Large Number of Bubbles using Multi-phase LBM and Adaptive Mesh Refinement2021

    • 著者名/発表者名
      Sitompul Yos, Aoki Takayuki, Watanabe Seiya, Sugihara Kenta, Takaki Tomohiro
    • 学会等名
      日本流体力学会 第35回数値流体力学シンポジウム
  • [学会発表] 定量的フェーズフィールド・モデルの基礎、応用および限界2021

    • 著者名/発表者名
      大野宗一
    • 学会等名
      日本学術振興会製鋼第19委員会凝固プロセス研究会第85回会議
  • [学会発表] 三次元等軸デンドライトの形態変化のシミュレーション解析2021

    • 著者名/発表者名
      工藤 幹央,山田 亮,澁田 靖,高木 知弘,大野 宗一
    • 学会等名
      日本金属学会 2021年秋期講演大会(第169回)大会
  • [学会発表] fcc純金属の凝固における核生成挙動の分子動力学シミュレーション2021

    • 著者名/発表者名
      平松大希,大野宗一,澁田靖,高木知弘
    • 学会等名
      日本金属学会 2021年秋期講演大会(第169回)大会
  • [備考] 京都工芸繊維大学機械工学系数値材料デザイン研究室研究業績

    • URL

      http://www.cmd.kit.ac.jp/achievement/

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公開日: 2022-12-28  

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