Expanding Slice Grid 機能付き粒子法による高詳細な建物内部への津波浸水解析
浅井光輝（九州大・工）西浦 泰介（海洋開発研究機構）古市Mitsuteru ASAI, Kyushu University
Daisuke NISHIURA, JAMSTEC
Mikito FURUICHI, JAMSTEC

幹人（海洋開発研究機構）

The Tsunami caused by the 2011 Tohoku Earthquake caused tremendous damage. We should prepare
carefully for future huge earthquakes such as the Nankai trough earthquake in order to prevent damages fromthese earthquakes and tsunamis. Due to future tsunami disaster prevention planning, it is strongly desired asimulation tool that accurately predicts possible damage level for structures and human resources in theinundation area. To achieve the goal, we proceeded the development of large scale tsunami run up simulation
using 3-dimensional particle method, which is capable for accurate prediction of large scale inundation area.
In this report, a high fidelity tsunami run-up model in the part of Fukushima nuclear power plant, which canresolve the inside of structure of the power plant, is simulated using the expanding slice grid method.
1. はじめに
東日本大震災では観測史上最大の大津波が発生し，東北地方の沿岸部を中心に，甚大かつ広域的な被害をもたらした．最大クラスを想定した災害への備えが不十分であったことが指摘されており，想定し得る最大規模の浸水等へ対策の措置が講じられている．減災のためには，津波による沿岸地域への安全性・危険性を把握することが重要であり，特にソフト防災の一環として行う津波防災地域づくりにおいては，浸水域が的確に推定できる手法が必要とされている．本研究では，可能な限り正確に津波被害を想定するための，特に遡上後の建物内部への浸水までを含む津波解析手法を開発することを目的とし，詳細は粒子モデルを生成し，九州大学スパコン Ito の全ノードで解析することを試みた．なお 2019 年度後期は前期からの継続課題であり，計算効率の計測結果を主に報告する．
解析手法は 2019 年度前期の報告書と同一であるため，本報告では省略する．

2．解析対象本研究では建物内部への浸水解析を行う事を目的に，2011 年東日本大震災による津波で浸水した福島第一原子力発電所を解析対象として設定し，1 号機建屋内部の浸水解析を行った．対象モデルの大きさは Fig. 1 に示すように326m × 537m と設定した．建屋内部の構造までを詳細にモデル化するため，粒子間隔は 30 ㎝が必要最低限となる．
建屋内部の詳細図は Fig. 2 に示す．このときの粒子数及び解析条件をまとめて Table.1 に示す．このときの総粒子数は約 5000 万粒子（津波の流入を始めると 1 億以上の粒子）である．先端的計算科学技術プロジェクトではさらに大規模な問題を設定するため，粒子間隔を 10 ㎝にした詳細な解析モデルを作成した．これは初期で総粒子数が 4 億以上，浸水まで解析すると 10 億近くの粒子数となる．
このモデルを九州大学スパコン Ito システム A の全 2000 ノードを使用し，半数の 1000 ノード使用時の場合と計算時間を比較検討した．
Table 1. 各粒子モデルの総粒子数の遷移粒子数

Fig. 1 福島原発第 1 建屋モデル

stair

inflow

Fig.2 建屋内部構造

0step

20000step

粒子径10cm

421,174,518

580,021,015

粒子径30cm

53,772,55654,258,827

3．計算時間の比較検討
本解析モデルでは，遡上現象だけでなく建屋の内部への浸水までを含んだ高詳細なモデルであり，建屋へ浸水した水は地下まで浸水する複雑な現象を解いている．安定化
EISPH 法により計算負荷を低減したアルゴリズムを用い，さらには拡張スライスグリッドによる動的負荷分散技術を併用することで，約 1 億粒子モデル程度であれば 50 ノード程度の計算資源での解析を可能である．30 ㎝モデルは京都大学のスパコン Camphor2 で事前に解析したものであり，2019 年度の先端的計算科学プロジェクトで 10 ㎝モデルの５億粒子以上の解析モデルを使い，計算速度を比較検討した．2 万時間ステップまでの計算時間を Fig.3 に示す．同図では，1 粒子あたりの計算時間を示している．図中のito2000node, ito1000node が 10 ㎝モデル(4 億粒子以上)の結果出あり, kyoto50node が 30 ㎝モデル(5000 万粒子以上)を使った計算計算時間である．詳細な粒子数は Table1 に示す．
本解析では，沖側から津波を流入させているため，解析の進行につれて水粒子を追加しており，また浸水に伴い解析に必要となる壁粒子も増加していく解析である．

まず，ito2000node と ito1000node の比較より同じ計算機環境，同じ計算モデルの計算効率を比較する．この結果，計算資源を倍使っている 2000node の計算時間の計測結果の方が遅い結果となった．これは粒子数の割に領域数を多く設定してしまったため，無駄に通信にさく時間を増加させてしまったためであり，問題設定が悪かったための結果である．(決められた時間内に広範囲な津波遡上現象を解きたいとの思いから，粒子数を抑えたことが仇となった．)
ここで注目していただきたいのは ito1000node の結果である．計算に使った粒子は 4 億から 5 億以上まで増加しているが，動的負荷分散が効いた結果，逆に計算スピードが増加している．20 000step での計算時間は kyoto50node と比較し，約 3 倍程度高速になっている．両者は粒子数が異なる問題のため単純な比較はできないが，粒子数が約 10 倍の問題を 20 倍の計算資源を使っているため，2 倍の高速化が理想的な並列化効率である．これに対し，理想値以上の 3倍程度の高速化が実現しているのは，各計算ノードの担当粒子数の違いから得られたものと考察している．今後は無駄に計算ノード数を増やすのではなく，計算効率が最適となる計算ノード数を事前に見積もり，必要な計算ノード数のみを使った長時間の解析を実施することで，対象とする長時間の津波遡上現象の解析を実現していきたい．

1粒子当たりの計算時間 (s)8.00E-06
ito 2000node
kyoto 50node

ito 1000node

6.00E-06

4.00E-06

2.00E-06

0.00E+00
05000

10000

15000

20000

STEP

Fig. 3

1 粒子当たりの計算時間の推移

25000