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長谷川 雄太; 今村 俊幸*; 伊奈 拓也; 小野寺 直幸; 朝比 祐一; 井戸村 泰宏
Proceedings of 13th Workshop on Latest Advances in Scalable Algorithms for Large-Scale Heterogeneous Systems (ScalAH22) (Internet), p.10 - 17, 2022/00
格子ボルツマン法(LBM)に基づく数値流体力学シミュレーションおよび局所アンサンブル変換カルマンフィルタ(LETKF)によるアンサンブルデータ同化をNVIDIA A100 GPU搭載スパコンに対して実装し、および最適化した。LBMとLETKFの協働のため、データ転置通信を実装し、LETKFのデータ依存性に基づいて計算,ファイルI/O、および通信のオーバーラップにより通信を最適化した。2次元等方乱流,アンサンブル数
,格子点数
の条件において、通信を最適化した実装は、LETKFを並列化しない単純な実装に対して3.85倍の高速化を達成した。LETKFの主要な計算カーネルは
の実対称密行列の固有値分解であり、その計算のため、バッチ形式固有値分解ソルバEigenGを新たに開発した。EigenGによるバッチ形式固有値分解は、既存ライブラリであるcuSolverに対して64倍の高速化を達成した。
長谷川 雄太; 青木 尊之*; 小林 宏充*; 井戸村 泰宏; 小野寺 直幸
Parallel Computing, 108, p.102851_1 - 102851_12, 2021/12
被引用回数：0 パーセンタイル：0.01(Computer Science, Theory & Methods)GPUスーパコンピュータに対して格子ボルツマン法(LBM: lattice Botltzmann method)およびforest-of-octreesに基づくブロック構造型の局所細分化格子(LMR: local mesh refinement)を用いた空力解析コードを実装し、その性能を評価した。性能評価の結果、従来の空間充填曲線(SFC; space-filling curve)に基づく領域分割アルゴリズムでは、本空力解析において袖領域通信のコストが過大となることがわかった。領域分割の改善手法として本稿では挿し木法を提案し、領域分割の局所性とトポロジーを改善し、従来のSFCに基づく手法に比べて通信コストを1/3
1/4に削減した。強スケーリング測定では、最大で1.82倍の高速化を示し、128GPUで2207MLUPS(mega-lattice update per second)の性能を達成した。弱スケーリング測定では、8128GPUで93.4%の並列化効率を示し、最大規模の128GPU計算では44.73億格子点を用いて9620MLUPSの性能を達成した。
海老原 健一
JAERI-Research 2005-004, 121 Pages, 2005/03
JAERI-Research-2005-004.pdf:19.79MB
本報告書は、まず、格子ガス法及び格子ボルツマン法の二相流体モデルの二相流シミュレーションへの適用妥当性及び有用性を検討した。その結果に基づき、格子ボルツマン法の二相流体モデルであるHCZモデルを、基本的かつ重要な二相流流動様式の1つである水平層状二相流のシミュレーションへ適用した。その結果、HCZモデルの界面は、Kelvin-Helmholtz不安定性を満足することが確認された。またTaitelとDuklerの理論的流動様式線図(T-D線図)の界面成長に関する曲線が再現された。さらに、幅が狭い流路では、流れの三次元性の影響が顕著となり、T-D線図が与える以上の低密度相のみかけ流速が界面成長に必要であることが明らかとなった。次に、より複雑な界面現象を伴う液滴発生のシミュレーションを行い、Ishii-Grolmesの実験相関式を、実験データの分布範囲において、再現できることがわかった。
海老原 健一; 渡辺 正
Proceedings of 2004 ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition (IMECE '04) (CD-ROM), 9 Pages, 2004/11
本論文は、水平矩形断面流路中における成層波状二相流の界面成長の数値シミュレーションについて記述する。界面波の成長への流路幅の影響を、異なる流路幅に対するシミュレーションを行うことによって評価した。本論文で採用した数値解析モデルは、自発的な界面現象をシミュレーションすることができる、格子ボルツマン法の一成分二相流体モデルである。シミュレーションでは、波の成長を観察し、その波の成長と流動状態を特徴づける無次元数との関係を、TaitelとDuklerによって提案された流動様式線図と比較した。流路幅が広い場合には、計算結果の関係がTaitel-Duklerの流動様式線図とほぼ一致することが確認された。流路幅が狭くなると、界面が成長のために、より多くの低密度相の質量流量が必要になり、流動様式線図の関係からのずれが生ずることが示された。
海老原 健一
筑波大学大学院システム情報工学研究科博士学位論文, 134 Pages, 2004/09
本論文では、格子法の気液モデルの有用性を検討し、さらに格子ボルツマン法気液モデル(HCZモデル)を、格子ボルツマン法の適用例が見られていない水平層状二相流の三次元シミュレーションへ適用した。その結果、以下のことが明らかになった。(1)HCZモデルによってシミュレーションされる二相界面が、Kelvin-Helmholtz不安定性理論を、二次元及び三次元の場合について満足することがわかった。(2)矩形断面流路中の界面成長シミュレーションにおいて、界面成長と流動状態の関係が、理論的考察によって得られるTaitelとDuklerの流動様式線図を再現できることがわかった。(3)流路幅が異なる場合の界面成長シミュレーションによって、流路幅が狭くなった時、流れの三次元性の影響が顕著となり、界面成長に必要な低密度相の流量が、理論的流動様式線図から得られる値より大きくなることが明らかとなった。(4)界面成長より複雑な界面現象を示す液滴発生シミュレーションにおいて、液滴発生とその時の流動状態の関係が、IshiiとGrolmesによって提案された実験相関式を、ほぼ再現できることがわかった。
海老原 健一; 渡辺 正
日本機械学会論文集,B, 70(694), p.1393 - 1399, 2004/06
一成分二相格子ボルツマン法によって、その幅が高さより狭い矩形断面流路内における水平層状二相流のシミュレーションを行った。3種類の異なる流路幅の場合について、二相間の界面成長を測定した。さらに二相流動を特徴付ける無次元数を測定し、それらと界面成長との関係とTaitelとDuklerによって提案された流動様式線図とを比較した。流路幅が狭くなるに従い、シミュレーションにより得られた界面の成長・非成長の境界が大きくなることがわかった。
長谷川 雄太; 小野寺 直幸; 井戸村 泰宏
no journal, ,
局所細分化格子ボルツマン法の計算コードにおけるメモリ使用量削減および通信高速化を目的として、CUDAのUnified memoryを用いたノード内複数GPU実装を試行した。等間隔格子を用いたマイクロベンチマークテストでは、3次元拡散方程式において弱スケーリング96.4%および強スケーリング94.6%の並列化効率、ならびに、D3Q27格子ボルツマン法において弱スケーリング99.3%および強スケーリング56.5%の並列化効率を得た。局所細分化格子ボルツマン法においては、Flat MPI実装に比べてメモリ使用量を25.5%削減したが、並列化効率が9.0%と極めて低くなった。
小野寺 直幸
no journal, ,
放射性物質の拡散予測解析は核セキュリティの観点から非常に重要であり、迅速性および正確性が求められている。都市部に対する風況解析では、非常に高いレイノルズ数の乱流現象を捉える必要があるため、大規模計算が必須となる。そのような問題に対して、適合細分化格子法に基づく格子ボルツマン法によるCFD手法を開発すると共に、GPUスーパーコンピュータに対して最適化を行うことで大規模計算を実現した。本発表では、NVIDIAのDGX-2スーパーコンピュータを用いることで高解像度な実時間風況解析が可能であることを述べる。
長谷川 雄太; 小野寺 直幸; 井戸村 泰宏
no journal, ,
建造物が密集する都市部における汚染物質拡散予測を実現するため、GPUで高速に計算できる格子ボルツマン法に基づく風況解析コードCityLBMの開発を行っている。本発表では、CityLBMコードの省メモリ実装として、MPIバッファサイズの最適化、および建物内部や起伏のある地形の地下領域の格子をメモリ確保しないことによる格子点数の削減を行った。また、アンサンブル計算を行うため、MPIコミュニケータを分割し、1つのmpirunで全てのアンサンブルメンバーを管理するコードを実装した。本コードにてオクラホマシティでの野外トレーサー拡散実験を対象としたアンサンブル計算を行い、1ケースの計算では実験値と一致しなかった計算結果が、アンサンブル計算のばらつきの範囲で一致することを確認した。これにより、アンサンブル計算によって汚染物質拡散予測解析の信頼性を向上できることを示した。
長谷川 雄太; 青木 尊之*; 小林 宏充*; 井戸村 泰宏; 小野寺 直幸
no journal, ,
格子ボルツマン法を用いた空力解析を対象として、ブロック適合細分化格子法(AMR)を実装した。AMRにはforest-of-octreesに基づく木構造データを用い、領域分割法として空間充填曲線(SFC)を用いた。袖領域通信の削減のため、SFCに基づく領域分割に対して挿木法を提案した。これは、計算領域をいくつかの小領域に分割し、粗い構造格子的な領域分割と、細かいSFCによる領域分割に基づく階層的な領域分割を与える手法である。挿木法は、分割された領域の局所性を改善するとともに、袖領域の通信量および隣接プロセス数を削減することができる。Tesla V100 GPUスパコンで強スケーリングを測定したところ、挿木法により、従来のSFCに比べて1.82倍の高速化、および、128GPUで2207MLUPSの計算性能を達成した。
小野寺 直幸; 井戸村 泰宏; 長谷川 雄太; 中山 浩成; 下川辺 隆史*; 青木 尊之*
no journal, ,
本論文では、風況デジタルツインの実現に向けた現実的な乱流境界層再現のためのデータ同化手法を提案する。本研究グループでは、格子ボルツマン法に基づく汚染物質拡散解析コードCityLBMを開発している。CityLBMは、GPUスーパーコンピュータ上において、適合細分化格子法を用いることで、数km四方の実時間アンサンブル解析が可能である。ここでは、CityLBMの境界条件として、メソスケール気象予測モデルの風況データをナッジング法を用いて同化している。本研究では、観測データに基づいてパーティクルフィルタによりナッジング係数を動的に最適化する手法を新たに提案した。この手法により、終日の風況プロファイルが観測データと一致することが確認され、大気の状態が大きく変化する終日のシミュレーションに適用することが可能となった。
