2020 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 / 熱対流 / 構造形成 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
これまでに磁気エネルギーと運動エネルギーが共存する緩和状態を複数確認した。これらの状態は、流れと磁場が互いにエネルギーを供給しあう相補的な準定常状態である。特に流れ場から磁場へのエネルギー供給、つまりMHDダイナモに注目したところ、最終的な緩和状態に限らず、そこに至るまでの途中経過においても、ヘイリシティをもつ流れによって効果的に磁場が生成されていることがわかった。ヘリシティはダイナモにとって重要な量であるが、球が自転していない本研究のような設定においては、擬スカラーであるヘリシティの強い分布は生まれにくいと想定していたのでこれは少々意外な結果であった。そこで、緩和計算よりも単純な設定の下で、球対称性を持つ系で鏡像対称性をもたない（カイラルな）流れが安定に存在しうるかという問題に興味をもった。考察したのは以下のような問題である。2つの球面に挟まれた球殻状の領域を考え、内部に流体を閉じ込める。中心重力を仮定し、内側の球面は高温、外側の球面は低温に固定する。つまり古典的な球殻熱対流系である。ただし自転はない。このような対流系についてカイラルで安定な対流パターンを計算機シミュレーションで探求した。カイラルな球殻対流パターンとしてはスパラルパターンが知られている。これは両端点が対蹠点にある一本の長いロールが球殻全体をらせん型に覆う対流パターンである。これをヒントとして、同じ巻き方をした小型のスパイラル2つをペアとして全部で6対のスパイラルペアが正12面体状に配置された解を見出した。また、本研究のもう一つの柱である4次元ストリートビューの研究開発は順調に進み、多視点・全方位・同時可視化を実現する専用ライブラリと、それによって生成された多数の全方位可視化動画群をユーザが対話的に解析する専用ビューアの開発も順調に進んだ。
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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
これまでに見出した緩和状態の多くは、磁気エネルギーと運動エネルギーが拮抗し、互いにエネルギーを供給しあう等エネルギー状態である。そこには、流れと磁場がほぼ同じ位置に集中する状態と、球の原点をはさんで反対の位置に集中する状態など、多彩な解があることがわかってきた。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磁場と流れとの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。また最近の研究から構造形成を対称性の減少という観点から見直すという新しい視点を得ることができたのも、球という高い対称性をもつ系を設定した帰結である。総じて当初の問題設定と予想した通りの結果が得られているといえる。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。このうち現在では同期方式を主に活用している。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み、この手法についてこれまでの結果をまとめた論文を査読付き論文として出版することができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究で、MHDダイナモを流れ場の緩和過程とみなす新たな視点を得た。それは、流れの緩和においてヘリシティと運動エネルギーの2つの量のどちらが早く減衰するか、あるいは同じ運動エネルギーをもつ流れの中で、流れの緩和（つまり磁場の増幅）が最も効果的な流れ場はどのようなものであるか、といった疑問を導く視点である。古典的なダイナモ研究の示唆から、流れの緩和が最速となるのはヘリシティが最大の流れとなりそうであるが、時間的に固定した流れ場を想定するキネマティックダイナモとは異なり、ここでは流れ場が（自分自身が作った）磁場によって時間的に大きく変動するためその答えは自明ではない。そこで今年度は、様々なヘリシティ分布をもつ流れ場による緩和（磁場の増幅）を詳細に調べる。また、本研究で開発・活用してきた4次元ストリートビュー可視化手法について、以下2点の改良を行う。(1) 全方位可視化機能の改良:これまではin-situ可視化ライブラリVISMOを用いて多視点・全方位・同時可視化を実現し、その結果得られた動画像群を4次元ストリートビューで解析してきた。ただし全方位可視化画像は実際には一つの視点から6方向で可視化した画像をシミュレーション終了後に融合・生成している。全体の処理時間を短縮するため、この部分を改良し、一視点から一度に全方位画像を生成するようVISMOを改良する。(2) KVSの組み込み:これまでの可視化解析にはVISMOのもつ可視化機能で十分であったが、今年度は、より多機能・高品位な可視化を実現するため、粒子ベースボリュームレンダリングを得意とする汎用可視化フレームワークKVSを用いた多視点・全方位・同時可視化をシミュレーションコードに組み込む。
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