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論文

Communication Reduced Multi-time-step Algorithm for Real-time Wind Simulation on GPU-based Supercomputers

小野寺 直幸; 井戸村 泰宏; Yussuf, A.*; 下川辺 隆史*

Proceedings of 9th Workshop on Latest Advances in Scalable Algorithms for Large-Scale Systems (ScalA 2018) (Internet), p.9 - 16, 2018/11

計算の高速化に向けて適合細分化格子(AMR)法を適用した格子ボルツマン法(LBM)に対して、通信削減マルチタイムステップ法(CRMT)を提案した。本手法はテンポラルブロッキング法に基づく定式化を行うことで、GPU計算で大きなボトルネックとなる通信回数の削減が可能となる。東京工業大学のTSUBAMEおよび東京大学のReedbushスーパーコンピュータにて性能測定を実施した結果、通信コストが64%に削減され、200GPUまでの弱および強スケーリング結果が改善された。以上の高速化により、2km四方の計算領域に対して1m解像度の風速5msの実時間解析が可能であることが示された。

論文

Acceleration of plume dispersion simulation using locally mesh-refined lattice Boltzmann method

小野寺 直幸; 井戸村 泰宏

Proceedings of 26th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-26) (Internet), 7 Pages, 2018/07

放射性物質の拡散計算は、核セキュリティの観点から非常に重要である。近年、低消費電力および演算性能の高さよりGPUによる科学技術計算が注目されている。本研究では、GPUを用いた格子ボルツマン法による計算コード手法を構築することで、高精度かつ高速な風況解析手法を構築した。東京工業大学のスーパーコンピュータTSUBAMEによる弱スケーリングの性能測定を行った結果、4から144台のGPUに対して良いスケーリングが得られるとともに、CPUとの比較ではノードあたり30倍程度の性能を達成した。産業技術総合研究所の風洞実験に対する検証計算では、AMR法を適用することで全てを細かい格子で計算するのと比較して10%程度の格子点数で解析が可能となるとともに、実験による観測と良く一致している結果が得られた。

論文

Acceleration of wind simulation using locally mesh-refined Lattice Boltzmann Method on GPU-Rich supercomputers

小野寺 直幸; 井戸村 泰宏

Lecture Notes in Computer Science 10776, p.128 - 145, 2018/00

本研究では、局所細分化格子を適用した格子ボルツマン法を開発した。計算コードは、東京工業大学のGPUベースのスーパーコンピュータTSUBAME3.0を用いて開発を行い、最新のPascalアーキテクチャに対して最適化を行なった。1から36ノードを用いた弱スケーリングの性能測定では、NVIDIA TESLA P100を用いたGPU計算がBroadwellによるCPU計算の10倍以上の高速化が達成された。

論文

A Stencil framework to realize large-scale computations beyond device memory capacity on GPU supercomputers

下川辺 隆史*; 遠藤 敏夫*; 小野寺 直幸; 青木 尊之*

Proceedings of 2017 IEEE International Conference on Cluster Computing (IEEE Cluster 2017) (Internet), p.525 - 529, 2017/09

ステンシルに基づくCFDコードは、規則的なメモリアクセスを持つため、GPUで高い性能を得ることができる。しかしながら、GPUはCPUと比較して、メモリ容量が小さいため、CPUと同様の大きさの問題を解くことができない。そこで、本研究では、CPUのホストメモリとCPUのデバイスメモリの局所性を向上させることが可能な、テンポラルブロッキング法を用いることで、GPUのメモリ容量を超える大きさの計算を可能とした。本研究で開発したフレームワークでは、複雑なコーディングは必要とせずに、テンポラルブロッキング法を含む並列計算用のコードを生成できる。フレームワークを用いて開発した気流解析コードでは、TSUBAME2.5において、GPUのメモリ容量の2倍の計算規模においても、通常のメモリ容量の計算の80%程度の実効性能を達成した。

論文

A Numerical study of turbulence statistics and the structure of a spatially-developing boundary layer over a realistic urban geometry

稲垣 厚志*; 神田 学*; Ahmad, N. H.*; 八木 綾子*; 小野寺 直幸; 青木 尊之*

Boundary-Layer Meteorology, 164(2), p.161 - 181, 2017/08

 被引用回数:2 パーセンタイル:68.43(Meteorology & Atmospheric Sciences)

本研究では、東京都市部に対して、中立安定状態における大気境界層に対する数値解析を行なった。GPUを用いた並列計算を実施することで、19.2km$$times$$4.8km$$times$$1kmの領域に対して2m解像度のラージエディ・シミュレーションが可能となった。大規模計算結果より、境界層上部の乱流統計量や境界層全域におよび特徴的なストリーク構造等の再現が可能であることが確認された。

論文

Ishii-Grolmes実験相関式の数値的再現に関する考察

海老原 健一; 渡辺 正

第18回数値流体力学シンポジウム講演要旨集(CD-ROM), 7 Pages, 2004/12

液滴発生が起こり始める基準を表すIshii-Grolmes実験相関式は、格子ボルツマン法によって再現されている[海老原他、ながれ23, 253(2004)]。そのシミュレーションでは、水平層状二相流の界面上に生成された波から液滴がちぎれる様子が観察される。この実験相関式の再現に対する数値計算的及び物理的影響を、本論文において議論する。数値計算的影響として、計算格子の離散化がシミュレーション結果に影響を及ぼすが、実験相関式再現のシミュレーションは、十分な格子サイズにおいて行われていたことが確認された。また、物理的影響として、生成される波の形状と流速分布が、シミュレーション結果に影響を与えていることが見られた。

論文

Numerical simulation of droplet flows and evaluation of interfacial area

渡辺 正; 海老原 健一

Journal of Fluids Engineering, 124(3), p.576 - 583, 2002/09

 被引用回数:8 パーセンタイル:57.18(Engineering, Mechanical)

格子ボルツマン法を用いて合体分裂を伴う液滴流の数値シミュレーションを行った。垂直方向におかれた2つまたは3つの液滴は上昇時に合体し、合体後の分裂が平均ウェーバー数に依存して起こることを明らかにした。また、二相流の界面積と体積率を数値的に高速に評価する手法を提唱し、単一液滴の上昇時及び2つの液滴の合体分裂時の界面積変化を測定した。液滴流の界面積は、液滴の形状,数,大きさに依存し、合体により減少し、分裂により増加することを確認した。提唱した手法は、界面が動的に変化する二相流の界面積評価に有効であることを示した。

論文

Simulation of two-phase flows and numerical evaluation of interfacial area

渡辺 正; 海老原 健一

JSME International Journal, Series B, 45(3), p.600 - 606, 2002/08

上昇気泡のシミュレーションを格子ボルツマン法により行い、合体分裂時の気泡界面積の変化を数値的に測定した。単一気泡については上昇速度が実験相関式によるものと一致することがわかった。また、気泡形状の振動と界面積の増減が対応することを確認した。二つの気泡を上下に配置すると、下の気泡の上昇速度が大きく上の気泡に追いつくことにより合体することが示された。合体時には界面積は減少し、その後、合体気泡の変形により増加することがわかった。また、合体後に分裂を起こすケースでは、分裂時に界面積は大きく増加し、その後減少することが明らかとなった。

論文

Parallel lattice fluid simulations for transport phenomena in porous media

渡辺 正; 河野 浩二*; 大橋 弘忠*

Application of High-Performance Computing in Engineering VII, p.115 - 124, 2002/00

格子流体法により天然バリア中の物質輸送現象の並列計算を行うため、計算手法の特徴と並列計算効率について検討した。実数格子ガス法では粒子の位置と速度は実数値で表され、不特定のプロセッサ間において不特定の数の粒子の転送が生じる。格子ボルツマン法では粒子は格子上を移動するため、隣接するプロセッサ間で一定量の転送のみを行う。これらを考慮し分散メモリに対応した並列化を行うことにより32並列において18倍前後の高速化が達成された。また、不特定の粒子の転送にあたっては、まず一定量を転送し、次に残りを転送することが効率的であることがわかった。共有メモリを利用する場合は、メモリ使用量及び転送量を少なくし、同等の高速化が達成されることが明らかとなった。

論文

格子ボルツマン法による水平層状二相流のシミュレーション

海老原 健一; 渡辺 正

第16回数値流体力学シンポジウム講演要旨集, p.D12_4_1 - D12_4_9, 2002/00

一成分二相流体格子ボルツマン法を用いて、水平層状二相流のシミュレーションを行った。水平層状二相流は、重力によって上下にわかれた密度の異なる二相の流体の流れであり、二相の流速差によって異なる界面現象を示す。今回は、流入流出境界間の圧力差を一定とし、二相の粘性率を変えることによって、二相に異なる流速を与え、また流入境界で正弦波を発生されたシミュレーションを行った。このシミュレーションにおいて、界面形状と二相流動を特徴づける無次元数を測定し、その結果を、TaitelとDulkerの流動様式線図における波状流と環状噴霧流・間欠流とを区別する曲線と比較した。比較の結果、測定された無次元数は、線図のほぼ妥当な位置にプロットされたが、界面形状や界面成長の違いによって得られた境界は、線図の曲線より大きな値となった。

論文

非理想気体格子ボルツマン法における二相の界面挙動について

海老原 健一; 渡辺 正

日本機械学会第14回計算力学講演会講演論文集, p.579 - 580, 2001/11

密度の大きさによって区別される二相間の水平界面の挙動を非理想気体に対する格子ボルツマン法によってシミュレーションした。高密度相上の低密度相に対して水平方向の運動量を与えることによって両相関に速度差を生じさせ、界面形状の変化を観察した。両相の速度差がある値に達した時、界面が不安定化し、さらに速度差が増大すると大きな波が発生した。また、界面の不安定さは、理論解析とほぼ一致していた。

論文

格子ボルツマン法による数値シミュレーション

蕪木 英雄; 清水 大志; 鈴木 惣一朗*

パソコンで見る流れの科学; 数値流体力学入門, p.258 - 285, 2001/07

格子ボルツマン法による流れの数値シミュレーション手法について歴史的背景,考え方の基礎をやさしく解説した。数値シミュレーションの例として板の後流について、読者が自由にレイノルズ数を設定しカルマン渦列の観察を行えるようプログラミングを行った。またパソコン上のInternet Explorerで可視化できるよう、プログラミングはJavaで行った。これにより2次元で最大レイノルズ数230程度までのカルマン渦列の時間発展を計算しながら観察可能である。

論文

Simulation of two-phase flows and numerical evaluation of interfacial area

渡辺 正; 海老原 健一

Proceedings of 9th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-9) (CD-ROM), 10 Pages, 2001/00

上昇気泡のシミュレーションを格子ボルツマン法により行い、合体分裂時の気泡界面積の変化を数値的に測定した。単一気泡については上昇速度が実験相関式によるものと一致することを示し、気泡形状の振動と界面積の増減が対応することを確認した。二つの気泡については合体時には界面積は減少し、その後変形により増加することが示された。また、合体後の分裂時には気泡の変形及び界面積は大きく増加し、分裂後減少することが明らかとなった。

報告書

格子ボルツマン法による二相流シミュレーションコードの開発並びに並列化

渡辺 正; 海老原 健一; 伊藤 豪一*; 河野 浩二*

JAERI-Data/Code 2000-029, 61 Pages, 2000/09

JAERI-Data-Code-2000-029.pdf:2.82MB

格子ボルツマン法による3次元二成分二相流シミュレーションコードを作成し、MPIライブラリを用いて並列化を行った。サンプル問題として上昇気泡及び気泡の合体のシミュレーションを行い、上昇速度、気泡周囲の流れ場等に関して妥当な結果を得た。異なる機種のワークステーションからなるクラスターを用い、計算速度に応じて領域分割を行うことによりシミュレーションを行った。データ転送量が増えるにつれて計算効率は低下したが、実用上十分な並列化効率が得られた。

論文

気泡の合体分裂時の表面層変化

渡辺 正; 海老原 健一

日本機械学会第13回計算力学講演会講演論文集 (00-17), p.595 - 596, 2000/00

原子力分野をはじめ流体工学において重要となる二相流の界面現象を数値的に調べるため、上昇気泡の3次元数値シミュレーションを格子ボルツマン法を用いて行い、表面積変化を計算した。単一気泡については、形状、終端速度などに妥当な値が得られた。二つの気泡の合体、合体後の分裂などが計算され、気泡形状の変化に対応して表面積が変化することが示された。これにより、界面の合体、分裂を含む流れ場が容易に計算され、界面積の変化が数値的に測定可能であることが明らかとなった。

論文

Simulation of rising bubbles and mesurement of interfacial area

渡辺 正; 海老原 健一

Proceedings of 2nd Japan-Korea Symposium on Nuclear Thermal Hydraulics and Safety (NTHAS-2), p.422 - 429, 2000/00

二成分二相格子ボルツマン法により上昇気泡の3次元シミュレーションを行った。また、格子点での各相の体積率と界面積を周囲の相分布から求める手法を提案した。単一気泡の場合、上昇中に形状が変形し振動する様子が見られ、これらが界面積の増加、振動に対応することが確認された。上下2つの気泡の場合、上側の気泡の後流の影響により下側の気泡の上昇速度が早く、上側の気泡に追いつくことにより合体が起こることがわかった。界面積は、合体中は減少し、その後形状変化により増加、振動を起こすことが示された。また、気泡径によっては合体後に分裂するケースもあることがわかり、分裂が気泡中心部から起こること、分裂時には界面積が大きく増加することが明らかとなった。これらの結果から、二相流の基本現象と界面積の変化が本手法により良好にシミュレーションできることが示された。

口頭

GPUを用いた格子ボルツマン法による固気液連成解析モデルの開発

小野寺 直幸; 大橋 訓英*

no journal, , 

荒天下での船舶の操縦性性能は安全性に直結するため、重要な研究課題の一つである。船舶の運動を詳細に解析するためには、固気液三相流に対して大規模解析を行う必要がある。本研究では格子ボルツマン法に多相流モデルを適用し解析を行った。格子ボルツマン法は連続的なメモリアクセスを行う計算手法であるため大規模計算に適した手法である。計算コードはGPUの言語であるCUDAに基づき書かれており、東京工業大学のスパコンTSUBAMEにおいて良い実行性能が得られている。また提案した多相流解析モデルは、気相と液相に対してそれぞれ独立に解析を行うことで、非定常な現象に対しても安定に解析が行うことが可能な手法である。本発表では有効性を確認するために、実際のバルクキャリアデータを読み込んだ700$$times$$120$$times$$400格子点の解析を行い、高密度比の条件下において安定な解析が行えることを示した。

口頭

格子ボルツマン法を用いた物質拡散計算の高速化

小野寺 直幸; 井戸村 泰宏

no journal, , 

汚染物質の拡散予測シミュレーションは社会的関心が非常に高く、迅速性および正確性が求められている。本研究では、格子ボルツマン法(LBM)に基づいた解析手法を構築することで、実時間拡散解析の実現を目指す。本発表では適合格子細分化法(AMR)法を適用したLBMでの最適なデータ構造および計算アルゴリズムを提案する。

口頭

適合細分化格子を用いた格子ボルツマン法による物質拡散計算

小野寺 直幸; 井戸村 泰宏

no journal, , 

汚染物質の実時間解析は核セキュリティの観点からも非常に重要である。都市部は高い建物が立ち並ぶため、乱流が発達し、大規模なCFD解析が必須となる。本研究では、適合細分化格子(AMR)を用いた格子ボルツマン法による流体解析手法を構築することで、高速かつ大規模な解析手法を構築した。従来の格子ボルツマン法では高いレイノルズの乱流解析が困難であるが、本計算では最新の衝突緩和モデルであるCummulant LBMモデルを採用することで高精度な乱流解析を実施可能とした。解析コードは産業技術総合研究所の風洞実験結果を再現可能である。さらに、AMR法を適用することで、全てを均一な格子で計算するのと比較して、10%以下の格子点にて、同様の結果が再現可能であることが示された。

口頭

Acceleration of turbulent wind simulation using locally mesh-refined Lattice Boltzmann Method

小野寺 直幸; 井戸村 泰宏

no journal, , 

原子力安全保障の観点から、放射性物質の環境動態のリアルタイムシミュレーションが非常に重要である。本研究ではAMR法を用いた格子ボルツマン法に基づくCFDコードを開発した。計算コードは、最新のPascal GPUアーキテクチャで高性能を達成するように最適化されるとともに、テンポラルブロッキング法を導入することによって、MPI通信の通信量の削減に成功した。

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