2012 Fiscal Year Annual Research Report
乱流混合と雲マイクロ物理素過程の大規模並列数値計算による解明
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24360068
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Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Research Institution | Nagoya Institute of Technology |
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Principal Investigator |
後藤 俊幸 名古屋工業大学, 大学院・工学研究科, 教授 (70162154)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
渡邊 威 名古屋工業大学, 工学研究科, 准教授 (30345946)
三浦 英昭 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (40280599)
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| Project Period (FY) |
2012-04-01 – 2015-03-31
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| Keywords | 乱流 / スカラー輸送 / スペクトル / 雲マイクロ物理 / 大規模並列計算 / MPI / ハイブリッドコード / 雲粒子 |
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| Research Abstract |
非圧縮流体部分に3次元FFTによるスペクトル法、スカラー輸送部分に結合コンパクト差分法を用いた乱流スカラー輸送ハイブリッドコード(MPIによる並列化のみ)を、MPIとOpenMPを併用したハイブリッド並列コードに変更し、名古屋大学のFujitsuFX1で約3倍以上の高速化を達成した。このコードを用いて、格子点数N=20483で高シュミット数(Sc=1000,Rλ=42,Peλ=1200)の場合について、巨視的渦回転時間で70以上というこれまで誰も行うことができなかった長時間積分を実行して高精度のスカラー揺らぎの分散スペクトルを得た。統計理論による漸近的スペクトル形k-lexp(-B(k/kB))を確認し、普遍定数であるバチェラー定数CB=5-7を求めた。Yeungらの計算値よりも約15%大きいことがわかった。また、遠散逸領域でのスペクトルの指数的減衰は速度場の間欠性、特にストレイン場の負の固有値の非正規分布性によることを明らかにした。
極めて多数の雲粒子を乱流中に分散させ、これらと乱流との相互作用を解析する2種類のコードを完成させた。1つは連続体部分をすべてスペクトル法で解くもの、今一つは連続体部分に乱流ハイブリッドコードを用いるものである。両者の結果は良く一致し、計算結果の信頼性を確認することができた。スペクトルコードを用いて約1m3内の雲粒子と乱流輸送現象を最大格子点数N=1024へRλ=252,雲粒子数約1億3千万個の巨大シミュレーションを行った。現在、データを解析中であるが、高波数側で乱流と雲粒子の相互作用が浮力を通じて始まり、それが時間とともに低波数側に広がっていくこと、これに付随して鉛直軸方向の非等方性(軸対称性)も次第に成長することを確認した。そのほか、平均雲粒子半径の増大、雲粒子半径分布の時間変化など興味のある物理量が多く計算された。また、雲粒子コードを応用して、乱流中の高分子の影響を解析することにも成功した。その結果、弾性乱流の遠散逸領域で乱流のエネルギースペクトルにべき法則が見出されることがわかった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
乱流スカラー輸送ハイブリッドコードの高度並列化が達成できたこと、これにより高シュミット数でのスカラー分散ゆらぎのスペクトルを解析できたこと、スペクトルおよびハイブリッドコードによる雲マイクロ物理シミュレータを構成できたこと、そしてこれにより雲マイクロ物理過程の大規模シミュレーションが行えるようになったこと、さらには乱流と高分子との相互作用問題にも応用できるようになったことによる。
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| Strategy for Future Research Activity |
雲マイクロ物理シミュレータのうち、雲粒子部分をMPI+OpenMPにより高速化すること、雲粒子衝突過程を導入すること、高解像度の乱流スカラー輸送を実行すること。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
直近のスーパーコンピュータTop500の動向を念頭に、高解像度シミュレーションの高速化実行へのGPGPU等アクセラレータの利用を検討する。このためにGPGPUカード、コンパイラー等を購入、テスト環境を整える。
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