2. 2 メディアコンピューティング研究分野

2. 2 メディアコンピューティング研究分野

2. 2. 1  スタッフ

職名 氏名 専門分野

教授 牛島 省 数値流体力学

助教 山崎 浩気* 交通工学，交通シミュレーション

* 2013年1月より工学研究科所属（メディアセンター兼担）

2. 2. 2  研究内容紹介

圧縮性流体の保存型陰的解法の提案 温度や圧力の変化で体積の変化が顕著となる，比較的低マッハ数の圧縮性流 体の流れを解析する計算アルゴリズムを提案した．基礎方程式として，保存型表示された質量保存則，運動量保存 則およびエネルギー保存則と，状態方程式を用いる．領域分割並列化手法が適用しやすいコロケート格子を利用し て，有限体積法に基づく基礎方程式の離散化を行った．この解法を用いて，衝撃波伝搬の計算を行った結果，陽的 な解法と比較して数値的安定性が高く，しかも計算時間を短縮できることが確認された．また，密閉容器内の自然 対流現象に適用した結果，既往の研究結果と比較して妥当な解が得られた．今後は，解法の3次元化，並列計算手 法の導入を進め，実用的な大規模計算に応用する予定である．

熱的な連成を考慮した多相場の並列計算手法 2011年度に開発した，熱を含む流体構造連成問題（FSI問題）を扱 う並列解法の改良を行った．すなわち，多相要素を含む計算セルでは，その代表的な熱伝導率を体積平均値で与え ていたため，熱伝導率の異方性を正しく扱えなかったが，2012年度は，該当セルを多数サブセルに分解し，あら かじめ各方向の熱伝導率を計算しておき，その値をFSI問題の計算に用いるという手法に改良した．提案された計 算手法を3次元多孔質場の自然対流現象などに適用し，妥当な結果が得られることを確認した．

気液界面の高精度並列計算法の開発 非数値拡散フィルタ（Anti Numerical Diffusion fi lter, ANDフィルタ）やPLIC 法を発展させて，気液界面付近の気体あるいは液体の体積占有率を精度良く追跡できる解法を提案した．この解法 により，少ない計算セルで界面を表現し，界面張力を精度良く評価することが可能となった．この解法を，せん断 流中の液滴の変形・分裂問題や，落下液滴の大変形問題など，界面張力が支配的となる現象に適用して実験結果等 との比較を行い，提案手法の有効性を確認した．これらの研究結果を京都大学博士学位論文（藤岡奨，2013）とした．

汽水湖への並列流体計算法の応用 並列流体計算法の実用問題への応用として，エジプトの地中海沿岸にある汽水 湖（ラグーン）における物質拡散の予測手法の開発を進めている．この研究は，エジプト出身の留学生（工学研究 科・社会基盤工学専攻・博士後期課程）の教育課程の一環として行われている．

 2011年度は，2次元浅水流方程式に非圧縮性流体計算アルゴリズムを利用する解法を用いたが，2012年度は，3 次元解法を直接適用する計算を試みた．ラグーンの地形を計算に考慮し，ラグーンと海域が接続する狭い領域から 塩水がラグーン内に浸入する過程を計算した．

2. 2. 2. 2 山崎 浩気

交通データの大規模処理 日々蓄積される高速道路上の交通データを，限定された時間内で効率的に処理して，サー ビス水準の低下を招く原因の特定・診断をおこなうことが重要な課題である．一方で，並列プログラミング等の情 報学分野における並列計算技術，グリッドコンピューティングなどの計算処理プロセス研究が，21世紀に入って 以降，爆発的に進歩を遂げている．当研究分野では，進展した計算処理プロセス研究を活用して，多種多様な交通 データの統合的取扱い，即時的処理に関する融合的研究を行うことにより，簡易な操作で大規模データハンドリン グをおこないながら，広域から局所的な問題まで包括的に交通サービス水準を評価・診断できるシステム構築の検 討を進めた．2012年度は，データの処理法に関する研究を重点的に行い，多種データの特性把握，交通変動要因

把握のためのDB仕様・オンライン利用法の検討，交通データのマイニング手法に関する検討を行った．

並列型交通流シミュレーションに関する検討 本研究では，計算速度・計算可能範囲に優れて，大規模エリアで計 算可能な，並列型交通流シミュレーション構築を目的としている．2012年度には並列計算処理アルゴリズムの検 討の為，流体モデルを援用した交通流数理モデルの実装を行っている．今後，モデルの妥当性検証を実データ等を 用いて検証を行った上で，区間を分割演算したシミュレーション構築を目指す．

2. 2. 3 2012 年度の研究活動状況

（1） 2012年度の主な研究活動は，上記のとおりであり，1）圧縮性流体の保存型陰的解法の提案，2）熱的な連成 を考慮した多相場の並列計算手法，3）気液界面の高精度並列計算法の開発，4）汽水湖への並列流体計算法の 応用，5）交通流シミュレーションの並列計算手法，6）土木計画分野の高速計算需要への応答など，数値流体 力学・交通工学に関連する問題を中心として，従来の解法では取り扱いが難しかった課題にチャレンジする計 算手法の開発に取り組んできた．これらの成果の大半は，本センターのスーパーコンピュータを活用して得ら れたものであり，学会発表等を通じて，センターの研究活動を国内外へ積極的に公表した．

（2） エジプトのラグーンにおける流動計算を本センターのスーパーコンピュータを利用して実施し，JSPS二国間交 流事業共同研究／セミナー「ナイルデルタの統合水資源管理に向けた日本・エジプト水理水文ネットワークの 構築（JE-hydronet: Modern Methodologies for the Management, Monitoring and Planning of Integrated Water Resources in Nile Delta）」（日本側代表：京都大学防災研究所・角哲也教授）に参画して共同研究を進めた．

（3） 学際大規模情報基盤共同利用・共同研究拠点「分野横断型ハイパフォーマンス計算力学の新展開」（研究代表者：

牛島省） を通じて，本センターのスーパーコンピュータシステムを拠点とする共同研究を進めた．

（4） 一般財団法人電力中央研究所との共同研究「流体と構造物の熱的・力学的連成を考慮した数値解法の開発」を 通じて，本センターのスーパーコンピュータシステムを利用する計算手法の開発と実用問題への応用を進めた．

2. 2. 4  研究業績

2. 2. 4. 2 学術論文

 ・ 山下遼，岸本和也，永井克明，牛島省，多孔質体中を透過する自由水面流れの3次元並列計算，土木学会論文 集B1（水工学）Vol.68 No.4 I-1219-I-1224, 2012．

 ・ 山下遼，藤岡奨，牛島省，自由水面流中の接触を伴う複雑形状物体運動の並列計算法，土木学会論文集A2（応 用力学）Vol.68 No.2（応用力学論文集，Vol.15）I-171-I-178, 2012．

 ・ 藤岡奨，牛島省，収束計算を伴う界面捕捉手法による3 次元PLICのアルゴリズム，土木学会論文集A2（応 用力学）Vol.68 No.2 （応用力学論文集, Vol.15）I-207-I-216, 2012．

 ・ 鳥生大祐，牛島省，多相場モデルを用いた多孔質体内の自然対流の3次元計算，土木学会論文集B1（水工学）

Vol.69 No.4 I-613-I-618, 2013．

 ・ M. R. Soliman, and S. Ushijima, Climate change impact on el-burullus lake salinization process，土木学会論文集B1（水 工学）Vol.69 No.4 I-253-I-258, 2013.

 ・ H. Yamazaki, N. Uno and F. Kurauchi, The effect of a new intercity expressway based on travel time reliability using ETC data, IET-Intelligent Transport Systems 6(3), 306-317, 2012.

2. 2. 4. 3 国際会議

 ・ K. Maruyama, D. Toriu and S. Ushijima, Parallel computation for fl uid-structure thermal interactions with multiphase modeling, Proc. 10thWCCM APCOM 19797-CDROM, 2012.

 ・ D. Toriu, S. Ushijima and M. R. Soliman, 3D parallel multiphase-computational method for local scouring in downstream of hydraulic jump, Abstract of 18th IAHR-APD PS5-43 USB, 2012.

175 2. 2 メディアコンピューティング研究分野

 ・ M. R. Soliman and S. Ushijima, 2D morphological model using parallel MACS algorithm, Proc. of 18th IAHRAPD S4C-6 USB, 2012.

 ・ H. Yamazaki, N. Uno, T. Sugimoto, Y. Shiomi and H. Shimamoto, A study of variation factors of observed speed on intercity expressway, The 5th International Symposium on Transportation Network Reliability, 2012.

2. 2. 4. 4 国内会議

 ・ 山下遼，藤岡奨，牛島省，流体との力学的連成を考慮した接触を伴う複雑形状物体運動の並列計算法，計算工 学講演会論文集Vol.17 B-4-3，2012．

 ・ 藤岡奨，牛島省，界面の平面近似によるフラックス評価を用いたVOF関数移流計算，計算工学講演会論文集 Vol.17 E-2-3，2012．

 ・ 鳥生大祐，牛島省，多相場モデルによる自由水面流中の砂面変形の数値解法，計算工学講演会論文集Vol.17 E-1-1，2012．

 ・ M. R. Soliman and S. Ushijima，Two-dimensional salinity simulation of El-Burullus shallow coastal lake using parallel MACS algorithm，計算工学講演会論文集Vol.17 B-4-4，2012．

 ・ 樫山和夫，牛島省，寺田賢二郎，岡澤重信，木村一郎，中畑和之，浅井光輝，松本純一，岩下武史，小山田耕二，

マルチフィジックスおよび最適化に向けたハイパフォーマンス計算力学，学際大規模情報基盤共同利用・共同 研究拠点平成23年度研究最終報告書11-NA04，2012．

 ・ 山崎浩気，岸本和也，牛島省，並列シミュレーションのための交通流体表現に関する研究，日本流体力学会年 会2012，2012．

2. 2. 4. 5 その他研究会等

 ・ 山崎浩気，大型計算機の交通計画分野活用，交通工学研究会第2回若手交流会，2012．

2. 2. 5 研究助成金・受託研究・寄附金

 ・ 牛島省，共同研究，「流体と構造物の熱的・力学的連成を考慮した数値解法の開発」，財団法人電力中央研究所

（3150千円），平成24年度．

 ・ 山崎浩気，科学研究費補助金，若手研究（B），「交通管制効率化にむけた多種データの並列化・即時的処理手 法の検討」（398千円），2012〜2014年度．

 ・ 山崎浩気（分担者），科学研究費補助金，基盤研究（C），「高速道路における動的かつ能動的な交通流マネジ メント手法に関する研究」代表者・立命館大学・塩見康博（180千円），2012〜2014年度．

2. 2. 6  特許等取得状況

 該当なし

2. 2. 7  博士学位論文

 •藤岡奨，高精度界面捕捉法の開発と気液混相流数値計算への応用，牛島省，2013年3月．

2. 2. 8  外国人来訪者

 該当なし