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2021 年度 実施状況報告書

プラズマ乱流マルチスケール相互作用の一般化Langevin描像

研究課題

研究課題/領域番号 20K03892
研究機関名古屋大学

研究代表者

前山 伸也  名古屋大学, 理学研究科, 講師 (70634252)

研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2024-03-31
キーワードマルチスケール相互作用 / プラズマ乱流 / 射影演算子法
研究実績の概要

プラズマ中で生じる乱流は、大小様々なスケールの揺らぎを作り出す。近年のスーパーコンピュータを用いた大規模数値シミュレーションにより、広くスケールの離れた揺らぎの間にも、相互作用が存在することが明らかになった。本研究では、プラズマ物理・非平衡統計力学・データ科学のアプローチを利用して、プラズマ乱流マルチスケール相互作用を異なるスケール間の相関問題として捉え、コヒーレントな相関項と確率的な無相関項として表す一般化Langevin描像として定式化・体系化することを目指す。
令和3年度は、第一に、射影演算子法に基づく統計データ解析手法の長谷川-若谷ドリフト波乱流への適用を進めた。昨年度得られた乱流による帯状流減衰効果に着目した解析を発展させ、プラズマパラメータを変えた記憶項の評価を多数実施し、記憶関数の振幅は非線形項の振幅(~乱流揺動振幅)から、記憶関数の時定数は帯状流と乱流の特徴時間からの見積もりと同程度のスケーリングが得られることを見出した。第二に、射影演算子法解析コードを多変数射影や離散時間射影についても解析が行えるように拡張を行った。それぞれの定式化について一般化第2種揺動散逸定理の検証、および、統計解析で用いられるベクトル自己回帰分析モデルとのベンチマークを行い、検証済みのコードをオープンソースとして公開した。第三に、昨年度までに開発したスラブジャイロ運動論コードを用いて、イオン運動論効果および有限ベータ値効果が電子温度勾配(ETG)モードに与える影響の理論解析を行い、イオン分極による長波長ETGモードの不安定化と電子スキン長による安定化効果、それらが乱流輸送に与える影響を論文として報告した。

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

長谷川-若谷ドリフト波乱流への射影演算子法の応用については、帯状流-乱流相互作用の解析がまとまり、修士課程学生の修士論文として結実した。今後、査読付き論文誌への投稿を予定している。

射影演算子法の理論およびコードへの実装について、多変数・離散時間への対応を行い、一定の進展が見られた。さらに統計数理研究所との共同研究を通じて、統計学的見地からの解釈を進めているところである。

本研究課題で開発したコードを用いたスピンオフ研究として行ったスラブジャイロ運動論の詳細な理論解析は、過去の研究との理論的な対応や新規性が評価され、Physics of Plasmas誌の注目論文(Editor's pick)として選ばれた。

今後の研究の推進方策

長谷川-若谷ドリフト波乱流については、乱流から帯状流への影響に注目した解析を行っていたが、逆の、帯状流から乱流への影響に着目した解析も行う必要がある。射影演算子法により相関部分を抽出することで、帯状流が乱流を減衰させる効果だけでなく、密度・ポテンシャル揺動間の位相を変えて、線形不安定性を修正する効果を表わせる新しい解析結果が得られると期待される。

また、射影演算子法とベクトル自己回帰モデルとの比較を進めて論文化を目指す。既知のベクトル自己回帰モデルとの対応を明らかにすることで、オープンソースで公開している射影演算子法のコードの普及にもつながると期待される。

次年度使用額が生じた理由

コロナ禍により出張がオンライン会議に置き換わり、旅費の使用が進まなかったため。

繰越額は、今後の論文出版経費等に充てる。

  • 研究成果

    (22件)

すべて 2022 2021 その他

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件) 学会発表 (17件) (うち国際学会 9件、 招待講演 2件) 備考 (4件)

  • [雑誌論文] Effects of ion polarization and finite-<i>β</i> on heat transport in slab electron-temperature-gradient driven turbulence2021

    • 著者名/発表者名
      Maeyama S.、Kusaka S.、Watanabe T.-H.
    • 雑誌名

      Physics of Plasmas

      巻: 28 ページ: 052512~052512

    • DOI

      10.1063/5.0044435

    • 査読あり
  • [学会発表] Mori-Zwanzig projection operator method as a statistical analysis of multivariate time-series data2022

    • 著者名/発表者名
      S. Maeyama
    • 学会等名
      PiAI seminar: Physics informed AI in Plasma Science
    • 国際学会
  • [学会発表] 核燃焼プラズマにおける乱流輸送現象のマルチスケール性2022

    • 著者名/発表者名
      前山伸也,渡邉智彦,仲田資季,沼波政倫,朝比祐一,石澤明宏
    • 学会等名
      「富岳」成果創出プログラム研究交流会
  • [学会発表] 回転フラックスチューブによる背景シア流下の局所乱流シミュレーション2022

    • 著者名/発表者名
      前山伸也,渡邉智彦,仲田資季,沼波政倫,石澤明宏,朝比祐一
    • 学会等名
      日本物理学会第77回年次大会
  • [学会発表] 核燃焼プラズマに向けたマルチスケール乱流輸送現象の外挿性2022

    • 著者名/発表者名
      前山伸也
    • 学会等名
      日本物理学会第77回年次大会
  • [学会発表] 回転フラックスチューブ座標を用いたGKVシミュレーション2022

    • 著者名/発表者名
      前山伸也,渡邉智彦,仲田資季,沼波政倫,石澤明宏,朝比祐一
    • 学会等名
      「富岳」成果創出加速プログラム核燃焼プラズマ閉じ込め物理の開拓2021年度成果報告会
  • [学会発表] Gyrokinetic Simulations of Cross-Scale Interactions between Electron Temperature Gradient and Trapped Electron Modes on the Supercomputer Fugaku2021

    • 著者名/発表者名
      S. Maeyama, T.-H. Watanabe, M. Nakata, M. Nunami, Y. Asahi, A. Ishizawa
    • 学会等名
      30th International Toki Conference (ITC30)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Exploring multi-scale turbulent interactions in high electron temperature burning plasma2021

    • 著者名/発表者名
      S. Maeyama
    • 学会等名
      5th Asia-Pacific Conference on Plasma Physics (AAPPS-DPP2021)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Cross-Scale Interactions Between Trapped-Electron-Mode and Electron-Temperature-Gradient-Mode Turbulence2021

    • 著者名/発表者名
      S. Maeyama, and T.-H. Watanabe
    • 学会等名
      28th IAEA Fusion Energy Conference
    • 国際学会
  • [学会発表] Gyrokinetic simulations of multi scale turbulence on the supercomputer Fugaku2021

    • 著者名/発表者名
      S. Maeyama
    • 学会等名
      IFERC Workshop on GPU Programming 2021
    • 国際学会
  • [学会発表] Generalized Langevin picture of turbulence and zonal flow interactions by means of the projection operator method2021

    • 著者名/発表者名
      S. Maeyama, and T.-H. Watanabe
    • 学会等名
      47th EPS Conference on Plasma Physics
    • 国際学会
  • [学会発表] Multi-scale simulations of trapped electron mode and electron temperature gradient mode turbulence on the supercomputer Fugaku2021

    • 著者名/発表者名
      S. Maeyama, and T.-H. Watanabe
    • 学会等名
      Joint workshop of Asia-Pacific Transport Working Group and US-EU Transport Task Force 2021
    • 国際学会
  • [学会発表] Symmetrization and directional representation of nonlinear triad interactions in plasma turbulence2021

    • 著者名/発表者名
      S. Maeyama, M. Sasaki, K. Fujii, T. Kobayashi, R. O. Dendy, Y. Kawachi, H. Arakawa, S. Inagaki
    • 学会等名
      25th Joint EU-US Transport Task Force
    • 国際学会
  • [学会発表] 射影演算子法によるプラズマ乱流相互作用の抽出2021

    • 著者名/発表者名
      前山伸也,美澤めぐみ,渡邉智彦
    • 学会等名
      プラズマシミュレータシンポジウム2021
  • [学会発表] スーパーコンピュータ「富岳」を用いた補足電子モードと電子温度勾配モードのマルチスケール乱流シミュレーション2021

    • 著者名/発表者名
      前山伸也,渡邉智彦
    • 学会等名
      日本物理学会2021年秋季大会
  • [学会発表] 三波エネルギー伝達関数の対称化と有向表現2021

    • 著者名/発表者名
      前山伸也
    • 学会等名
      日本流体力学会年会2021
  • [学会発表] 局所ジャイロ運動論シミュレーションにおける背景シア流の新数値解法2021

    • 著者名/発表者名
      前山伸也,渡邉智彦,仲田資季,沼波政倫,石澤明宏,朝比祐一
    • 学会等名
      第38回プラズマ・核融合学会年会
  • [学会発表] Mori-Zwanzig projection operator method as a statistical correlation analysis of time-series data2021

    • 著者名/発表者名
      S. Maeyama, M. Misawa, T.-H. Watanabe
    • 学会等名
      4th IAEA Technical Meeting on Fusion Data Processing, Validation and Analysis
    • 国際学会
  • [備考] Shinya Maeyama's website

    • URL

      https://www.p.phys.nagoya-u.ac.jp/~smaeyama/

  • [備考] GyroKinetic Vlasov simulation code: GKV

    • URL

      https://www.p.phys.nagoya-u.ac.jp/gkv/

  • [備考] BPP 核燃焼プラズマ閉じ込め物理の開拓 |「富岳」成果創出加速プログラム

    • URL

      https://www.p.phys.nagoya-u.ac.jp/bpp/

  • [備考] GitHub - smaeyama/mzprojection

    • URL

      https://github.com/smaeyama/mzprojection

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公開日: 2022-12-28  

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