| 研究課題/領域番号 |
24740374
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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 |
宇佐見 俊介 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (80413996)
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| 研究期間 (年度) |
2012-04-01 – 2017-03-31
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| キーワード | 多階層シミュレーション / 磁気リコネクション |
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| 研究実績の概要 |
プラズマにおける普遍的なエネルギー解放現象である磁気リコネクションを、階層横断現象として全体像をとらえるため、多階層シミュレーションモデルの開発を進めている。この多階層モデルでは、シミュレーションの実空間を分割し、マクロ領域は磁気流体(MHD)、ミクロ領域は粒子(PIC)手法を用いてそれぞれの物理を解く。この実空間分割法を用いることにより、物理的根拠の曖昧な電気抵抗モデルを導入せずに、運動論効果そのものをマクロ階層に取り込むことができる。
開発した多階層モデルを用いて磁気リコネクションの階層間相互作用について世界で初の解析を行った。平成26年度の主な成果として、マクロ階層のダイナミクスが磁気リコネクションのミクロな物理に及ぼす影響について詳しく調べたことが挙げられる。マクロ階層から流入するプラズマフローのパターンによって、単一のリコネクション点を持ち定常なリコネクションが続くケース、複数のリコネクション点を持ち、間欠的なリコネクションが発生するケースに分けられることが分かり、その傾向について定量的に体系づけることに成功した。
一方、リコネクション上流・下流の両方を階層連結した多階層モデルを開発した。しかし、下流方向をより適切に接続するために、これまでの理想MHDとPICの連結からさらに発展させて、Hall項なども扱える拡張MHDモデルとPICを連結する方法を模索している。また、限られたメモリで広い領域を扱えるようにするため、拡張MHD部分には物理状況に応じて格子幅を動的に変化させる適合格子細分化法(AMR)を組み入られる構成をとっている。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
本研究課題の目的は、多階層シミュレーションモデルを開発して磁気リコネクションの階層横断現象を探求し、さらにはそのモデルを地球磁気圏といった実際の系に適用することを目指すことである。その際に目標とする多階層モデルは、1. 上流・下流両方について階層連結されている、2. PIC領域とMHD領域の間には必要に応じて中間階層を設ける、3. 各領域の範囲を動的に移動させる、4. 計算領域をMPI並列化する、のような特色を持つことを考えている。
平成26年度は、モデルの発展について特に1について重点的に取り組み、上流・下流の両方を階層連結したモデルを開発した。しかし、下流部分におけるプラズマの振る舞いを調べた結果、より適切に接続するため、これまでの理想MHDとPICの連結からHall項などを扱える拡張MHDとPICを連結する方法を模索し始めた。また、3につながる面として、拡張MHDモデルには格子幅を動的に変動させる適合格子細分化法(AMR)を組み込める構成となっている。モデル発展面では計画よりやや遅れる状況と言える。
一方、多階層モデルを用いての磁気リコネクション研究については、世界初の解析を行って、マクロのダイナミクスがリコネクションの物理に及ぼす影響について定量的に体系づけることに成功した。一方で、このようなミクロの物理の違いが、マクロスケールにはどのように影響を与えるのかについても定量的に体系づける必要があり、今後の課題として残っている。研究面については計画からわずかに遅れていると言える。
以上から、全体の達成度はやや計画より遅れていると自己評価した。
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| 今後の研究の推進方策 |
平成27年度も、多階層シミュレーションモデルの拡張・発展を継続する。特に、下流方向の階層連結をより適切に行うために平成26年度から取り組み始めた、拡張MHDとPICの連結について進める。採用する拡張MHDは、核融合分野の不安定性研究などで多くの実績を持つモデルであり、Hall項、有限Larmor半径効果、反磁性電流などを取り扱うことができ、さらに電子圧力を計算することも視野に入れているものである。一方、PICシミュレーションにより磁気リコネクション下流域における物理状態を詳しく調べ、上述した拡張MHDに加えられる様々な項のうち用いるべきものを求める、さらに追加すべき効果が必要であれば、それらを見出すという研究も行う。また、この拡張MHDコードには物理状況によって格子幅を動的に変動させる、適合格子細分化法(AMR)を組み込んでシミュレーションを実施する。
これまでの理想MHDとPICの連結手法についてノウハウが蓄積しているので、拡張MHDとPICの連結についてはモデル作成の後、Alfven波伝播などによる連結の検証を行って直ちに磁気リコネクションへの適用を行う。この新しい多階層モデルにより、磁気リコネクションの階層構造をさらに詳細に解析する。マクロのダイナミクスがミクロの物理に及ぼす影響については昨年度までに調べたので、ミクロの物理の違いがマクロの物理にどうフィードバックするのか、具体的にはエネルギー変換率などがどのように影響を受けるのか調べる。それによって、マクロとミクロの階層がどのように相互作用しているのか理解し、地球磁気圏などのような大規模な系に適用することを目指す。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
主な理由は、3月に開催された日本物理学会第70回年次大会に出席して研究成果を報告したが、その旅費および参加費の振り込みが４月になったことである。
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| 次年度使用額の使用計画 |
多階層モデルを実際の大規模な系に適用するため、地球磁気圏や核融合分野の知見を得ることが重要となる。また、新しい計算機科学上の技法も取り入れたい。そのため、プラズマや計算技術関連の書籍購入として消耗品費を使用する。また得られた結果を可視化・解析するためのソフトウェア購入のためにも消耗品費を使用する。
得られた成果を国内外の学会やワークショップで報告して、様々な分野の研究者と議論を行う予定である。現在、国内では名古屋で行われるプラズマ・核融合学会年会に、国外では米国コロラド州ゴールデンで開催される日米ワークショップおよびInternational Conference on Numerical Simulation of Plasmasに出席する予定である。以上のため、旅費およびその他として学会参加費を使用する。
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