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論文

Tree cutting approach for domain partitioning on forest-of-octrees-based block-structured static adaptive mesh refinement with lattice Boltzmann method

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

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$$sim$$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、8$$sim$$128GPU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。

報告書

格子ボルツマン法による水平層状二相流の界面成長及び変形の数値解析

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。

論文

Numerical simulation of the interfacial growth of the stratified wa vytwo-phase flow in the horizontal rectangular channel

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。

論文

格子ボルツマン法による水平層状二相流の界面成長及び変形に関する研究

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。

論文

格子ボルツマン法による矩形断面流路における水平層状二相流の界面成長に対する流路幅の影響の評価

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。

口頭

局所細分化格子ボルツマン法におけるGPU間相互接続技術を活用した高速化手法の検討

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。

口頭

Real-time wind simulation using locally mesh-refined lattice Boltzmann method

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。

口頭

局所細分化格子ボルツマン法による都市部を対象とした局所風況解析のアンサンブル計算に向けた省メモリ実装

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。

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