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論文

代数的多重格子法による超伝導Ginzburg-Landau方程式の解法

佐々 成正; 山田 進; 町田 昌彦; 荒川 忠一*

日本計算工学会論文集, 7, p.83 - 87, 2005/05

近年、幾何学的多重格子法(GMG)を改良した代数的多重格子法(AMG)が大規模連立一次方程式に対する高速ソルバーとして注目されている。われわれは磁場中での超伝導状態を記述するギンツブルグ-ランダウ方程式にこのAMGを適用して数値シミュレーションの高速化を行った。磁場中での問題であること、及び複雑な境界条件下での扱いが必要となるため、GMGではなくAMGの適用が必要不可欠である。本研究では、従来この問題の解法として用いられてきた共役勾配法とAMGの計算効率における比較によって、AMGの優位性を示した。

論文

共有分散メモリ型並列計算機における新規通信手法

山田 進; 今村 俊幸*; 町田 昌彦; 荒川 忠一*

日本計算工学会論文集, 7, p.243 - 252, 2005/05

ほとんどすべての並列計算機では、データの通信にMPIライブラリを使用する。このMPIには通信処理と演算処理を同時に実行し、通信時間を隠蔽することができる通信命令が用意されている。しかしながら、実際に2つの処理が同時に実行できるかどうかは、計算機のハードウエアの機能やMPIの実装方法に依存しており、多くの計算機で同時に実行することが不可能である。そこで、本研究では共有分散メモリ型並列計算機のノード内並列機能とMPIを組合せて通信処理と演算処理を同時に行う方法を提案した。この方法は単純なプログラムの修正で実現できる。サンプルプログラムに提案方法を適用し、地球シミュレータ,日立SR8000,Compaq AlphaServer上で実行したところ、実際に通信と演算を同時に実行することが確認でき、最大で約1.8倍の高速化が実現できた。また、通信量の多い物理問題(ハミルトニアン行列の対角化)に適用し、地球シミュレータで実行したところ、約1.6倍の高速化が達成できた。

論文

Branching mechanism of intergranular crack propagation in three dimensions

板倉 充洋; 蕪木 英雄; 荒川 忠一

Physical Review E, 71(5), p.055102_1 - 055102_4, 2005/05

 被引用回数:8 パーセンタイル:56.44(Physics, Fluids & Plasmas)

遅く進展する三次元の粒界割れ現象について、メゾスケールの有限要素法モデルを新たに構築しシミュレーションを行った。その結果、粒界の幾何学的なランダムネスによって亀裂先端の一部が進展を阻害され、その部分を迂回する過程で亀裂に分岐ができる三次元に独特なメカニズムを発見した。またより一般的な連続空間での亀裂進展現象においても同様なメカニズムによって亀裂の分岐が生じる可能性を指摘した。

論文

Bubble dynamics in the thermal shock problem of the liquid metal target

石倉 修一*; 粉川 広行; 二川 正敏; 菊地 賢司; 日野 竜太郎; 荒川 忠一

Journal of Nuclear Materials, 318, p.113 - 121, 2003/05

 被引用回数:12 パーセンタイル:33.27

出力1MW,パルス幅1$$mu$$sの陽子ビームが入射した時に水銀ターゲット容器に発生する熱衝撃応力を解析した。初期圧52MPaが水銀中を伝播することにより61MPaの最大負圧を生じる。この負圧の発生によりキャビテーションの生成が予想される。そこで、キャビテーションの挙動を調べるために、単一バブルに対してバブル動力学から導かれる運動方程式のシミュレーションを行い、パラメータ解析を実施した結果、ターゲット容器ウィンドウ部の圧力が変化することによりバブルが1000倍以上に膨張することがわかった。その結果、波動伝播に影響を与えることになるが、バブル液体の状態方程式は多項式近似が可能である。また、静的・動的試験により液体の臨界圧力,音速,共振周波数を測定することにより、水銀中に内在するバブルの半径や体積率の判定が可能となることが示唆された。

論文

AMGによる偏微分方程式の解法

佐々 成正; 町田 昌彦; 山田 進; 荒川 忠一

計算工学講演会論文集, 8(2), p.757 - 758, 2003/05

低温,磁場中での超伝導状態を記述するギンツブルグーランダウ方程式に代数的マルチグリッド(AMG)を適用し、数値シミュレーションを行った。AMGを用いる利点は主に次の2点である。まず、AMGを用いると大規模な問題が効率良く解けること。さらに、幾何学的マルチグリッドとは異なり、境界条件が複雑な場合でも適用可能であることが挙げられる。現実のシステムでは複雑な形状下でのシミュレーションを行わなくてはならないため、AMGの適用が不可欠である。これまでの研究では静的なギンツブルグーランダウ方程式の解法として最急降下法やCG法などの緩和法が数多く用いられてきた。本研究ではAMGと緩和法の計算効率についての比較をおこない、特定のパラメータ領域でAMGの優位性を示した。

論文

並列分子動力学ステンシルの開発

清水 大志; 君塚 肇*; 蕪木 英雄; 荒川 忠一*

計算工学講演会論文集, 7(1), p.163 - 166, 2002/05

分子動力学法は現実の物質系をミクロなレベルからシミュレーションする手法であり、ニュートンの運動方程式を直接決定論的に数値積分することにより、系の静的な特性とともに動的な特性を求めることができる。分子動力学法シミュレーションにおいて最も計算時間を要する部分は一般的に原子間の相互作用の計算であり、大規模なシミュレーションを行なうには相互作用のカットオフにより計算コストを減らす高速化手法を用いることが必要である。また、今日では計算の高速化や大容量のメモリを確保するのに並列計算が有効である。われわれは、並列化やカットオフによる高速化などのシミュレーション手法を記述するプログラムの機能単位を切り分け、これらを再構成することにより並列分子動力学ステンシルを開発した。並列分子動力学ステンシルを利用すると、並列化手法及びカットオフによる高速化手法について意識することなくプログラミングを行なうことが可能である。本論文では、並列分子動力学ステンシルの設計及び性能について報告する。

論文

AMG(Algebraic Multi Grid)による超伝導Ginzburg-Landau方程式の解法

佐々 成正; 町田 昌彦; 山田 進; 荒川 忠一

計算工学講演会論文集, 7(1), p.171 - 172, 2002/05

代数的マルチグリッド(AMG)を低温,磁場中での超伝導状態を記述するギンツブルグ-ランダウ方程式に適用し、これを数値的に解いた。AMGを用いる利点は主に次の2点である。まず、AMGを用いると大規模な連立1次方程式系を効率良く解けること。さらに幾何的マルチグリッドとは異なり、境界条件が複雑な場合にでも適用可能であることが挙げられる。現実のシステムでは複雑な形状下でのシミュレーションを行なわなければならないから、AMGの使用が不可欠である。通常ギンツブルグ-ランダウ方程式は緩和法で解かれることが多いが、AMGを使った方法の方が計算効率が良いことがわかった。

論文

スーパーカミオカンデの光増倍管破損事故の解析

後藤 記一*; 今井 隆太*; 荒川 忠一

計算工学講演会論文集, 7(1), p.47 - 48, 2002/05

スーパーカミオカンデで起きた光増倍管連鎖破壊事故をモデルケースとして使用し、液体中の圧縮波の振る舞いを熱流体解析市販コードであるSTAR-CDを用いてシミュレーションした。光増倍管9本を、4気圧に加圧した水中に3行3列の正方形状に底面上に配置する。そして、中央の1本を破壊した場合に発生する圧縮波の様子を観察した。中央の増倍管からは、破壊に伴ない、初めは液体の膨張による負圧が発生し、続いて強い正圧が発生した。これらは波動現象としてほぼ音速で拡散していった。増倍管間に放出された圧縮波は、底面や隣接増倍管かからの反射により自己相殺を起こし、この第一波により極端な高圧に晒されることは無かった。しかし、増倍管間の空間は比較的に閉ざされた空間であったため、0.5msほどの遅延を持って液体の流入が発生した。そして、その流れ込み結果として高圧が発生し、その圧力は最大で20気圧ほどとなった。また、中央増倍管の破壊速度を遅くすると、この高圧は発生しないことがわかった。

論文

並列分子動力学ステンシルの開発

清水 大志; 君塚 肇*; 蕪木 英雄; 荒川 忠一*

日本計算工学会論文集, 4, p.225 - 230, 2002/04

分子動力学法(MD)シミュレーションにおいて最も計算時間を要する部分は一般的に原子間の相互作用の計算である。各原子に作用する力を単純なアルゴリズムで計算するとペアを検索するコストが対象とする系の原子数の2乗に比例することから、短距離力の系について大規模なシミュレーションを行なう際は、粒子間に作用する力にカットオフを設定して計算コストを減らすカットオフ手法を用いることが必須となっている。また、計算の高速化や大容量のメモリを確保するのに並列計算が有効である。われわれは並列化などのシミュレーション手法の記述と系の性質の記述が分離した、見通しの良いプログラムを作成する枠組みとして並列分子動力学ステンシルを開発した。並列分子動力学ステンシルは、原子間相互作用を計算するプログラムを対象となる系の性質(モデル)の記述のみとなることを実現している。

論文

水銀ターゲットの流体構造連成解析コードの開発,1

今井 隆太*; 荒川 忠一*; 小林 謙一*; 日野 竜太郎; 石倉 修一*; 粉川 広行; 寺田 敦彦*; 羽賀 勝洋; 渡辺 正

第14回数値流体力学シンポジウム講演要旨集, p.C10_1_1 - C10_1_14, 2000/00

日本原子力研究所と高エネルギー加速器機構では、大強度陽子加速器計画が共同で推進され、水銀ターゲットの開発が計画されている。そこで、水銀ターゲットシミュレータの研究開発が始まった。本発表では、水銀ターゲットの内部で生じる主な物理現象とそれをシミュレートするときの課題を検討し、連成解析コードのシステム設計と個別コードの概要及び検証計算結果を報告する。連成解析の設計では、弱連成の適用方法を報告する。インターフェイスコードでは、ドイツの研究機関の開発しているソフトウェアの有効性を報告する。構造コードでは、原研が独自に開発している自前コードを紹介し、商用コードとの比較を行う。検証として、キャビテーション発生試験を対象とした圧力波伝播解析を行い、独自コードの信頼性を確認できたことを報告する。

論文

水銀ターゲットの流体構造連成解析コードの開発,2

小林 謙一*; 荒川 忠一*; 今井 隆太*; 日野 竜太郎; 石倉 修一*; 粉川 広行; 寺田 敦彦*; 羽賀 勝洋; 渡辺 正

第14回数値流体力学シンポジウム講演要旨集, p.C10_2_1 - C10_2_3, 2000/00

水銀ターゲット設計に必要なデータを収集するため、計算科学技術推進センターと中性子科学研究センターは共同で水銀の流動と容器変形の相互作用を考慮した流体構造連成コードを開発している。本発表では、流体コードについて発表する。今回、キャビテーション崩壊に伴う容器壁面の腐食を壁境界条件に組み込み、その影響について調べた。

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