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論文

局所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

第25回計算工学講演会論文集(CD-ROM), 4 Pages, 2020/06

都市部における風況と汚染物質拡散のアンサンブル計算を行うため、局所細分化格子ボルツマン法を用いたGPUペースのCFDコードを開発した。本コードはPascalまたはVolta世代のGPUアーキテクチャ向けに最適化されており、数km四方の計算領域・数m解像度の格子において実時間で風況解析を行うことができる。開発したコードを用いて、オクラホマシティで行われたフィールド実験JU(Joint Urban)2003の再現計算を行った。計算では、風況は実験値とよく一致し、また、トレーサ濃度のアンサンブルの平均値および最大値がFactor2(計算値と実験値の比が1/2倍$$sim$$2倍)の条件を満たすことを確認した。

論文

ブロック型適合細分化格子でのPoisson解法のGPU高速化

小野寺 直幸; 井戸村 泰宏; Ali, Y.*; 下川辺 隆史*; 青木 尊之*

第25回計算工学講演会論文集(CD-ROM), 4 Pages, 2020/06

原子力機構では3次元多相流体解析手法としてJUPITERを開発している。本研究では、JUPITERの圧力Poisson方程式解法として、適合細分化格子(AMR)を用いたマルチグリッド前提条件付き共役勾配法(P-CG)を開発した。計算の高速化として、全ての計算カーネルはCUDAを用いて実装すると共に、GPUスーパーコンピュータ上にて高い性能を発揮する様に最適化した。開発したマルチグリッド圧力Poisson解法は、オリジナルのP-CG法と比較して約1/7の反復回数で収束することが確認された。また、TSUBAME3.0上で8から216GPUまでの強スケーリング性能測定により、更なる3倍の高速化が達成された。

論文

高速炉設計最適化統合プラットフォームを用いた核-熱連成解析手法の開発

堂田 哲広; 浜瀬 枝里菜; 横山 賢治; 田中 正暁

第25回計算工学講演会論文集(CD-ROM), 4 Pages, 2020/06

高速炉の設計を最適化するため、3次元核特性コード(MARBLE)とプラント動特性解析コード(Super-COPD)をPythonプログラミングによってプラットフォーム上で連成させ、炉心の中性子束分布の時間変化を考慮できる核-熱流動連成解析手法を開発した。本稿では、解析コードの連成方法、実プラントの仮想事故解析への適用結果、今後の展開について概説した。

論文

高速炉の高サイクル熱疲労解析評価における実機評価までを含むVVUQ実施手順「V2UP」の整備; 品質マネジメントの実装に関する検討

田中 正暁

計算工学講演会論文集(CD-ROM), 22, 4 Pages, 2017/05

ナトリウム冷却高速炉における重要な評価課題の一つである高サイクル熱疲労現象に対する数値解析評価手法の整備およびそれによる実機評価では、不確かさ評価を含むV&Vの実施が重要となる。そのため、原子力学会で策定されたモデルV&Vに関するガイドラインに準拠した実機評価までを含むVVUQ実施手順「V2UP」を整備しており、整備課題の一つである品質マネジメントの実装について、日本計算工学会標準「工学シミュレーションの標準手順」を基づいて検討した結果について報告する。

論文

原子力施設の耐震シミュレーションのV&Vの研究開発

鈴木 喜雄; 西田 明美; 鵜沢 憲; 中島 憲宏

計算工学講演会論文集(CD-ROM), 17, 4 Pages, 2012/05

原子力施設全体規模の耐震シミュレーションから得られる結果を評価し、実事象を推定することを目的とし、V&Vの研究開発を実施している。本研究では、原子力施設全体の耐震シミュレーションにこれまで広く用いられてきたビームモデルでの解析と、われわれが研究開発してきた、複数部品(ソリッドモデル)を組み立てて解析可能な組立構造解析の結果を比較するために、ビームモデルの一部を組立構造解析に置き換えて解析するズーミング解析を行えるツールを試作した。本システムを、さまざまな断面を持つ片持ち梁モデルへ適用し、システムが正しく動作することを確認した。

論文

原子力施設の耐震シミュレーションのための妥当性評価システムの研究開発

鈴木 喜雄; 宮村 浩子

計算工学講演会論文集(CD-ROM), 16, 4 Pages, 2011/05

近年、原子力施設全体規模の耐震挙動等、理論や実験で直接扱うことが困難な現象を扱える全容シミュレーションが可能となってきている。このようなシミュレーションを用いて現象を正確に把握するには、結果の妥当性評価,実現象の推定が不可欠である。しかしながら、このための方法論は十分確立されていない。われわれの最終目的は、この方法論の確立により、原子力施設全体を対象とした全容シミュレーションから実現象を推定可能とすることである。このため、原子力施設全体の耐震シミュレーションから得られる結果を対象として、妥当性評価及び実現象推定のためのシステムの研究開発を進めている。本研究では、シミュレーションに内在する種々の「不確かさ」の要因把握の一つとして、離散化に起因する不確かさを考慮して物理量の特徴的な空間変化を自動的に抽出するシステムを試作した。本システムを、システム計算科学センターが研究開発している、原子力施設の耐震シミュレーション(三次元仮想振動台)へ適用し、誤差評価を伴って応力値の空間変化を抽出できることを確認した。

論文

次世代スーパーコンピュータ京における固体有限要素法解析の基礎的検討

山田 知典

計算工学講演会論文集(CD-ROM), 16, 2 Pages, 2011/05

次世代スーパーコンピュータ京は、国家基幹技術として平成24年の供用開始を目指して、現在、神戸市において整備が進められている。平成21年度に文部科学省により京の計算機資源を必要とし、かつ、社会的・学術的に大きなブレークスルーが期待できる分野として5つの戦略分野が選定され、平成22年度より準備研究が開始された。本講演では「戦略分野,4; 次世代ものづくり」の一課題として実施している「原子力施設等の大型プラントの次世代耐震シミュレーションに関する研究開発」の中核ソフトウェアである固体有限要素法解析コードの次世代スーパーコンピュータ京における実装検討について述べる。

論文

原子力グリッド基盤AEGISの研究開発

鈴木 喜雄; 立川 崇之; Kim, G.; 木野 千晶; 宮村 浩子; 手島 直哉; 林 幸子*; 青柳 哲雄; 武宮 博; 中島 憲宏

計算工学講演会論文集, 15(2), p.1051 - 1054, 2010/05

われわれは、原子力研究のための計算基盤を構築するために、原子力グリッド基盤AEGISの研究開発を進めてきた。本研究開発では、スパコンやデータベース等をネットワーク接続した仮想研究環境の構築を目的とした国家プロジェクトITBL(Information Technology Based Laboratory)において研究開発したITBL基盤ソフトウェアの知見と技術を発展させ、安全性と利便性の向上に取り組んだ。安全性については、個人認証とマシン認証による認証機構の二重化を行った。利便性については、利用者端末からグリッドの機能を利用可能とするアプリケーションプログラムインタフェースを開発した。これらの研究開発により、われわれは、原子力施設全体規模の3次元振動シミュレーション,原子力施設の地震耐力予測シミュレータなどの原子力研究に貢献した。

論文

マルチコア環境における複数右辺項を有する構造解析ソルバーの性能評価

山田 知典; 河合 浩志*

計算工学講演会論文集, 15(1), p.179 - 180, 2010/05

反復法による連立一次方程式ソルバーはメモリウォール問題が顕著に影響するアプリケーションとして知られている。近年普及が進んでいるマルチコア環境ではソケットあたりのメモリバンド幅が利用するコア数によらず一定となるため、演算に利用するコア数に比例してメモリウォール問題が顕在化する。そのため、マルチコア環境において反復法による連立一次方程式ソルバーの性能を十分に得ることは難しい。本研究では、複数右辺項問題を有する3次元構造解析を対象に、マルチコア環境で測定したブロック共役勾配法のパフォーマンス結果に基づき、マルチコア環境における反復法による連立一次方程式ソルバーについて考察を行う。

論文

巨大アセンブリ構造解析のためのマトリクス連成フレームワークの基礎的検討

山田 知典

計算工学講演会論文集, 14(1), p.247 - 248, 2009/05

原子力プラント等の重要施設の健全性評価のため大規模有限要素法解析に大きな期待が寄せられており、原子力機構では原子力プラント全体の耐震シミュレーションを実行可能な3次元仮想振動台の構築を行っている。原子力プラントは多くの部品から成り立っており、これらの部品の動的挙動を連成させ全体シミュレーションを行う必要がある。また、実稼働中の原子力プラントを取り扱うためには熱,流体等の効果を考慮したマルチフィジックスシミュレーションへの展開も期待されている。本研究では高並列環境において各部品ごとに独立に生成された剛性行列を強に連成させ、連立一次方程式ソルバーの求解を行う解析プラットフォームについて基礎的検討を行う。

論文

ITBLクライアントAPIによるADVENTURE_OptのITBL環境への実装

宮村 倫司*; 新井 健太郎*; 三村 泰成*; 吉村 忍*; 鈴木 喜雄

計算工学講演会論文集, 12(2), p.655 - 658, 2007/05

ADVENTURE_Optは、計算力学のためのオープンソースシステムであるADVENTUREシステムのソフトウェアモジュールの一つである。システムは、大規模解析と設計を実行するために設計されている。ADVENTURE_Optは、実数値遺伝的アルゴリズムReal coded GAのような最適化アルゴリズムを使った人工物の最適化を実行でき、有限要素法は、目的関数を評価するために実行される。本論文では、ADVENTURE_Optが、日本の国家プロジェクトで開発されたグリッド環境であるITBL環境を使うために修正されている。ADVENTURE_Optを用いた計算では、有限要素解析を実行するために非常に時間を要する。本実装では、この計算がITBL環境で実行され、他の部分はパーソナルコンピュータで実行される。ITBLクライアントAPIライブラリが、システムの実装に用いられている。

論文

フィルタード・ナヴィエ・ストークス方程式の数値不安定性について

井田 真人; 大島 伸行*

計算工学講演会論文集, 11(1), p.263 - 264, 2006/06

フィルタリング操作が施されたナヴィエ・ストークス方程式の数値不安定性に関する理論を拡張する。大規模な流れ問題を解析する際に不可欠である乱流モデリング手法の一種「LES」には数値的な不安定性が付き物であり、そのため何らかの人工的な安定化操作が併用されるのが普通である。われわれは近年、この問題の根源的原因を探るべく理論的な検討を進めてきた。本講演では、任意次数の微分方程式のための数値安定性解析法にYeoの展開式を組合せることにより、理論解析手法を大幅に拡張する。この手法によれば、例えば時間平均速度場が任意の関数で表される場合の解析も可能となる。

論文

流体抗力を低減するための随伴変数法による形状最適化とそのITBLへの適用

篠原 主勲; 奥田 洋司*; 伊東 聰*; 中島 憲宏; 井田 真人

計算工学講演会論文集, 10(2), p.629 - 632, 2005/05

体積一定の制約条件下で圧力抵抗が最低となる最適な形状を構築するため、随伴変数法を定式化し、最急降下法を用いてArmijoの基準に基づく直線探索法の並列化アルゴリズムを構築した。またITBLというグリッド・コンピューティング環境で並列分散処理機能を用いて、効率的に演算処理する方式を提案した。構造の特性,信頼性,コスト性が複雑に絡み合う評価関数,制約条件からなる高負荷の計算が要求されるラグランジュ関数の極値の探索方法を構築した。極値探索で生じる膨大な計算量を、不特定多数のスーパーコンピュータを用いて、ホスト間のデータ通信を削減し、最適な形状更新ベクトルの探索を並列分散処理することで、実時間の計算処理を可能とした。

論文

Numerical investigation into the linear dependence problem of partition of unity based generalized finite element methods

Tian, R.; 中島 憲宏; 矢川 元基

計算工学講演会論文集, 10(1), p.393 - 396, 2005/05

有限要素解析では、解析対象が連続体として一体的に離散化されていなければならない。原子力プラントのような大規模問題を有限要素解析するときには、すべての構成部品が連続体として定義することは困難である。そのため大規模問題を計算できないなどの問題があった。この問題を解決するために、全体の剛性マトリクス処理において一次従属問題を解決する必要性がある。本論では、数値実験により、この問題を分析し、効果的に1次従属問題を解消する方法を有限要素の内挿関数を明らかにすることにより提言できた。これにより原子力プラントのような大規模問題を精度よく解析する見通しを得た。

論文

Nodal arrangements for boundary treatment in EFGM

Tian, R.; 中島 憲宏; 矢川 元基

計算工学講演会論文集, 10(1), p.397 - 400, 2005/05

有限要素解析では、節点が連続に接続されていることが計算のための必要十分条件である。原子力プラントのような大規模問題を有限要素解析するときには、節点の連続性を保証することが困難となる。そのため大規模問題を計算できないなどの問題があった。この問題を解決するために、不連続となる節点間の処理を精度よく解く方法を開発した。有限要素を構成する節点列を編成しなおすことで、EFGMの境界条件を定義する方法論について述べる。本手法の特徴は、節点列の編成処理を容易に実装できることにある。本論では、1次元と2次元問題を用いてラグランジェ未定乗数法とペナルティ法との解の収束性について比較し、本手法の有効性を確認した。本手法は、1次元問題ではラグランジェ未定乗数法とペナルティ法と同等の処理性能を示したが、2次元問題ではペナルティ法よりも上回る性能がでた。これにより原子力プラントのような大規模問題を効率よく解析する見通しを得た。

論文

Development of a coupler for parallel simulations of weakly coupled systems on the grid-computing environment

羽間 収; 中島 憲宏

計算工学講演会論文集, 10(1), p.259 - 260, 2005/05

われわれは原子力発電プラントの安全性を計算科学技術により解明・立証する技術の研究開発の一貫として、耐震解析情報管制システム及び3次元仮想振動台の開発を検討している。これは現存する原子炉を仮想的に計算機上に再構築し、全体を複雑組み立て構造物として、おもに数値シミュレーションにより地震動等に対する安全性評価実験を行うというものである。本数値実験環境は各種資源の共有を円滑に図ることが肝要であり、また必要とされる計算資源も莫大なものになるため、これらに対処するため現在開発が行われているITBL(Information Technology Based Laboratory)をその基盤とする。原子炉の数値実験を行うにあたっては、種々の外的要因を考慮する必要があり、取り扱う問題はいわゆるマルチフィジクスとなる。そこでわれわれはITBLグリッド環境内において複数の任意シミュレーションソフトを複数台の任意計算機上で連携させることによって弱連成解析を可能とする極めて汎用性の高いカップラの開発を行ってきている。本報告では、開発を行ってきている並列弱連成解析援用カップラとその利用、また今後の展開について紹介する。

論文

ITBL基盤ソフトウェアにおける可視化ツールの研究・開発

鈴木 喜雄; 松本 伸子*; 齋 和憲*; 山岸 信寛*

計算工学講演会論文集, 9(2), p.613 - 616, 2004/05

日本原子力研究所では、国内研究機関の計算資源や知的資源を高速ネットワークSuper SINETを介して共有可能な仮想研究環境ITBL(Information-Technology-Based Laboratory)の構築を目的としたプロジェクトを推進している。日本原子力研究所計算科学技術推進センターでは、ITBLを構築するうえで必要となる基盤技術の一つとしてITBLシステム基盤ソフトウェアの研究・開発を進めている。ここで、本ソフトウェア上のツールの一つとして可視化ツールの研究・開発を進めている。ITBLでは、遠隔地に設置された複数の計算機を利用することから、このような遠隔地にあるデータを効率的に可視化することが必要である。また、遠隔地にいる研究者間の議論を支援するため、遠隔地間で協調的に可視化できることが必要である。そこで、このような機能を実装した可視化ツールとして、AVS/ITBL及び、PATRAS/ITBLの構築を行った。これらのツールはそれぞれポスト可視化及び、実時間可視化に適している。本講演では、これらの可視化ツールのより詳細な特徴とシミュレーション研究への適用例について述べる。

論文

Development of an integrated numerical simulation system for parallel fluid-structure coupled simulations

羽間 収; Guo, Z.*

計算工学講演会論文集, 9(2), p.617 - 620, 2004/05

今日、計算科学に携わる者であれば誰もがマルチフィジクスシミュレーションの重要性は認識しているが、実施するにあたってさまざまな障害が存在するためその進展は遅いとされている。例えば、ユーザの要望を満たす連成解析を行えるソフトウェアはほとんど存在しないのが現状である。さらに、詳細な解を得るためにはデータの大規模化が必要となり、連成状態で並列計算を実施する必要があり、複雑性が増す。そこで、われわれは統合数値シミュレーションと呼ばれる基盤技術の研究・開発を行っている。これは原研計算科学技術推進センターが開発を行ってきたSTAMPIライブラリ及びMpCCIライブラリを併用させることで、任意シミュレーションソフトを連携させることによるマルチフィジクスシミュレーションを可能にするものである。現在は基盤を用い、Linux PC及びIBM計算機という異機種間において流体-構造並列弱連成解析が行えるシステムが行えるところまで開発は進んでいる。

論文

地球シミュレータにおける大規模データへのPATRAS可視化ソフトウェアの適用

齋 和憲*; 鈴木 喜雄; 荒木 文明*; 上原 均*; 萩野谷 裕文*

計算工学講演会論文集, 8(2), p.761 - 764, 2003/05

地球シミュレータで実行されている大気・海洋シミュレーションから出力される大規模データを可視化するには、既存の可視化方法では解析に支障をきたすことが予想される。そこで、日本原子力研究所計算科学技術推進センター(CCSE/JAERI)と地球シミュレータセンター計算機技術研究開発領域(ESC)の共同研究により、このような大規模データを効率的に可視化するためのツールやアルゴリズムの研究開発を行った。具体的には、これまで CCSEがNECと共同で開発してきた可視化ソフトウェアPATRAS(Parallel Tracking Steering)の地球シミュレータへの実装,並列化による最適化、及び大気・海洋結合シミュレーションへの適用のための改良などを行った。最適化として、画像合成処理,JPEG圧縮処理,等値面生成時のスムージング処理に対する並列化を行うことにより、T106L20(320$$times$$160$$times$$20メッシュ)$$sim$$T319L20(960$$times$$480$$times$$20メッシュ)規模の大気シミュレーション(AFES)に対して64CPU使用時に約20倍の高速化が達成された。また、複数のシミュレーション結果を連成可視化する処理法を用いることにより、大気・海洋結合シミュレーションの結果を連成して可視化することが可能となった。

論文

ITBLにおける分散アプリケーション実行機能の実装について

今村 俊幸; 長谷川 幸弘*; 山岸 信寛*; 武宮 博*

計算工学講演会論文集, 8(2), p.793 - 796, 2003/05

ITBL上で分散アプリケーションを定義・構成・実行するための環境TME(Task Mapping Editor)について報告する。TMEはGUIをベースとし、利用者が分散する計算資源の依存関係(ワークフロー)を定義することによって、アプリケーションの構築が容易に実現される。一方で、実行時にはワークフローを元にしたモニタリング機能を有するため、TMEの利用はアプリケーション動作の直感的な理解に大きく寄与する。また、TME上で定義したアプリケーションはTME上では一般のアプリケーションと全く同等の扱いとなり、それらを再帰的にTME上で利用することができる。そのため、複数サイトにあるアプリケーションやデータを組み合わせた複雑な手続きの系統的なデザインやTME上での版管理・修正,利用者による部品(コンポーネント)の変更、また利用者間での分散アプリケーションの共有などが容易となる。本報告では、ITBLの通信基盤を用いてTMEを実装し、複数機関に配置された計算機リソースを用いた分散アプリケーションの定義・構成・実行について概要を示す。

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