2019 Fiscal Year Annual Research Report
全球MHDシミュレーションと先進的可視化による磁場と流れの自由緩和状態の解明
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17H02998
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
陰山 聡 神戸大学, システム情報学研究科, 教授 (20260052)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 磁気流体力学 / 自己組織化 / MHD / 構造形成 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
今年度は初期磁場をこれまでよりも複雑な形状に設定して緩和シミュレーションを行った。特に詳しく調べたのは球の中心から一定の半径の球面状に乗る複数の小型リング状磁場を初期条件とした緩和過程である。シミュレーション開始直後、それぞれの小型リング磁場は磁気張力により収縮する。このとき、リング内の流体がジェット状に絞り出され、球の中心近くで互いに衝突し、還流する。その流れはすぐに不安定化し、しばらくすると落ち着いて流れと磁場が共存する準定常状態が得られる。このときの運動エネルギーと磁気エネルギーはほぼ等しく、磁場が流れ場を駆動しつつ同時に流れが磁場を生み出す相補的な平衡状態が実現される。ここ点は昨年度までに調べた緩和過程と本質的には同じであるが、今年度新たに見出した興味深い性質は、この緩和過程で激しい流れが生じるにも関わらず、最終的な準定常状態における磁場が初期条件で与えた形状どある程度似ている場合がしばしば見られることである。初期磁場の形状を記憶しているように見えるこの現象のメカニズムは今のところ全く不明である。本研究計画のもう一つの柱である「4次元ストリートビュー」という独自の可視化手法の開発については、今年度、この手法の実現に不可欠な二つの要素技術、多視点・全方位・同時可視化を実現するスーパーコンピュータ向けライブラリと、 多数の全方位動画データセットをPC上で対話的に解析するPCアプリの開発に注力し、どちらもほぼ完成させることができた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究を開始するに当たり、磁気エネルギーが卓越する初期条件と、運動エネルギーが卓越する初期条件のどちらから開始しても最終的な緩和状態は二つのエネルギーがほぼ等しく、ぞれぞれがなんらかの意味で相補的な緩和状態になると予想していた。これまでに見出した緩和状態はたしかにそのようなエネルギー等分配が成り立つ場合が多い（ただしそれ以外の状態も見つかっている）。その空間構造は多彩であり、共通する性質を見出すことはまだできていないが、いずれの場合にも球内の流れがなめらかに循環することが相補的なエネルギー供給を可能にしている。シミュレーションで設定した境界が直方体等の形状であったら、このような磁場・流れ場構造は形成されなかったであろう。したがって球という特殊な領域内部での緩和現象に問題を設定した本研究の狙いは正しかったと考えている。また、計算結果を解析するにあたり可視化が大きな課題となることも予想通りであった。この問題の解決のために開発している4次元ストリートビューという先進的な可視化手法もほぼ完成しつつある。多視点・全方位・同時可視化のためのライブラリの開発は順調に進み、同時可視化を実現するための方法も2種類（同期方式と非同期方式）用意することができた。またスーパーコンピュータ上で生成された多数の全方位可視化動画群を入力データし、ユーザが対話的にシミュレーションの時空データを解析する専用アプリの開発も順調に進んだ。テストとしてカーテシアンジオメトリでの簡単な流体シミュレーション（渦輪の形成と伝播）に適用し、この手法「4次元ストリートビュー」の有効性も確認した。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでに見出した緩和構造は、(1) 流れと磁場が同じような形状をもち、それが初期磁場とは全く異なる形状である場合、(2) 流れと磁場が同じような形状をもち、しかもそれが初期磁場と似ている場合、そして (3) 流れと磁場が全く異なる形状を持ち、初期磁場とも全く異なる場合、の大きく分けて3種類ある。この3種類の構造は主に初期条件の違いだけで導かれるものであるが、何がこの違いを導くのか現在のところ全くわかっていない。また、空間的には明らかに異なる構造をもっているこの3種類の緩和状態は、何らかの共通する物理的な特徴をもっているはずであるが、そのヒントも今のところ全くつかめていない。この二つの謎を解くことが本研究の最終的な目標実現に向けた具体的な道筋である。そのために、初期条件の流れ場と磁場の特徴をヘリシティやクロスヘリシティなどの物理量を計画的に変更しながらパラメータサーベイを行い、それぞれの緩和状態を解析する。計算規模が大規模で一回のシミュレーションの実行と解析にはかなりの時間がかかるため、パラメータの正しい選択が必須である。緩和過程で起きている現象をMHDの物理としてできるだけ正確かつ直感的に把握することが鍵となる。ただしその難しさは当初想定していた以上のものである。緩和の途中の乱流状態は言うまでもなく、比較的単純な構造を持つ緩和後の自己組織化状態も、その実体を理解するのに予想以上の労力が必要であることがわかってきた。磁場と流れ場という二つのベクトル場が互いにエネルギーを供給しあいながら準定常状態を保つ状態は、単一のベクトル場の構造の準定常状態の解析とは比較にならないほど難しい。本研究で進めてきた先進的な可視化解析手法「4次元ストリートビュー」はこれらの解明にその威力を発揮すると期待している。
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