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Ensemble wind simulations using a mesh-refined lattice Boltzmann method on GPU-accelerated systems

GPUシステムにおける細分化格子ボルツマン法を用いたアンサンブル風況解析

長谷川 雄太  ; 小野寺 直幸; 井戸村 泰宏

Hasegawa, Yuta; Onodera, Naoyuki; Idomura, Yasuhiro

都市域の風況および汚染物質拡散は建造物や植生に強く影響されるため、従来のメソスケールモデルで記述することは困難である。この問題を解決するため、細分化格子ボルツマン法(LBM)を用いたGPUベースのCFDコードの開発を進めており、現在、数メートル解像度の汚染物質拡散のリアルタイム解析を実現している。しかし、このような高解像度のシミュレーションでは流れは極めて強い乱流状態にあり、計算結果は様々な計算条件の影響で大きく変化する。本研究では、このようなカオス状態のシミュレーションにおいて計算の信頼性を向上させるため、アンサンブル計算を実装し、不確かさの統計的評価を可能とした。開発したコードを用いてオクラホマシティにおける野外拡散実験JU2003の検証計算を行った。結果として、風況が実験とよく一致するとともに、トレーサガス濃度の平均値がアンサンブル計算と実験値の間でFactor2の条件(計算値と実験値の比が1/2から2倍の間にあること)を満たすことを確認した。

The wind condition and the plume dispersion in urban areas are strongly affected by buildings and plants, which are hardly described in the conventional mesoscale simulations. To resolve this issue, we developed a GPU-based CFD code using a mesh-refined lattice Boltzmann method (LBM), which enables real-time plume dispersion simulations with a resolution of several meters. However, such high resolution simulations are highly turbulent and the time histories of the results are sensitive to various simulations conditions. In order to improve the reliability of such chaotic simulations, we developed an ensemble simulation approach, which enables a statistical estimation of the uncertainty. We examined the developed code against the field experiment JU2003 in Oklahoma City. In the comparison, the wind conditions showed good agreements, and the average values of the tracer gas concentration satisfied the factor 2 agreements between the ensemble simulation data and the experiment.

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