A Semi-implicit weakly compressible solver for gas-liquid two-phase flows

杉原 健太; 小野寺 直幸*; 井戸村 泰宏; Sitompul, Y.; 山下 晋

Journal of Computational Physics, 547, p.114534_1 - 114534_25, 2026/02

https://doi.org/10.1016/j.jcp.2025.114534

We propose a new gas-liquid two-phase fluid calculation method that improves computational efficiency compared with the conventional incompressible method (Incompressible). The methods are called the semi-implicit compressible method (SI-C) and the semi-implicit weakly compressible method (SI-WC). SI-C improves the convergence of the iterative solver by computing the pressure Poisson-type equation derived from the compressible fluid equation. In SI-WC, the number of iterations can be further reduced by computing a weakly compressible Poisson-type equation that uses an artificial sound speed controlled by the Mach number. The validity of the proposed method was verified by dam breaking problems and bubbly flow analysis, and comparative verification showed that compared to Incompressible, SI-C and SI-WC accelerate the pressure Poisson-type equation solver by a factor of two and four, respectively, while achieving almost the same solutions.

Extension of particle-based in-situ visualization for multipoint VR visualization

河村 拓馬; 下村 和也; 尾崎 司*; 井戸村 泰宏

EPJ Web of Conferences, 302, p.11002_1 - 11002_8, 2024/10

https://doi.org/10.1051/epjconf/202430211002

原子力工学の分野では、エクサスケールのスーパーコンピュータを使った複雑なシミュレーションにより、大規模なデータが生成される。このようなシミュレーションデータを効率的に解析するためには、遠隔地にいる研究者間でデータを共有する必要がある。しかしながら、大規模データのI/Oやデータ転送には多大なコストがかかる。このような問題を解決するために、最新のスーパーコンピュータ上での並列処理に適した粒子ベースボリュームレンダリング(PBVR)をベースとして、遠隔In-Situ可視化システムIS-PBVRを開発した。本研究では、IS-PBVRを複数のクライアントPC上でVR可視化できるように拡張し、多地点遠隔VR可視化を開発した。この技術をGPUベースのスーパーコンピュータ上の流体シミュレーションに適用し、複数のクライアントPC間でIn-Situ VR可視化を共有することで、その有用性を検証する。

Bubble flow analysis using multi-phase field method

杉原 健太; 小野寺 直幸; Sitompul, Y.; 井戸村 泰宏; 山下 晋

EPJ Web of Conferences, 302, p.03002_1 - 03002_10, 2024/10

https://doi.org/10.1051/epjconf/202430203002

従来の界面捕捉法を用いた気液二相流のシミュレーションでは、気泡が互いに反発することを示す実験的証拠にもかかわらず、気泡が互いに近づくと数値的には合体する傾向があることが観察された。逐次的な数値合体が流動様式に与える影響が大きいことを考慮すると、近接した気泡の合体挙動を制御する必要がある。この問題に対処するため、各気泡に独立した流体率を適用することで気泡合体を抑制するMulti-Phase Field(MPF)法を導入した。本研究では、3重点における表面相互作用に関連する数値誤差を最小化するために、N-phaseモデルに基づくMPFを採用した。さらに、Ordered Active Parameter Tracking法を実装し、数百の流体率を効率的に格納した。MPF法を検証するために、円管内気泡流の解析を実施し、Colinらの実験データと比較した。検証結果は、気泡分布と流速分布に関して妥当な一致を示した。

Full-f gyrokinetic simulations of hydrogen isotope mixing in tokamak plasmas

井戸村 泰宏

Physics of Plasmas, 31(10), p.102504_1 - 102504_10, 2024/10

https://doi.org/10.1063/5.0229513

トカマクプラズマにおける水素同位体混合現象をfull-fジャイロ運動論シミュレーションを用いて解析した。モデルプラズマのパラメータは、重水素(D)ペレットを水素(H)プラズマに入射した後にエネルギー閉じ込め時間スケールで水素同位体混合が発生したJETの水素同位体ペレット実験に基づいて選択した。重水素ペレット入射前後のプラズマ分布を用いて2つの数値実験を行った。どちらの場合も、炉心の乱流揺動はイオン温度勾配駆動乱流によって特徴づけられるが、後者の場合、外側の領域に捕捉電子モード乱流が存在する。前者の場合、バルクHイオンの密度分布は準定常状態に保たれ、その粒子閉じ込め時間はエネルギー閉じ込め時間よりも一桁長い。後者の場合、バルクHイオンとペレットDイオンの密度分布は、エネルギー閉じ込め時間の時間スケールで過渡的な緩和を示し、早い水素同位体混合を示す。トロイダル角運動量バランスから、水素同位体混合はトロイダル電場応力によって駆動されることがわかった。

圧縮性Navier-Stokes方程式の定式化による気液二相流体計算のPoisson高速化

小野寺 直幸; 杉原 健太; 伊奈 拓也; 井戸村 泰宏

計算工学講演会論文集(CD-ROM), 29, 3 Pages, 2024/06

気液二相流体解析は炉設計や安全性評価に適用できるなど、原子力工学分野において重要な研究テーマの一つである。しかしながら、これらの解析はマルチスケールの大規模計算を必要とし、先進的な数値手法が必須となる。この課題の解決に向けて、多相多成分熱流動解析コードJUPITERに対するPoisson解法の開発を進めてきた。本研究では、非圧縮性の近似を行わないNavier-Stokes方程式の定式化により、陰的な時間発展で現れる圧力Poisson方程式の行列を優対角とすることで、行列の反復計算の収束性の改善を目指した。円管内の気泡流解析において、8台のGPUを用いた収束性能測定では、非圧縮性近似を行ったものに対して、半分の計算時間および収束回数となり、本研究の定式化の有用性が示された。

Interactive steering on in situ particle-based volume rendering framework

河村 拓馬; 長谷川 雄太; 井戸村 泰宏

Journal of Visualization, 27(1), p.89 - 107, 2024/02

https://doi.org/10.1007/s12650-023-00945-z

対話的なIn-Situステアリングは、大規模で高速なCFDシミュレーションにおけるデバッグ、最適解の探索、逆問題の解析に有効なツールである。我々は、GPUスーパーコンピュータ上での大規模CFDシミュレーションのための対話的なIn-Situステアリングフレームワークを提案する。このフレームワークは、In-Situ Particle-based Volume Rendering (PBVR)、In-Situデータサンプリング、ファイルベース制御を採用し、スーパーコンピュータとユーザーPC間でステアリングパラメータ、圧縮された粒子データ、サンプリングしたモニタリングデータを対話的に通信できる。そして並列化されたPBVRは、GPU上のCFDシミュレーションとの干渉を避けるため、ホストCPUで処理される。提案フレームワークを、GPUスーパーコンピュータ上の実時間プルーム拡散解析コードCityLBMに適用した。数値実験では、モニタリング地点の観測データから汚染物質の発生源を見つける逆問題に取り組み、in-situステアリングフレームワークによるヒューマンインザループの有効性を実証した。

Optimized phase-field modeling using a modified conservative Allen-Cahn equation for two-phase flows

杉原 健太; 小野寺 直幸; 井戸村 泰宏; 山下 晋

JAEA-Research 2023-006, 47 Pages, 2023/10

JAEA-Research-2023-006.pdf:3.28MB

本報告書では、気液二相流シミュレーションのためのフェーズフィールドモデルに基づく新しい界面捕獲法を提案する。従来のフェーズフィールドモデルでは、界面補正強度パラメータは計算領域内の最大流速から決定されていたが、界面補正は空間全体に一様に適用されているため、補正を必要としない位置にも適用されていた。新手法では、フェーズフィールド変数あるいはフェーズフィールドモデルの強度に空間分布を持つように拡張し、局所的な流速場に応じた最適なパラメータを設定できるようにした。また、界面移流試験や気泡上昇計算の誤差解析を用いた系統的なパラメータスキャンに基づき、最適なフェーズフィールドパラメータを導出する手法を提案する。気液二相流のベンチマークテストを通じて、提案モデルを検証し、提案モデルが従来のフェーズフィールドモデルよりも高精度であることを示す。

格子ボルツマン法と局所アンサンブル変換カルマンフィルタ(LBM-LETKF)による二次元等方乱流のデータ同化

長谷川 雄太; 小野寺 直幸; 朝比 祐一; 井戸村 泰宏

計算工学講演会論文集(CD-ROM), 28, 5 Pages, 2023/05

格子ボルツマン法と局所アンサンブル変換カルマンフィルタ(LBM-LETKF)を用いた二次元等方乱流のデータ同化を実装した。計算条件として、格子点数を256、観測点数を256またはそれよりも粗い解像度、速度の観測値に印加するノイズを系の速度のRMSに対して10%、アンサンブル数を4、16または64に設定し、データ同化実験をおこなった。データ同化実験の結果、LETKFの精度は、観測点が密な場合と疎な場合のいずれも、ナッジング法よりも優れていることが示された。LETKFは、観測点が不足している場合に数値的に不安定になるが、このような不安定性はアンサンブル数を増やすことで抑制できた。64アンサンブル、88の疎な観測の条件においては、LBM-LETKFの速度の二乗平均平方根誤差(RMSE)は観測ノイズのRMSよりも小さく、その精度はナッジング法でより多くの観測点(3232)を用いた場合と同等であった。以上により、LETKFは、アンサンブル数が十分大きければ、高精度かつロバストであり、したがって、LBMを用いた乱流のデータ同化に適していることが示された。

Full- gyrokinetic simulations of ohmic L-mode plasmas in linear and saturated ohmic confinement regimes

井戸村 泰宏; Dif-Pradalier, G.*; Garbet, X.*; Sarazin, Y.*; Tore Supra Teams*

Physics of Plasmas, 30(4), p.042508_1 - 042508_18, 2023/04

https://doi.org/10.1063/5.0127346

非線形大域的full-ジャイロ運動論シミュレーションを用いて、Tore Supra装置のジュール加熱Lモード放電における線形/飽和オーミック閉じ込め(LOC/SOC)領域の2時刻を解析した。トロイダルフィールド応力による早いイオン混合が炭素不純物の吐き出しを引き起こす。LOC/SOCフェーズで自発プラズマ回転が逆方向に発展し、これはLOCフェーズの捕捉電子モードとSOCフェーズのイオン温度勾配駆動モードにおけるモード非対称性の違いがもたらす分布シア応力の変化によって決まる。LOC/SOCフェーズにおいて電子と重水素イオンのエネルギー束がそれぞれ支配的になる。この2つのフェーズにおけるエネルギー閉じ込め時間の比率について実験値を再現した。

A New data conversion method for mixed precision Krylov solvers with FP16/BF16 Jacobi preconditioners

伊奈 拓也; 井戸村 泰宏; 今村 俊幸*; 小野寺 直幸

Proceedings of International Conference on High Performance Computing in Asia-Pacific Region (HPC Asia 2023) (Internet), p.29 - 34, 2023/02

https://doi.org/10.1145/3578178.3578222

ヤコビ前処理による混合精度クリロフソルバは、ヤコビ前処理をFP16やBF16のような低精度で計算した場合しばしば著しい収束性の悪化を示すことがある。この収束性の悪化はデータ変換時の丸め誤差により対角優位性が失われることに起因することがわかった。この問題を解決するために、元の行列データの対角優位性を保つように設計された新しいデータ変換方法を提案する。NVIDIA V100 GPU上でポアソン方程式を共役勾配法、双共役勾配安定化法、一般化最小残差法にFP16/BF16ヤコビ前処理を組み合わせた混合精度クリロフソルバによって計算することによって提案手法を検証する。データ変換はCUDAの組み込み関数を利用して最近接丸め、正の無限大丸め、負の無限大丸め、ゼロ方向丸めを切り替えて実装し、これが主反復の前に一度だけ呼び出される。したがって、提案するデータ変換にかかるコストは無視できる程度に小さい。連立一次方程式をスケーリングして行列の係数を連続的に変化させた場合に、最近接丸めによる従来のデータ変換では、対角係数と非対角係数の丸め誤差に依存して収束性が周期的に変化する。ここで、収束性悪化の周期と大きさは仮数部のビット長に依存する。一方、提案するデータ変換方式では収束性悪化を完全に回避できることが示され、ヤコビ前処理において余分なコストを伴わないロバストな混合精度計算が可能となった。