（様式第 20）成果報告書

共同利用（産業利用トライアルユース：先端研究施設共用促進事業 『みんなのスパコン』TSUBAME によるペタスケールへの飛翔） 成果報告書 平成 22 年度 課題種別

素反応過程を考慮した燃焼のシミュレーション技術の開発
Development of Simulation Technology on Combustion Considering Elementary Reaction Process
利用課題責任者

吉田 正典
Masatake Yosida所属

株式会社 爆発研究所
Explosion Research Institute Inc.
http://www.bakuhatsu.jp/
素反応過程を考慮した化学反応計算では、その反応モデルの数に応じて膨大な計算時間がかかる。本課題では、水素と酸素の反応で混合物質が形成される様子をシミュレーションした。シミュレーションソフトウェアとしては、衝撃波や化学反応の解析に実績のある Metacomp 社の汎用流体解析ソルバーCFD++を使用した。その結果、大規模な化学反応モデル（格子数、最大 2500 万）における TSUBAME2.0 での大規模並列計算時の計算スケーラビリティを評価するに至った。
To achieve satisfying results when simulating combustion processes, computationally intensive
reaction models are required, which also take elementary chemical reactions into account. The maintask is to simulate the chemical reaction between oxygen and hydrogen for analyzing how bothmaterials form and behave in the mixture. As for the simulation software, Metacomp Technologies
general purpose fluid dynamics solver CFD++ has been utilized, which is well known for shock
simulations and chemical analysis. The result has been achieved using the TSUBAME 2.0 highly
parallel supercomputer, which can handle large-scale chemical reaction models with up to 25 Million
elements.

Keywords: 燃焼、素反応、大規模数値シミュレーション
背景と目的いるものの、大学・研究所レベルでの研究にとどまって素反応過程を考慮した化学反応計算では、その化学おり、企業におけるシミュレーションのレベルには至って種の数に比例して計算時間が膨大になるという問題点いない。 本プロジェクトでは、一般の汎用性のあるプロがある。今回、化学種 9 種、反応式 20 の化学反応モデグラムを使って、乱流火炎やデトネーションといった高ルを使用して、商用ソフトウェア CFD++の大規模並列計温/高圧火炎をより正確にシミュレートし、幅広い燃焼問算における計算スケーラビリティの評価を行った。

題を解決するための技術を開発することを目的とする。

概要

結果および考察

燃焼現象を数値的に解析する技術は、現状でかなり今回使用した、素反応過程を考慮した化学反応モデ進んでいるが、圧縮性かつ化学反応を伴う現象である

ルは化学種 9、反応数 20 の高圧水素の自着火問題でことを考えると、燃焼現象を的確に捉え、汎用性のあるあり、領域は二次元直方体形状、初期状態は常温空気誰でもが使えるプログラムというのはまだ無い。層流火で満たされており、領域内に高速で水素を流入させるこ炎についてはかなりシミュレートできるが、乱流現象をしとで、内部空気との反応過程、それによって発生する乱っかり把握しなければならない乱流火炎、さらには高速流渦の状況などを再現するものである。格子数としては、火炎であるデトネーションにいたっては化学反応の素過50 万、1000 万、2500 万の 3 種類を用意し、まずは 2500程の圧力依存が最近やっと考慮されるようになってきて万格子での並列計算スケーラビリティの計測を行い、そ（様式第 20）成果報告書の結果を考慮して 1000 万格子での高圧水素の自着火問題の解析を行った。

較ではないことに注意する。
次に格子数 1000 万のモデルに対して長時間の計算計測には 2500 万格子のモデルを使用し、計算ステッを実行した。並列方法は 32node(各 node 当たり 8core

プ数は 50step とした。（一部 500step でも検証行った）使用)、合計 256 並列とした。ジョブは数回に分け、合計TSUBAME2.0 各 node の使用 core 数は 8 とし、並列数70 時間弱のジョブを投入した。以下に可視化結果を示

16 から 512 までの計算を実施した。図 1 にグラフを示す。

す。左側から高圧水素が噴出し、衝撃波が駆動されてClock Time は計算所要時間である。256 並列までは右方向へと伝搬している。上下の壁面から乱れが生じ、CPU Time とほぼ同じような数値を記録したが、512 並列反応が促進され出していることが分かる。

で大きな違いが発生した。これは使用するノード数が多くなるにつれて、計算の前後に発生する node 間の通信5μsなどが無視できない大きさになっているためと考えられる。実際、並列数 16 と並列数 256 を比べると、並列数16 倍に対して、計算効率は 13 倍となっているが、51215μs

図 2 圧力 Contour 、赤：高圧 ⇔ 青：低圧

並列と比較すると、並列数 32 倍に対して、13 倍と計算効率がダウンする結果となっている。つまり今回の化学種 9、反応数 20、格子数 2500 万の化学反応モデルで256 並列を採用することが望ましいことがわかる。
図 3 生成物の変化(H2O)
10μs

15μs

まとめ、今後の課題
素反応過程を含む化学反応モデル（高圧水素の自着火問題）における大規模並列計算に関するスケーラビリティを計測した。その結果、化学種 9、反応数 20、格子数 2500 万のモデルに対して、最大 512 並列までの計算を実行し、そのスケーラビリティを評価した。今回のモ
図 1 2500 万格子モデルの計算スケーラビリティ

デルでは 512 並列以上では効率が下がることが判明しClock

たが、今後、さらに規模の大きいモデルを使用すること

並列数

step 数CPU time

キュー16505435

5400

S96が大幅に大きくなるようなモデル）、より多くの並列数で32502820

2800

S96もスケーラビリティが発揮できる計算を実行できるはずで64502513

2500Sある。また計算の規模が大きくなるにつれて、計算結果

1285013001250

Sの保存に要する時間が増えるため出力タイミングに注25650411300

X意を要することも分かった。特に化学反応モデルでは化51250444200

X

学種の数に応じた出力数となるため注意が必要である。

25650056955500S

実際、2500 万格子の計算では、主要出力データの出512500

3628

3000

S力に約 120 秒を要した。これは 256 並列でいうと 20stepTime

表 1 2500 万格子モデルの計算結果一覧
尚、TSUBAME の運用状況によって、使用するキューが異なるため（表 1 のキュー参照）、全く同じ環境での比で（計算の前後で発生する通信時間よりも CPU Time分の計算時間に値する。
今後は 1024 並列以上の並列計算でスケーラビリティを向上させることが目標としてあげられる。