5th Symposium

学際大規模情報基盤共同利用・共同研究拠点公募型共同研究 平成２５年度採択課題

13-NA30

滝沢寛之 (東北大学大学院 情報科学研究科)

機械工学分野におけるシミュレーション科学の新展開

研究⽬的 機械⼯学分野では様々な数値シミュレーション技術が研究されているにもかかわらず、そのソフトウェア開発技術やスーパーコンピューター利⽤技術が共有されているとは⾔い難い。また、スーパーコンピューターの利⽤技術は近年ますます⾼度化しており、機械⼯学分野の研究者がスーパーコンピューターの演算能⼒を引き出すために要する労⼒は年々増⼤している。本研究の⽬的は、現在上記の理由からスーパーコンピューターの本格的な利⽤に⾄っていない
機械⼯学分野の先進的・萌芽的な数値シミュレーションを対象とし、スーパーコンピューターを有効利⽤した場合の性能向上とさらなる⾼度化・⾼性能化に必要な課題を明確にすることである。

研究計画 スーパーコンピューターの利⽤によってさらなる発展を期待できる機械⼯学分野の数値シミュレーションを選定し、どの程度の⾼度化・⾼性能化を期待できるのかを定量的に評価する。平成25年度前半には研究室で利⽤されている以下の４つの数値シミュレーションをスーパーコンピューターで実⾏してその性能評価を⾏い、研究室のパソコンレベルの計算能⼒からスーパーコンピューターレベルに移⾏することで期待できる研究成果と、それに要する開発コストの⾒積を⾏う。平成25年度後半には、その中でも特に⾼性能化が期待できるプログラムを開発コストも考慮して選別し、東北⼤学サイバーサイエンスセンターのSX-9システム向けに並列化・最適化を⾏って機械⼯学分野での成果に貢献することを計画している。

発電機器の安全・安⼼設計に資する熱流動シミュレーション

プラズマによるナノ粒⼦創製システム

平板境界層の前縁受容性に着⽬した乱流遷移過程の解明

複合材料の破壊に関するマルチスケールシミュレーション

安全性の⾼い発電機器を設計することは、電⼒の安定供給のために必要不可⽋である。発電機器における破壊や損傷に⾄る熱流動を把握し、安全でかつ⾼効率な発電機器を開発するためには、複雑な⾮定常熱流動を数値流体シミュレーションに基づき解明する以外に有効な⼿段がなく、スーパーコンピューターの⾼い演算性能が必要である。
本研究では、計算能⼒の制約から従来困難であったタービン多段流路を通る⾮定常３次元の⼤規模熱流動シミュレーションを、SX-9を⽤いた⼤規模並列計算により実現する。また、タービン効率が向上するタービン翼形状を⾒出すために、翼形状を変化させたパラメトリック計算を実⾏する。
さらに、タービンを通る超臨界流体の流体化学的特性をマルチフィジックス数値シミュレーションにより明らかにする。

境界層の乱流への遷移は、⼀様流中に含まれる外乱が境界層ができはじめる前縁部近傍で境界層内に⼊り込み、下流域で成⻑した結果引き起こされる。⼀般に受容された変動は極めて微⼩なため、実験による計測は不可能で、数値計算による現象の解明が期待されている。しかし、変動の成⻑と組織的な渦構造の発現を捉えるには、⼗分な計算領域と格⼦解像度を確保する必要がある。本テー
マでは、外乱の受容から成⻑、そして乱流遷移に⾄る⼀連の過程をスーパーコンピュータにより再現し、その物理的な機構を解明することを⽬指している。
U∞

今後は15,000個以上で計算

今後
硬化反応シミュレーション
原子数：1415個

引張・圧縮に関するシミュレーション
原子数：11,320個

間欠性（乱流斑点）

層 流y

分⼦シミュレーションによるマトリクス樹脂の機械特性に関する数値シミュレーションを⾏う。
また、複合材の破壊予測を⽬的として、強化繊維（粒⼦）及びマトリクス樹脂からなる微視構造モデル（周期セルモデル）を有限要素解析する。樹脂に損傷⼒学を適⽤することで、マトリクスクラックの発⽣を予測する。

現在

乱 流

遷 移

右図に⽰すように、プラズマ流を⽤いたナノ粒⼦創製プロセスは、原料を瞬時に蒸発させることから始まる。原料の蒸気は移流によりプラズマ末端部へと運ばれ、そこで温度降下に伴う飽和蒸気圧の急激な減少により、過飽和状態に陥る。この状態は不安定であるため原料は気体の状態を保てず、分⼦は衝突しあい核を形成し（均⼀核⽣成）、その核に蒸気が凝縮する（不均⼀凝縮）ことで、ナノメートルスケールの粒⼦が成⻑する。これがナノ粒⼦⽣成の基本的な機構であるが、加えてナノ粒⼦同⼠の衝突・合体（粒⼦間凝集）も粒⼦成⻑過程に寄与する。プラズマ流は、以上のプロセスを⼀つのステップで実現できるため、効率的なナノ粒⼦量産システムとみなすことができる。
しかし、プラズマ流は強い発光を伴う⾼温の電磁熱流体であり、また原料の蒸発過程やナノ粒⼦の形成過程はわずか数ミリ秒の間に完了してしまうため、実測による定量評価は困難を極める。さらにプラズマプロセスにおけるナノ粒⼦群形成過程の詳細なメカニズムは依然として解明されていないため、求められる粒径や組成を持つナノ粒⼦を創製するためにはエンジニアの経験に頼らざるを得ず、加えて莫⼤な時間とコストを要することも問題となっている。
そこで本研究では、上記のような時間・空間ともにマルチスケールかつ複雑な多数の物理プロセスからなるシステムの数理モデルを包括的に構築し、詳細な解析を⾏うことで、ナノ粒⼦群形成機構やプラズマ流の複雑熱流動場との⼲渉現象を解明するのみならず、コンピュータ上で仮想的な実験を低コストで遂⾏する。

不安定（TS波）

安定x5.9×1040

線形安定性理論

3×105

3.5 ~ 5×106( Rex = U∞ x / )
硬化反応後の樹脂
原子数：1415

発達した乱流遷移点

硬化反応後の樹脂をセル内に8個配置

機械特性の評価
原子数：11,320xz
線形２次元

非線形
３次元

乱流斑点
形成・成長

解析例：繊維強化複合材の破壊予測期待される成果 機械⼯学分野の数値シミュレーションの⾼速化⽀援のためには、実⽤的なシミュレーション規模での性能評価が必要不可⽋であり、そのための計算資源が必要不可⽋である。特に萌芽的研究の段階では、並列化を考慮せずにプログラム開発されてきたコードが多いため、SX-9のように⽐較的⼤きな計算ノードで実⾏できるシステムが有⽤である。また、東北⼤学サイバーサイエンスセンターでは、⻑期にわたって継続的に利⽤者のアプリケーションの⾼速化⽀援を⾏ってきた実績がある。本研究においてもこれまで蓄積してきたノウハウを⼗分に活⽤して萌芽的研究を⽀援し、機械⼯学分野での成果につなげる。さらには、本研究を計算科学者と計算機科学者との効率的な連携のモデルケースとし、そのような連携を⽀援する基盤ソフトウェアの開発に向けた課題やその必要要件を探る。
年

199719981999

2000

2001

2002

2003

2004

2005

200620072008

20092010

2011

2012

件数

28891071820816101588136

平均ベクトル化
性能向上⽐

1.946.74.5

2.5

1.6

2.2

6.7

2.9

1.3

2.9

33

9.4

381

47

16.2

19.7

平均並列化性能向上⽐

11.1

18.4

31.7

8.6

4.9

2.8

18.6

4.5

5.3

8.1

1.9

5.1

3.6

48

17.2

15.3

東北⼤学サイバーサイエンスセンターの⾼速化⽀援実績

学際大規模情報基盤共同利用・共同研究拠点 第５回シンポジウム
2013年 7月 11日，12日

THE GRAND HALL （品川）