ものづくりに HPC を活用するためのツールとケーススタディー

計算 工学ナビ・ニュースレター2016 年 秋号

ものづくり分野でHPC が市民権を得るために産業界とのタイアップを通じてクリーンエネルギーの実用化をサポート

東京大学 加藤千幸

東京大学 吉村 忍

VO L .

11

巻頭言

ものづくり分野でHPC が市民権を得るために文部科学省では一昨年度から「京」の次ています。

重点課題⑧『近未来型ものづくりを先導する革新的設計・製造プロセスの開発』
責任者
東京大学生産技術研究所のスパコン、ポスト「京」の開発を開始しこのニュースレターがカバーする主な領ており、2021年頃から本格的に運用を開

域はものづくり分野ですが、それに関連始することが計画されています。ポスト京した重点課題は４つあり（右ページを参は実際のアプリケーションで、最大で京の照）、これらの課題では最先端のスパコン100倍の計算速度を実現することを目標との利用を前提として、アプリケーション計算速度が CPU の性能に単純に比例するしています。ハードウェア、つまり、計算の研究開発が行われています。ところで、としますと、2020年頃には京の時代の50機本体やコンパイラーなどのシステムソフCAD（Computer-Aided Design） や CAE倍から100倍規模が大きな計算を実施した

トウェアの開発と並行して、ポスト京上で（Computer-Aided Engineering） は も のり、あるいは、50分の1から100分の1の数高速に動くアプリケーションソフトウェアづくり分野で当たり前の用語として使わの CPU で同等な計算を実施したりするこ（以下、単にアプリケーション）の研究開

加藤千幸

れており、最近では、ビッグデータや IoTとができます。これが実現できればスーパー発も今年度から本格的に実施されています。 （Internet of Things）という言葉が盛んにコンピューティングや HPCといった言葉がもそのうちの一つに、「ポスト『京』で重点使われています。それに対して、スーパーのづくり分野の一般用語としての地位を確的に取り組むべき社会的・科学的課題に関コ ン ピ ュ ー テ ィ ン グ（Supercomputing）立することが可能になります。ところがそするアプリケーション開発・研究開発」とやハイ・パフォーマンス・コンピューティング

うは問屋が卸してくれません。

いうプロジェクトがあります。長いので、（High-Performance Computing、HPC）

CPU の 性 能 は 年 々 着 実 に 向 上 し て き

通常、ポスト京重点課題とよばれています。

はその手の学会では当たり前の用語になっているのですが、それを使いこなすにはこのプロジェクトでは全部で９つの重点課ていますが、実際のものづくりの現場では高度なチューニングが必要になっていま題が選定されていますが、本号はそのうちまだ市民権を得ているとは言えず、ビッグす。たとえば、インテルの新しいメニーの一つである、重点課題⑥の特集です。重

データや IoT に俄かに先を越された感があ

コ ア CPU は 最 大72個 の コ ア が 搭 載 さ れ

点課題⑥のタイトルは「革新的クリーンエります。ものづくり分野に関連する重点課ますが、演算器はシムド（SIMD、Single

ネルギーシステムの実用化」であり、東京

題には、ポスト京で複雑な現象を解明した

Instruction Multiple Data）演算器といっ大学の吉村忍先生を責任者として実施されり、予測したりすることにより産業上のブて８つのデータに対して一遍に同じ計算をレークスルーを実現することが求め実施します。このとき、レジスタというとプロジェクトのタイムラインられていますが、スーパーコンピューころにデータが準備されていないと計算がRIKEN AICS フラッグシップ2020プロジェクトページより
http://www.aics.riken.jp/fs2020p/

ティングや HPC といった言葉をも実施されず、CPU の性能を発揮することのづくり分野でデビューさせるミッができません。このような計算機ではレジションも担っています。そのためのスタに素早くデータを揃えておくことが鍵

鍵が計算時間の短縮や必要となる計を握りますが、口で言うほど簡単なことで算機の小型化です。

はありません。重点課題⑥と重点課題⑧は2014 年度
2015 年度

2018 年度
2020 年頃

2

基本設計開始（協調設計 :Co-design）

システムとアプリケーションを協調的に開発する方針に基づいて基本設計を開始

詳細設計開始詳細設計と試作のフェーズ。並行してアプリケーションの開発を進める

製造開始

量産を開始する。性能向上に向け、アプリケーションなどの調整を引き続き行う

ポスト「京」の運用開始

社会やサイエンスの課題解決に向け、本格的に運用を開始する

計算工学ナビ Vol.11

少し専門的な話になりますが、京タイプが似ているアプリケーションが多いの CPU の性能は1秒間に1,280億回ため、アプリケーションの開発を連携しての掛け算や足し算をすることができ実施していますが、この関係をさらに強化ます。もちろん、割り算や引き算し、ものづくり分野で HPC やスーパーコもできます。今年の6月にインテルンピューティングが日常的に使われるようが発表した多数の演算コアを搭載になるように尽力したいと考えています。

した新しいメニーコア CPU は京の具体的なアプリケーションの開発やチューCPU の30倍近くの性能を有したもニングの状況についてはまた別の機会に紹のです。仮に、アプリケーションの介したいと思います。

[フラッグシップ 2020 プロジェクト
ポスト「京」で重点的に取り組む９つの課題]

文部科学省が推進するフラッグシップ2020プロジェクトは、新たなスーパーコンピュータ（ポスト「京」）とアプリケーションを開発し、社会が抱える複雑な課題の解決とサイエンスの探求に役立てることを目標としています。９つの重点的に取り組む課題が設定されており、日本の様々な大学・研究機関が活動しています。

健康長寿社会の実現

防災・環境問題

1 革新的創薬基盤の構築

重点課題

2 統合計算生命科学

重点課題

3 統合的予測システムの構築

産業競争力の強化

基礎科学の発展

個別化・予防医療を支援する

地震・津波による複合災害の4

観測ビッグデータを活用した気象と地球環境の予測の高度化

5エネルギーの高効率な創出、変換・貯蔵、利用の新規基盤技術の開発

重点課題

6

革新的クリーンエネルギーシステムの実用化

重点課題

7 新機能デバイス・高性能材料の創成

重点課題

8

近未来型ものづくりを先導する革新的設計・製造プロセスの開発

9

宇宙の基本法則と進化の解明

重点課題

エネルギー問題

生体分子システムの機能制御による重点課題

重点課題

重点課題

次世代の産業を支える

重点課題⑥のサブ課題

A 高圧燃焼・ガス化を伴うエネルギー変換システムB 気液二相流および電極の超大規模解析による燃料電池設計プロセスの高度化

C 高効率風力発電システム構築のための大規模数値解析

D 核融合炉の炉心設計

重点課題⑧のサブ課題

A 設計を革新する多目的設計探査・高速計算技術の研究開発

B リアルタイム・リアルワールド自動車
統合設計システムの研究開発

C 準直接計算技術を活用したターボ機械設計・評価システムの研究開発

D 航空機の設計・運用革新を実現するコア技術の研究開発

E 新材料に対応した高度成形・溶接シミュレータの研究開発

F マルチスケール熱可塑 CFRP 成形シミュレータの研究開発

3計算工学ナビ・レポート

産業界とのタイアップを通じてクリーンエネルギーの実用化をサポート
ポスト「京」で重点的に取り組むべき社会的・科学的課題は９つの分野からなり、その６番目のテーマが「革新的クリーンエネルギーシステムの実用化」です（以下、重点課題６と表記）。この課題の責任者である東京大学の吉村忍教授に、プロジェクトの現状と目標について聞きました。ポスト京で初めて可能となる世界最先端のシミュレーション技術を産業界に提供し、クリーンエネルギーシステムの最適化をサポートする計画です。

東京大学 大学院工学系研究科副研究科長

吉村 忍 教授

なぜ革新的なクリーンエネルギーシステム

どのようなタイアップの形があり得るのか、こうした大規模で複雑な計算はすべてポの開発に最先端のシミュレーション技術と各サブ課題の状況とともに伺っていきます。

スト京レベルのスパコンによって初めて可ポスト京の能力が必要なのでしょうか？

ひとつめのサブ課題 A は、石炭を微粉炭に能となるもので、世界的に見ても最先端のしてから高圧燃焼させてガスにする炉、い事例と言えるでしょう。

我々が研究開発の対象としているのは、わゆる石炭ガス化炉が対象ですね。
このシミュレーション手法が石炭ガス化炉

革新的なシステムではあるけれども、原理の実用化にどう貢献するのでしょうか？

原則から分からないというものではありま実際に稼働する設備を作るためには、ガせん。石炭ガス化炉、燃料電池、洋上風ス化炉や燃焼器全体の高精度なシミュレー車、核融合炉といった、原理原則はもうあションが不可欠です。全体というのはどうる程度わかっていて、実用化の段階にあるいうことかというと、従来のように炉の内ものがターゲット。つまり、実機が対象で部の燃焼流だけを見るのではなく、炉壁や現在対象としている電力中央研究所（電す。それらの開発は小規模なものから始め外部の冷却パイプも含めた熱的なバランス中研）の炉は直径が30cm くらい、高さがられ、試行錯誤を繰り返しながら、長い時をきちんと予測するということです。炉内5m くらいですが、商用発電用の炉はもっ間をかけてここまで来ています。実験的なの温度が高くなりすぎると容器が壊れ、逆とずっと大きく、内部は完全な乱流場です。

アプローチで開発が続けられてきたと言っに低くなりすぎると溶けて底に溜まったス

小規模な炉で予想した結果を線形外挿してていいでしょう。

ラグが固化して目詰まりを起こしますから、も、予測はできません。原理原則に基づい発熱と冷却をうまくバランスさせる運転点たシミュレーションモデルを作って、体系を見つけることが重要です。

が大きくなって非線形性がより強く出てき我々はこれまでのそうした努力を否定するつもりはまったくありません。その上で開発者の皆さんに対して、次のように訴え重要なのは、我々の手法は対象のスケー
ルアップに対応できる点です。

そのためには、炉内の燃焼場と炉壁の界たときにも高い計算能力を使ってそのモデ面における温度条件あるいは熱流束の条件ルのまま解くということができれば、対象この先、本当の実用化の段階を迎えて、を併せて解くことが必須で、今回我々は、のスケールに関わらず正確に予測できます。

世界のあちらこちらに石炭ガス化炉がある燃焼場を解くFFR_comb[1] とADVENTURE

我々がいま進めているのは、電中研炉をとか洋上風力発電ファームが建っているとThermal[2] という固体中の熱伝導を扱う対象にした V&V[4] です。実験データと比いう状況に達するまでには、超えなければコードを、REVOCAP coupler[3] を介して較しながら、我々の手法を実証しています。

ならないギャップがあるはずです。この双方向連成させることで、この問題を解ここれを今後2年間くらいで終えて、技術のギャップを今までと同じような実験的なアうとしています。

有効性を証明し、その次はもっと大型の石かけたいのです。

プローチだけで超えられますか？

あるいまた、底に溜まるスラグは液化していま炭ガス化炉を開発している企業グループやはそれをコストエフェクティブに実現できすので、固体である微粒子と気体である燃国のプロジェクトと連携してしていきたいますか？

もしそのギャップを乗り越える焼ガスに加えて、液体であるスラグも同時と考えています。のが難しいとしたら、我々とタイアップしに捉える必要があります。従来の固気二相てポスト京レベルのシミュレーション技術から固気液三相のシミュレーションに変わサブ課題 B『燃料電池』については、前回を使うことで、一緒に乗り越えませんか？

るわけです。液体の部分の時間オーダーとの取材時点 [ 計算工学ナビ Vol.6] に比べて取り……この最後の問いかけが説得力を持つよ

燃焼場の時間オーダーは随分スケールが違組み内容が豊富になった印象です。

う、サブ課題ごとに準備を進めているのがうので、これをうまくハンドリングするの現在の状況です。

は燃焼系の計算としてはとてもチャレンジングな課題です。

4

計算工学ナビ Vol.11当初の方針は固体高分子形燃料電池（PEFC）と固体酸化物形燃料電池（SOFC）

[1] FrontFlow/red を京都大学、電力中央研究所、数値フローデザインが改良した largeeddy simulation
（LES）
コード
[2] 固体中の定常・非定常熱伝導解析ソフトウエア http://adventure.sys.t.u-tokyo.ac.jp/
jp/download/Thermal.html[3] マルチ力学解析エンジン http://www.cenav.org/library/[4] Verification and Validation ここではおもに計算結果の信頼性を検証する作業のこと[5] フラグメント分子軌道 (ab initio FMO) 法プログラム http://www.cenav.org/abinit_
mp_open/[6] 第一原理電子状態計算プログラム https://azuma.nims.go.jp/cms1[7] FrontFlow/blue 非圧縮流体の非定常流動を高精度に予測可能な汎用流体解析コード
http://www.cenav.org/library/[8] 静弾性・静弾塑性・動弾性・動弾塑性・大変形応力解析ソフトウエア http://adventure.
sys.t.u-tokyo.ac.jp/jp/download/Solid.html[9] National Renewable Energy Laboratory http://www.nrel.gov/[10] 2025年の完成を目指し開発中の国際熱核融合実験炉 https://www.iter.org/［図1］重点課題6のホームページ

下記のＵＲＬで、重点課題６のプロジェクト概要やニュースを読むことができます。

http://postk6.t.u-tokyo.ac.jp/の電極特性をメゾスコーピックなモデルをにも影響します。当然、事業者は正確な予モデルの妥当性を実機ベースで検証し、ポ用いて計算するというものでした。現在測を求めるでしょう。この要求に対して、

スト京にも対応できるスケーラビリティーはそれに加えて、もっとミクロな段階で流 体 場 は FFB[7]、 構 造 側 は ADVENTUREを実現したのちに、産業界や各国の研究グの発電プロセスも対象としています。具solid[8]、双方向連成については REVOCAP

ループとタイアップしていくというストー体的には、PEFC 膜電極接合体（MEA）のcoupler と、３つのソフトウエアを組み合リーは全サブ課題に共通していますね。ひナ ノ 構 造・ 機 能 分 析 を ABINIT-MP[5] とわせて解決する準備をしているところです。

とつ気になったのは、重点課題６が直接対Phase/0[6] を使って行います。これによっ

V&V を行うには、翼構造の詳細なデー象としていない分野の開発者・研究者も、て、電極の特性をマルチスケールで解明し、タと実測値が必要となりますが、そうしたその成果を活用することはできるのでしょ大規模な燃料電池スタックの定量的な解析

情報は風車メーカーと組まないと分かりまうか？

が可能となるでしょう。

せん。現在はアメリカの国立再生可能エネ

他のサブ課題と同様に、ターゲットはあルギー研究所（NREL[9]）が公開しているそれは可能です。なぜなら、我々のソフくまでも実機です。当面は小規模なスタッ5メガワット級モデル風車を対象にモデル

トウエアはオープンソースあるいは商用クを対象にV&Vを重ね、実績を積んだ上で、を検証しています。これを2年間くらい続コードとして入手可能であり、汎用性を第既に自動車用や定置用の燃料電池製品を製けて、きちっとした計算ができることを確一に考慮して開発されているからです。特造しているメーカーに対して、プロセスの認した後に、風車メーカーとのタイアップ定の問題しか解けないようなコードの作り最適化に繋がる新しい知見を提供したいとを実現したいと考えています。風車の業界方はしていません。我々も汎用のコードを考えています。

は国際的な競争が激しくなっていますが、インテグレートして個々の課題に適用して我々の技術が貢献できる余地は大きいはずいるのです。ソフトウエアとシミュレーショです。

ンの手法は他の分野にも展開していけるでサブ課題 C『洋上風力発電』でも流体と構造の連成解析がポイントですね。

しょう。
最後のサブ課題 Dは『核融合炉の炉心設計』

洋上ウインドファームに採用される風車がテーマです。の翼は片側だけで60〜70m という巨大なもちろん、ポスト京クラスの計算資源を誰もが使えるようになるのは、まだ先の話ですね。だからといって、オールオアナッものです。このくらい大きくなると、風を炉心プラズマの乱流現象や磁気流体現象シングと捉えるのではなく、現行の計算機受けて回った時に、翼の先端は3m から4mの5次元第一原理計算はポスト京によってを使っても、精度を少し落とすとか、計算たわみます。しかも、翼は異方性材料でで初めて可能となる極めてチャレンジングな時間を長くかけるといったことをすれば、きているため、その振動モードはかなり複課題です。これを世界に先駆けて実現したエンジニアリング的に有用な答えは得られ雑です。さらに、風車の揺れとタワーの揺い。

ます。

れは双方向で影響しあいます。流体場のなターゲットは ITER[10] です。核融合の発今後しばらくは、我々が先行してポストかに構造が置かれたことによって流体が乱生条件を満たす運転ができるかどうかを実

京レベルのシミュレーション技術を開発しれ、それに起因する振動成分などによって証するために、シミュレーションの面でサていきますが、すぐに成果は研究者のコミュ異常振動が起きることもあるので、翼の特ポートしていくのが我々の役割です。各国

ニティーにフィードバックされ、コミュニ性をちゃんとモデル化しつつ、流体と構造でプラズマのシミュレーション研究を行っティーを通じて産業界に浸透していくことの相互作用をきちんと計算する必要がありているグループとも協調したり競争したりでしょう。

ます。

しながら、開発を進めていきます。

風車の揺れ方は発電性能に影響し、強度5

計算工学ナビ・レポート

文部科学省フラッグシップ2020プロジェクト・重点課題６を構成する４つのサブ課題について概要をまとめました。各サブ課題は、革新的なクリーンエネルギーシステムの開発に寄与するという社会的・産業的な意義と、ポスト京で世界最先端のシミュレーションを実現するという計算科学的な意義の双方を満たすよう設定されています。どれも実現すれば世界初となるような「スーパーシミュレーション」と言えるでしょう。
出典 : ポスト「京」重点課題６ホームページ (http://postk6.t.u-tokyo.ac.jp/)

サブ課題Ａ高圧燃焼・ガス化を伴うエネルギー変換システム

火力発電エネルギーを作り出すシステムの主要部である燃焼器およ [ 図1] ポスト京で開発するアプリケーションシステム
びガス化炉の内部では、液体燃料や固体燃料の気流への分散・蒸発（揮界面での熱伝達連成評価発）、燃料と酸化剤の乱流混合、発熱反応、輻射、壁面伝熱など、様々な素過程が同時かつ相互に影響を及ぼし合いながら起こっています。 ソフトウエア：REVOCAP（FFR/ADVENTURE̲Thermal 冷却一次元コード）
このような非常に複雑で強い非線形性を有するシステムでは、実験
熱流動 / 構造伝熱 / 冷却現象間 (３現象 ) の室での小規模実験から、実規模に近い実証試験、さらに実機（商業炉） 連成解析の高度化へとスケールアップするプロセスにおいて、しばしば前段階で適正複雑熱流動評価化した設計パラメータや稼働条件ではうまく動作しないということ
ソフトウエア：FFRが起こり、このことが開発コストの増大と実用化を遅らせる大きな燃焼・ガス化、粒子追跡モデルの高度化
灰熔融 ( 固気液三相 ) モデルの開発、高度化
要因の１つとなっています。今後、大規模数値シミュレーションにより、燃焼器やガス化炉の内部現象の解明や高精度予測が可能となり、冷却システム➡
新しいシステムの開発コストの低減や実用化への期間短縮が実現す石炭ると期待できます。
【計算科学としての革新性】
・実機実圧（～数十気圧）に対する燃焼・ガス化反応モデルの高精度化・
高速化
・気相、液相、分散粒子相、三相の同時解析モデルの実装
・灰の壁面付着、溶解メカニズムの解明とモデリング
・実機の燃焼系計算と炉容器の熱伝導計算及び非線形損傷解析の双方向連成シミュレーション

サブ課題 B

高温構造健全性評価

ソフトウエア：ADVENTURE̲Solid
高温高圧極限環境での非弾性材料
挙動・損傷評価

気液二相流および電極の超大規模解析による燃料電池設計プロセスの高度化

1.1

100

1.0

900.9

800.8

700.7

600.6

500.5

400.4300.3

200.20.1

Power Density / kW

Cell Voltage / V

燃料電池は、微細なスケールでの現象とマクロなスケールの現象と [ 図2] PEFC における課題解決のアプローチ
マクロ〜メゾスケール解析が連成する大変複雑なシステムであり、その設計を高度化すること
全体シミュレータ
物質輸送＋電気化学反応解析 大規模気液二相流動解析は容易ではありません。例えば、PEFC では、酸素供給と水の排出スケール 100 〜 101 μm
スケール 10-1 〜 102 mm スケール 102 mmが適切に行われないとセルの一部が有効に機能せず性能低下が発生
電極特性予測、微細構造観察
水滴挙動観察（可視化技術）します。これを解決するためには、気液二相流を適切に制御しなければなりませんが、微細な気液界面とマクロな流動様式を同時に予測しなければ精度の高い設計はできません。また、電極反応は触媒・アイオノマー・担体が空間的に複雑に配置された膜電極接合体 (MEA)
セル・電極構造、二相流動モデルの高度化：セル構造・作動条内で生じますが、その構造やその中での輸送現象は原子レベルから作動条件の最適化
件に対する液水滞留、圧損増加、界面液水被覆率解像しなければ明らかにすることはできません。
による性能向上
発電モデルの高度化：MEA 基本特性モデル
赤 : 現状（電極構造・材料物性入力）
一方、SOFC においても、電極内の輸送現象と微細に分散する三相
青 : 高性能化
界面の空間的な情報を同時に取り扱うことが、電極の高性能化と高トップダウン ( 解析的 )ボトムアップ ( 予測的 )信頼性化へは必須となっています。これらは、大規模数値シミュレー
高性能化に向けた構造・構造・物質輸送パラメータ
物質輸送パラメータの条件提示のバルクと界面の相違、等ションによって初めて実現できるものであり、燃料電池スタックや電極の設計技術の高度化に大きく貢献できると期待されます。
量子力学計算 (TB-MD/ 古典 MD/ 第一原理分子動力学
100.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.00➡

【計算科学としての革新性】
・サブミリメートルの液滴からマニホールド内のマクロな気液二相流動の一体解析
・気相、液相、分散粒子相、三相の同時解析モデルの実装
・10nm 程度の解像度を有する電極有効反応場の全域シミュレーション

粗視化 MD の統合によるマルチスケールシミュレーション )スケール 100 〜 102 nm➡

Current Density / A cm-2

スケール 100 〜 101 nm

MEA 界面構造と物性・機能の相関関係の把握

MEA 界面特有の界面構造解析（バルク膜構造との相違）

SOFC については下記 URL を参照してください
http://postk6.t.u-tokyo.ac.jp/research/sub_b.html

6

計算工学ナビ Vol.11

メゾ〜ミクロスケール解析

サブ課題 C

高効率風力発電システム構築のための大規模数値解析

洋上風車に使用される風車は直径が100m 以上あります。これらの大 [ 図3] ポスト京で開発するアプリケーションシステム型の風車が海洋上に数 km の範囲に設置されます。このような大規模
洋上風車性能評価統合システム
高速化・最適設計対応な流れを実験室で模擬することは非常に難しく、その一方で実際にWindFarm
LANS3D作ってみて、性能が出なかったら作り直すというわけにはいきません。 FFB-ADVENTURE、RIAM-COMPACT、 プラズマアクチュエータ等の先進流体制御
LANS3D の特色を活かした大規模空力連技術を組み込んだ大規模乱流解析
また、気象の影響を受けるため、性能を正確に評価するには様々な成システムによるマルチスケール解析ソフトの開発条件における解析を行う必要があります。このような複雑な条件下にある洋上ウィンドファームの性能評価、寿命評価を行うには、計算科学による支援が必須となります。

➡

高速化・大規模連成
FFB-ADVENTURE

プラズマアクチュエー
タによる風車周りの流れの制御

大規模化・後流干渉
RIAM-COMPACT(HPC)

・1000 億規模大規模乱流解析
・洋上風力解析との連成解析による風車実機の解析
・空力構造連成解析（寿命評価）

5 〜 10 メガワット風車の解析（図は小型風車の解析事例）

流れ場の制御技術の高度化➡

サブ課題 D

統合システム化➡

【計算科学としての革新性】
コンピュータを用いて流れ場や振動を計算する場合、全体を小さな要素に分けて（離散化）、各時刻における物理量を求めていきます。
このとき、要素の大きさや時間刻みは物理現象ごとに異なります。
洋上風車は翼面の小さな渦（直径1mm 以下、特性時間 : ミリ秒）からブレードの後方にできる渦（直径数10cm、特性時間 : 秒）、風車全体の渦（直径数10m、特性時間 : 分）、気象条件に依存する流れ（直径数100m から数 km、特性時間 : 分から数日）など、取り扱う渦の大きさや時間スケールが多岐にわたります。このようなマルチスケールの現象を計算科学として取り扱うための工夫が必要となります。
また、振動と流れ場を同時に解析するための連成解析技術をマルチスケールで実施するための技術が必要となります。

・洋上流れ解析及び洋上風況マップの作成
・複雑地形での評価
風況マップ
湾内の流れ解析

複雑地形における風車周りの流れ場の評価

構造解析による応力評価

核融合炉の炉心設計

核融合炉心プラズマ解析の標準的アプローチとなっている5次元第一 [ 図4] ポスト京で開発するアプリケーションシステム
原理モデルに基づく国際競争力の高い国産核燃焼プラズマ解析コー
局所的乱流輸送解析
ドを開発し、ポスト「京」において ITER 炉心運転条件の最適化を目
核融合プラズマの 5 次元第一原理計算
GKV [Watanabe,NF2006]
指します。開発コードを国内の実験研究者に普及し、ITER 実験提案
イオン・電子スケール乱流の第一原理計算による定常炉心における乱流輸送係数の系等に活用することによって、ITER 計画における我が国の優位性を高め、統的評価
v
ITER 計画への投資効果を最大化することが可能になると期待されま
JT-60
す。
v
//

【計算科学としての革新性】
ITER 炉心プラズマの5次元第一原理計算を実現するには、ポスト「京」の性能をフル活用するメニーコア最適化等の計算機技術、先進的な省通信アルゴリズムや時間積分スキーム等の応用数学、マルチスケー
ル現象を効率的に記述する物理モデルといった計算機科学からプラズマ物理に及ぶ最先端の知見を複合した研究開発が必要不可欠です。
本課題では幅広い分野の専門家の協業体制を構築して研究開発を推進します。

zyv

xLHDv//

大域的乱流輸送解析
GT5D [Idomura,NF2009]

イオンスケール乱流の第一原理計算による閉じ込め時間比例則の評価、非定常炉心の数値実験
大域的モデルによるイオン系乱流の長時間スケール解析例

大型実験における乱流輸送の解析例

α粒子駆動 MHD 解析
MEGA [Todo,POP1998]

α粒子駆動 MHD 現象の粒子・流体ハイブリッド計算によるα粒子輸送の評価
高エネルギー粒子駆動
MHD 現象の解析例
MHD 現象の実空間構造

速度空間の粒子分布

7

①

③④

②

今号の表紙

フラッグシップ2020プロジェクト・重点課題６のサブ課題①固体高分子形燃料電池のマクロ〜メゾスケール解析
労寿命解析システム②風車の設置・疲③石炭ガス化炉の燃焼シミュレーション④国際熱核融合実験炉（ITER）

編集後記

本誌はフラッグシップ2020プロジェクトで設定されている９つの重点課
題のうち、ものづくりに関連する２つの分野（６と８）を紹介しています。
プロジェクトの全貌については、理化学研究所計算科学研究機構が提供している下記のページに詳しくまとめられています。（F）
http://www.aics.riken.jp/fs2020p/

計算工学ナビ オフィシャルサイト

本誌の PDF 版やソフトウェアライブラリ、ニュースなどのコンテンツを提供している Web サイトは下記の URL からアクセスできます

http://www.cenav.org/

計算工学ナビ Vol.11
発行日： 2016年9月30日
発

行： 東京大学生産技術研究所
革新的シミュレーション研究センター〒153-8505 東京都目黒区駒場4-6-1
office@ciss.iis.u-tokyo.ac.jp