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長谷川 雄太; 小野寺 直幸; 朝比 祐一; 井戸村 泰宏
第36回数値流体力学シンポジウム講演論文集(インターネット), 5 Pages, 2022/12
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)による乱流のアンサンブルデータ同化をGPUに実装し、精度の検証を行なった。32GPUを用いて、格子点数2.3
、アンサンブル数32の条件で、3次元角柱周りの流れ対してデータ同化実験を実施した。本実験におけるデータ同化の時間間隔は、カルマン渦周期の半分に設定した。精度として、揚力係数の誤差(normalized mean absolute error; NMAE)を測定したところ、データ同化なし、ナッジング法(より単純なデータ同化手法)による同化、およびLETKFのそれぞれにおいて、誤差は132%, 148%、および13.2%であった。これにより、観測頻度が低い本計算条件においては、ナッジング法のような簡易な手法では解に系統的な遅れが現れてデータ同化の精度を保つことができない一方で、LETKFでは良好なデータ同化精度を示すことが確認できた。
長谷川 雄太; 青木 尊之*; 小林 宏充*; 井戸村 泰宏; 小野寺 直幸
計算工学講演会論文集(CD-ROM), 26, 6 Pages, 2021/05
Forest-of-octreesに基づく局所格子細分化法(LMR)を導入した格子ボルツマン法(LBM)に基づく空力解析コードに対し、挿し木法による領域分割の改善手法を提案した。従来の空間充填曲線に基づく領域分割法は、適合格子細分化法(AMR)やLMRで広く用いられているものの、GPUスパコン向けに実装された本空力解析コードにおいては袖領域通信が増大し計算のボトルネックとなるうることが確認された。本研究で提案する挿し木法は、粗い等間隔格子状の領域分割と細かい空間充填曲線に基づく分割のハイブリッドによる手法である。挿し木法により、領域分割の局所性と幾何形状が改善しており、通信量が従来の空間充填曲線に基づく手法に比べて3分の1に削減された。8GPU並列による性能検証では、コード全体で1.23倍の高速化が確認された。また、強スケーリングにおいてさらに性能の改善が見られ、128GPUの強スケーリングにおいては、従来手法に比べて1.82倍の高速化を示し、2207MLUPS (mega-lattice update per second)の計算性能を達成した。
長谷川 雄太; 小野寺 直幸; 井戸村 泰宏
計算工学講演会論文集(CD-ROM), 25, 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
2倍)の条件を満たすことを確認した。
青木 尊之*; 長谷川 雄太
自動車技術, 74(4), p.18 - 23, 2020/04
LESに基づくCFD計算を用いて自転車競技の空力解析を行った。単独での走行および24人の集団走行では、算出された抗力は風洞実験と良く一致した。競合する2集団の走行について、集団内の選手の配置を複数検討した。72人の選手の集団走行として、GPUスーパコンピュータで22.3億格子を用いた大規模空力解析を実施した。
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。
小野寺 直幸
no journal, ,
日本原子力研究開発機構では、数10km以上の広域の拡散予測システムとして、緊急時環境線量情報予測システム(SPEEDI)が開発されているが、これらに加えて数km以下の局地拡散予測システムの開発が進められている。本研究ではGPUに適している格子ボルツマン法(LBM)に基づく汚染物質の拡散解析手法を構築することで、次世代の汚染物質の拡散予測手法を構築する。高解像度の実時間解析に向けて、適合細分化格子(AMR)法を適用する事で、人が生活する数mからメソスケール解析を実施する数kmまでの解像度の変化に対応した、マルチスケール解析の実現を目指す。本報告では、AMR法を適用した格子ボルツマン法の実効性能および風洞実験等に対する収束性を確認し、リアルタイム物質拡散シミュレーションの実現の目処がたてられた。
小野寺 直幸; 井戸村 泰宏; Ali, Y.*; 下川辺 隆史*
no journal, ,
本発表ではポスト京用に開発した通信削減マルチタイムステップ法をGPUスーパーコンピュータに適用し、性能測定を行った。この手法はテンポラルブロッキング法に基づいた手法であり、ボトルネックとなる通信部分を他の計算に置き換えることで、通信削減が可能となる。本アルゴリズムを適用した風況解析コードCityLBMを用いて、TSUBAMEおよびReedbushにて性能測定を行なった結果、弱スケーリングで64%に通信量が削減された。本アルゴリズムの適用で、都市部の2km四方の領域に対して、5m/s程度の風速の実時間風況予測が可能であることが確認されると共に、今後のエクサスケールのスーパーコンピュータに対して非常に有効であることが示された。
小野寺 直幸
no journal, ,
放射性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。人が生活する路地や建物等を含んだ高解像度の実時間解析を実施するためには、計算機性能を最大限に引き出すことが可能な解析手法の開発が必須となる。本課題では、GPUスパコンに適した格子ボルツマン法(LBM)に対して、ナッジング法に基づくデータ同化手法を導入することで、都市街区に対する汚染物質の拡散解析を実施した。
小野寺 直幸; 井戸村 泰宏; 河村 拓馬; 中山 浩成; 下川辺 隆史*; 青木 尊之*
no journal, ,
放射性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。人が生活する路地や建物等を含んだ高解像度の実時間解析を実施するためには、計算機性能を最大限に引き出すことが可能な解析手法の開発が必須となる。本課題では、GPUスパコンに適した格子ボルツマン法(LBM)に対して、ナッジング法に基づくデータ同化手法および植生キャノピーモデルを導入することで、都市街区に対する汚染物質の拡散解析の精度が向上することを確認した。
長谷川 雄太
no journal, ,
本研究では複雑形状物体周りの空力解析、ならびに都市域の局所風況解析を大規模LES計算で実現するため、適合細分化格子法を導入した格子ボルツマン法の複数GPU計算の実装を行ってきた。本発表では、開発コードの実装において行ってきた単一GPU計算の高速化、MPI実装における通信の最適化、最新のGPU環境におけるノード内複数GPU計算に特化した並列実装法といった、複数GPU計算に関わる種々の最適化手法について発表する。
長谷川 雄太; 小野寺 直幸; 井戸村 泰宏
no journal, ,
都市域における汚染物質拡散予測を行うため、風況計算コードCityLBMの開発を行っている。CityLBMは局所細分化格子ボルツマン法を用いており、低高度において格子を細分化することで地表面付近の乱流を捉え、かつ、GPUを用いることで1m程度の解像度において実時間解析を達成している。本研究では、オクラホマシティにおける野外拡散実験JU2003を対象として、アンサンブル数100、および4096m
4096m(水平方向)2560m(高さ方向)の計算領域に対して地表面付近の格子解像度を4mとした細分化格子を設定し、アンサンブル計算の検証を行った。アンサンブル計算と野外実験の結果を比較すると、風速は平均から1
の範囲でよく一致し(ただしはアンサンブル計算の標準偏差)、かつ、トレーサ物質の濃度の平均値はFACTOR2の条件を満たした。
小野寺 直幸; 長谷川 雄太; 朝比 祐一; 井戸村 泰宏; 下川辺 隆史*; 青木 尊之*
no journal, ,
放射性物質の拡散解析をリアルタイムに行うことは、核セキュリティの観点から非常に重要である。そのような課題に対して、我々の研究グループでは格子ボルツマン法に対して、ブロック型適合細分化格子法を適用した拡散解析コードCityLBMを開発した。CityLBMは、36台のNVIDIA V100を利用することで、2m解像度4km四方のリアルタイム解析が可能である。本発表では、このコードを東京大学のスーパーコンピュータWisteria/BDEC-01の最新のAmpereアーキテクチャに最適化し、その実行性能を示す。
長谷川 雄太; 井戸村 泰宏; 小野寺 直幸; 朝比 祐一
no journal, ,
GPUに適した乱流のアンサンブルデータ同化手法として、格子ボルツマン法-局所アンサンブル変換カルマンフィルタ(LBM-LETKF)の 開発を進めている。LETKFにおいては、状態変数ベクトル(シミュレーション変数)および観測変数ベクトル(実験から測定可能な量)が性能に大きく影響する。状態変数としては、単純にはLBMの速度分布関数をそのまま状態変数とする27要素ベクトルを用いる方法が考えられるが、巨視的量である密度・速度を状態変数とする4要素ベクトルを用いる方法も可能である。本研究において、上記の2つの方法について計算精度および計算速度を比較し、乱流データ同化に適した状態変数ベクトルを選定する。