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Research achievements in the past

Research achievements so far are listed below.
 



Simulation of Ultra-small Semiconductor Devices

Author: Nobuya Mori, Yuma Kajiwara, Shintaro Makihira, Sungwoo Kim 
Affiliation: Graduate School of Engineering, Osaka University

極めて微細な半導体素子において,量子力学的な効果が,デバイス特性に与える影響を調べることを目的とした.

非平衡グリーン関数法を用いた電子・フォノンの連成輸送計算,Barker-Ferry方程式を用いた高電界輸送特性解析,量子ドリフト拡散モデルに基づくナノシートトランジスタのシミュレーションを行った.

電子・フォノン連成シミュレーションでは,ドラッグ効果によるフォノン熱コンダクタンスの変化を確認した.また, Barker-Ferry方程式を零固有値問題に帰着して解くことに成功した.さらに,ナノシートトランジスタのシミュレーションを行った結果,古典的な手法では,電子は周辺部に多く分布するが,量子論では,中央に多く分布することなどが分かった.

Numerical Approach to the particle and nuclear physics

Author: Yuko Murakami, Shin Muroya, Atsushi Nakamura, Chiho Nonaka, Motoo Sekiguchi, Hiroaki Wada, Masayuki Wakayama 
Affiliation: RCNP(Research Center for Nuclear Physics) Group

核物理研究センターでは、サブアトミック世界の強い相互作用の基本原理である量子色力学(QCD)を中心に、素粒子・ハドロン・原子核物理学とその関連分野にわたる研究を、全国の共同利用研究者とともに行っている。スーパーコンピューターは、大規模計算を必要とする理論的な研究に使われている。その内容は、格子QCDによる数値シミュレーション、原子核構造及びハドロン物理現象論の数値的な解法である。
(i) 格子QCD

ハドロン分光学(質量などの計算)とハドロン間相互作用、クォーク間相互作用、有限温度・密度における真空の性質、閉じ込め・カイラル対称性の問題

(ii) 少数多体系・ハドロン物理現象論

3-4核子系の精密計算、ハドロン生成反応の理論解析に基づくハドロン共鳴

(iii) 核構造

原子核密度汎関数法

(iv) その他

2次元格子フェルミオン系、超新星爆発、弦理論

Making inflow database including weather disturbance for LES of urban boundary layer

Author: Hidenori KAWAI, Hiroki SUYAMA, Tetsuro TAMURA 
Affiliation: Institute of Technology

本課題では都市キャノピー内外の乱流構造とピーク風速の発生過程を分析するために、気象擾乱を含んだ都市境界層LESのための流入条件データベースを作成した。WRF-LESによって得られた風速場に空間フィルタリング・リスケーリング手法を用いた準周期境界条件を課す方法を適用し、その乱流構造を分析するとともに流入条件を作成した。その結果、 空間フィルタリング・リスケーリング手法を適用した流入条件では、WRF-LESにおいて確認された800m付近の高さまで数百mスケールの風速の変動構造を維持しながら高周波な変動成分が付加されていることを確認した。

Numerical simulation of weld pool formation in arc welding process

Author: Yosuke Ogino 
Affiliation: Graduate school of engineering, Osaka University

目的 アーク溶接プロセスにおける溶融池形状や温度履歴を予測するシミュレーションモデルを構築する.
内容 溶融金属の流動と表面変形挙動を計算するモデルならびにGUIを開発し,溶接時の溶込み形状や温度履歴など溶融池形成現象をシミュレーションした.
結果 溶接姿勢や溶接対象物の形状に依存した溶融池形成現象をシミュレーションし,熱源モデルの設定により実験結果を再現することができた.

Numerical Study on Compressible Viscous Flow including Supersonic Combustion

Author: Nobuyuki Tsuboi 
Affiliation: Department of Mechanical and Control Engineering, Kyushu Institute of Technology

マッハ数3程度の超音速空気流中に音速の水素が噴射した場合の衝撃波/境界層干渉と水素拡散の挙動を明らかにするために,化学種の質量保存を含む3次元非定常圧縮性粘性解析を行った.大規模な並列を行うことで,効率的に計算結果を得ることが可能となった.そして,噴流の上流側のせん断層や噴流背後の後流域において渦構造が存在し,空気と混合していることが分かった.

Ab initio approach to light nuclear systems based on quantum chromodynamics

Author: Hidekatsu NEMURA 
Affiliation: RCNP Osaka University

Comprehensive study of generalized baryon-baryon interaction including strangeness is one of the important subject of nuclear physics. In order to obtain a complete set of isospin-base baryon interactions, we perform a large scale lattice QCD calculation with almost physical quark masses corresponding to $(m_{\pi}, m_{K})\approx(146,525)$~MeV and large volume $(La)^4=(96a)^4\approx(8.1~{\rm fm})^4$. A large number of Nambu-Bethe-Salpeter correlation functions from nucleon-nucleon to $\Xi\Xi$ are calculated simultaneously. For the moment, we focus on the strangeness S=-1 channels of the hyperon interactions by means of HAL QCD method. Scattering phase shifts are calculated for $\Sigma N (I=3/2)$ system.

Unveiling dynamic structure of dielectric relaxation in liquid water

Author: Takuya Iwashita 
Affiliation: Division of Natural Sciences, Oita University

概要:水の誘電緩和スペクトルは、水分子のダイナミクスを解明する上で重要な手法でる。水の誘電緩和スペクトルは、水分子の配向緩和ダイナミクスに起因しており,10ps領域にデバイピークをもつのが典型的な特徴である。このデバイピークの微視的起源は未だに議論がなされている。本研究では、デバイピークの起源を調べるために、古典分子動力学シミュレーションデータから配向緩和の時間空間相関を計算し、相関時間や相関距離を見積もった。

Large scale atomistic simulation of crack propagation in amorphous metals

Author: Hongxian Xie, Akio Ishii, Shigenobu Ogata 
Affiliation: Graduate School of Engineering Science, Osaka University

大規模分子動力学シミュレーションにより金属アモルファスを作成し、作成した原子モデルに対して同シミュレーション手法を用いてせん断負荷を印加することにより、金属アモルファス材料中のき裂成長過程を解析した。その結果、切り欠き部から原子ひずみの高い領域が帯状に形成され、せん断き裂が成長する過程が観察できた。き裂が途中で細かく分岐すること、き裂成長に伴ってき裂部の温度が摩擦により上昇することがわかった。

Numerical Approach to the particle and nuclear physics

Author: Masayuki Wakayama, Atsushi Nakamura, Hideaki Iida 
Affiliation: RCNP(Research Center for Nuclear Physics) Group

核物理研究センターでは、サブアトミック世界の強い相互作用の基本原理である量子色力学(QCD)を中心に、素粒子・ハドロン・原子核物理学とその関連分野にわたる研究を、全国の共同利用研究者とともに行っている。スーパーコンピューターは、大規模計算を必要とする理論的な研究に使われている。その内容は、格子QCDによる数値シミュレーション、原子核構造及びハドロン物理現象論の数値的な解法である。
(i) 格子QCD

ハドロン分光学(質量などの計算)とハドロン間相互作用、クォーク間相互作用、有限温度・密度における真空の性質、閉じ込め・カイラル対称性の問題

(ii) 少数多体系・ハドロン物理現象論

3-4核子系の精密計算、ハドロン生成反応の理論解析に基づくハドロン共鳴

(iii) 核構造

原子核密度汎関数法

(iv) その他

2次元格子フェルミオン系、超新星爆発、弦理論

Optimizing memory access patterns of SX-ACE program on parallel code generator Flint

Author: Masao Okita, Yuichiro Ishida and Kenichi Hagihara 
Affiliation: Graduate School of Information Science and Technology, Osaka University

本研究では,不規則なアクセスパターンを持つSX-ACEプログラムを対象に,メモリアクセス性能の高いアクセスパターンへ変換する方法を探る.
SX-ACEでは,ベクトル化の対象となる配列の定義および参照において,配列要素へ線形アクセスを行う場合にアクセス性能が高い.そこでベクトル化されるループの順番を入れ替えることでアクセスパターンを線形に変換する最適化手法が存在する.ただし,複数のベクトルデータ間で参照する配列要素に重複がある場合,線形アクセスの最大化には組み合わせ最適化を解く必要がある.
本研究は,メモリアクセス性能の高いアクセスパターンを貪欲法に基づいて求める手法を提案する.ベクトルデータごとの空間局所性を定量的に予測し,局所性の向上を期待できる順にループの順番と配列要素の配置を決定する.大規模な心筋細胞の膜電位シミュレーションプログラムに適用した結果,単純な手法と比較して,線形アクセスの割合を30%から60%に増大し,実行時間を最大15%削減した.

Numerical Approach to the particle and nuclear physics

Author: Hideo Matsufuru 
Affiliation: RCNP(Research Center for Nuclear Physics) Group

核物理研究センターでは、サブアトミック世界の強い相互作用の基本原理である量子色力学(QCD)を中心に、素粒子・ハドロン・原子核物理学とその関連分野にわたる研究を、全国の共同利用研究者とともに行っている。スーパーコンピューターは、大規模計算を必要とする理論的な研究に使われている。その内容は、格子QCDによる数値シミュレーション、原子核構造及びハドロン物理現象論の数値的な解法である。
(i) 格子QCD
ハドロン分光学(質量などの計算)とハドロン間相互作用、クォーク間相互作
用、有限温度・密度における真空の性質、閉じ込め・カイラル対称性の問題

(ii) 少数多体系・ハドロン物理現象論
3-4核子系の精密計算、ハドロン生成反応の理論解析に基づくハドロン共鳴

(iii) 核構造
原子核密度汎関数法

(iv) その他
2次元格子フェルミオン系、超新星爆発、弦理論

Estimation of Propagation Characteristics for Wireless Avionics Intra-communications System for Aircraft of Next Generation

Author: 日景 隆 
Affiliation: 北海道大学大学院情報科学研究科

航空機の運用コスト低減や非常用照明や気圧センサーなど各種センサーの高機能・高性能化などを目的とし,現航空機で用いられている膨大なワイヤーハーネスを無線により代替する新たな無線通信規格(WAIC)が検討されている.本研究では,大規模数値シミュレーションを用いることにより,WAICシステムの機内外における伝搬特性についてmmオーダーの空間分解能で電界強度分布の評価を実現した.

Numerical analysis of a mean-field theory for colloidal glasses

Author: Hajime Yoshino 
Affiliation: Cybermedia Center

最近我々が開発した並進・回転自由度を併せ持つ粒子系のガラス転移に関する平均場理論を用い、パッチコロイドよび楕円体コロイドにおける並進・回転自由度のガラス転移を解析した。具体的にはこの平均場理論によって与えられる状態方程式を数値的に解き、並進・回転自由度のガラス秩序パラメータなどの振る舞いを解析した。SX-ACEでのベクトル化・並列化(openmp)を用いることにより、状態方程式の解析で必要な多重積分を高速に実行することができた。その結果、広いパラメータ領域での解析を行い、相図を明らかにすることができた。

The improvement of deep learning model to generate high-resolution and multi-frame video from caption

Author: Seiya Murata1, Chonho Lee2 
Affiliation: 1 Graduate School of Information Science and Technology, Osaka University, 2 Cybermedia Center, Osaka University

Generative Adversarial Network (GAN)モデルを活用したCaption(文章)からの高解像・多フレームな動画を生成する時に生じる空間的、時間的、意味的問題に対して、動画生成の多段階化、Temporal Generatorの導入、Caption中の単語の活用を行いGANモデルを改良した.提案手法が既存手法(TGANs-C)よりも、Captionに忠実で鮮明な動画をより高解像・多フレームで生成できることを確認した.

Numerical Approach to the particle and nuclear physics

Author: Kohsuke Sumiyoshi 
Affiliation: RCNP(Research Center for Nuclear Physics) Group

核物理研究センターでは、サブアトミック世界の強い相互作用の基本原理である量子色力学(QCD)を中心に、素粒子・ハドロン・原子核物理学とその関連分野にわたる研究を、全国の共同利用研究者とともに行っている。スーパーコンピューターは、大規模計算を必要とする理論的な研究に使われている。その内容は、格子QCDによる数値シミュレーション、原子核構造及びハドロン物理現象論の数値的な解法である。
(i) 格子QCD

ハドロン分光学(質量などの計算)とハドロン間相互作用、クォーク間相互作用、有限温度・密度における真空の性質、閉じ込め・カイラル対称性の問題

(ii) 少数多体系・ハドロン物理現象論

3-4核子系の精密計算、ハドロン生成反応の理論解析に基づくハドロン共鳴

(iii) 核構造

原子核密度汎関数法

(iv) その他

2次元格子フェルミオン系、超新星爆発、弦理論

Numerical Approach to the particle and nuclear physics

Author: Etsuko Itou, Kei Iida, Tong-Gyu Lee 
Affiliation: RCNP(Research Center for Nuclear Physics) Group

核物理研究センターでは、サブアトミック世界の強い相互作用の基本原理である量子色力学(QCD)を中心に、素粒子・ハドロン・原子核物理学とその関連分野にわたる研究を、全国の共同利用研究者とともに行っている。スーパーコンピューターは、大規模計算を必要とする理論的な研究に使われている。その内容は、格子QCDによる数値シミュレーション、原子核構造及びハドロン物理現象論の数値的な解法である。
(i) 格子QCD

ハドロン分光学(質量などの計算)とハドロン間相互作用、クォーク間相互作用、有限温度・密度における真空の性質、閉じ込め・カイラル対称性の問題

(ii) 少数多体系・ハドロン物理現象論

3-4核子系の精密計算、ハドロン生成反応の理論解析に基づくハドロン共鳴

(iii) 核構造

原子核密度汎関数法

(iv) その他

2次元格子フェルミオン系、超新星爆発、弦理論

Electronic properties of low-dimensional nanoscale materials

Author: Susumu Okada 
Affiliation: University of Tsukuba

本プロジェクトでは、各種異種物質ならびに外部電界と広義複合構造を形成した低次元ナノスケール物質に着目し、複合構造形成下における電子物性の変調の可能性を密度汎関数理論に基づく第一原理計算の手法と有効遮蔽媒質法を組み合わせることにより明らかにした。
 本年度は、グラフェン端からの電界電子放出現象に対して、その物性現象の微視的かつ定量的な解釈を与えるため、強電界が印加された、種々のグラフェン端の電子物性を、端の形状に着目して解析を行った。その結果、グラフェン端からの電界電子放出による電流密度は、グラフェンの端形状に強く依存することが明らかになった。我々は、アームチェアと呼ばれるエネルギー的に最も安定な端形状を有するグラフェン端からの電流密度が最も大きく、逆にジグザグと呼ばれる端からの電流が最も小さいことを明らかにした。さらに、放出電流密度は、端に吸着された化学官能基種に強く依存することが明らかになった。特に水酸基、水素、カルボニル基といった端に電気的な双極子モーメントを誘起する官能基種により終端された端からは高い電流密度が得られることが明らかになった。

Numerical Simulation on Mixing Control of Free Jet

Author: Koichi Tsujimoto 
Affiliation: Division of Mechanical Engineering, Graduate School of Engineering, Mie University

2つの噴流を配置した自由/衝突噴流を間欠的に噴出させるダイナミック制御と、単独の開花噴流のDNS(Direct Numerical Simulation)を行い,流動・混合/伝熱特性を評価した.自由噴流の場合,上流側で渦構造が間欠的に形成され,特定の制御周波数及び噴流間隔で,噴流が分岐し発達すること,周囲との混合が著しく促進されることを明らかにした.衝突噴流の場合,噴流間距離に関わらず噴流間の吹上げが抑制され,噴流間の伝熱特性が大きく改善されることを明らかにした.開花噴流について流動特性と混合・拡散特性を定量的に評価した結果.通常の自由噴流と比較して,開花噴流はより高い混合性能を有することを明らかにした.

Simulation study of cardiac electrical excitation using virtual heart model

Author: Shin Inada1, Ryo Haraguchi2, Takashi Ashihara3, Kazuo Nakazawa4 
Affiliation: 1Faculty of Health Sciences, Morinomiya University of Medical Sciences, and National Cerebral and Cardiovascular Center, 2Graduate School of Applied Informatics, University of Hyogo, 3Department of Cardiovascular Medicine, Shiga University of Medical Science, and National Cerebral and Cardiovascular Center, 4Faculty of Health Sciences, Morinomiya University of Medical Sciences, and National Cerebral and Cardiovascular Center

目的:スーパーコンピュータ上に仮想心臓モデルを構築し,電気生理学シミュレーションを行うことで致死性不整脈のメカニズム解明や,予防・診断に役立たせることを目的している.内容:心筋細胞の電気的興奮に伴う電位変化(活動電位)を再現することが可能なユニット約2,000万個を組み合わせて心室形状モデルを構築した.モデルには,心外膜から心内膜にかけての電気生理学的性質の不均一性を組み込んだ.本研究では,遺伝性の心臓疾患の一つであるブルガダ症候群を想定し,心筋組織内の電気的興奮伝導障害の領域を設定し,伝導障害と心室性不整脈の誘発性および持続性との関係について検討した.その結果,伝導障害領域から正常な心筋組織への不規則な電気的興奮の広がりが不整脈発生のきっかけになることが明らかになるとともに,伝導障害領域が不整脈の持続性にも関与していることが明らかとなった.また,不整脈の誘発性や持続性は,伝導障害領域の部位,伝導障害領域の大きさ,障害の程度などが影響することも明らかとなった.さらに,同一の心臓モデルを用いた研究として,心室内からの不規則な電気的興奮(期外収縮)に伴う不整脈の発生機序を検討するとともに,心電図の特徴量の変化を解析することで,不整脈の発生起源を推定するための研究も併せて行った.

Consideration of numerical PIV measurement on turbulent premixed flames using DNS

Author: Kazuya TSUBOI 
Affiliation: Okayama University

乱流予混合火炎において重要な特性のうち,火炎変位速度を求めるために必要な局所流速の計測精度を評価するため,DNSデータを用いて現実のPIVにより近い数値計測手法を構築する.
3次元DNSによって構築された乱流予混合火炎のデータに対してサブピクセル補間を用いた数値PIV計測を行うことで,本来の数値計算によって算出される局所流速と数値PIV計測によって計測された局所流速の値を比較し,計測された局所流速にサブピクセル補間が与える影響を調べた.
本研究の条件下において,数値PIV計測にサブピクセル補間を用いた場合と用いない場合とでは,サブピクセル補間を行った場合の方がDNSと数値PIV計測の局所流速の間に高い相関が見られた.

Molecular dynamics simulation for thermal engineering at microscale

Author: Masahiko Shibahara ,Yoshitaka Ueki, and Kunio Fujiwara 
Affiliation: Department of Mechanical Engineering, Graduate School of Engineering, Osaka University

ナノ・マイクロメートルスケールのエネルギー輸送現象を原理的に理解して制御することを目的として,ナノ構造が凝縮過程や凝縮時の熱抵抗に与える影響を,分子動力学法を用いて調査した.また壁面での凝固現象が微粒子に及ぼす影響に関しても分子動力学解析を用いて現象解明を行った.
そのために大規模可視化対応PCクラスタを用いた.

Three dimensional PIC simulation of laser-driven magnetic reconnection

Author: LAW King Fai Farley 
Affiliation: Institute of Laser Engineering, Osaka University

目的 LFEXレーザーに照射されたスネイルターゲットで発生させた磁気リコネクション現象によるべき乗則粒子加速をシミュレーションで検証する。
内容 三次元Particle In Cell(PIC)コードを利用し、実験より縮小させた計算空間スケールで、スネイルターゲットの軸方向に加速されたプロトンのエネルギー分布を調べた。
結果 べき乗則のプロトンエネルギー分布がシミュレーションでも観測され、実験結果を定性的に再現させることに成功した。

Direct Numerical Simulation of Dissimilarity of Momentum and Heat Transfer in Pulsating Turbulent Flows

Author: Yutaka Oda 
Affiliation: Faculty of Engineering Science, Kansai University

エンジン筒内の熱損失を高精度に予測する乱流伝熱モデルの開発を目標に,その基礎的な乱流場である脈動を伴う乱流熱伝達場を対象として,運動量輸送と熱輸送の相似性について検討を行った.H30年度はエンジンの低速~中速回転数域に対応する脈動条件(周波数10~80Hz)において平行平板間の脈動乱流熱伝達の直接数値計算を実施した.その結果,周波数が大きくなるほど運動量/熱輸送の非相似性が強まることが分かった.

Development of data-driven grand canonical Monte Carlo method

Author: Ei Kasuya, Shuhei Shinzato, Shigenobu Ogata 
Affiliation: Graduate School of Engineering Science, Osaka University

原子構造緩和の効果を考慮するグランドカノニカルモンテカルロ法では、原子浴の緩和計算に多大な時間を要するため、これをデータベース化して用いることにより高速化を実現した。データベースを用いることにより100,000原子程度の粒子浴を用いる場合に約100倍程度の高速化が実現できた。本手法を用いて金属粒界への固溶元素の偏析の解析を行い、偏析量の固溶元素濃度依存性、環境温度依存性、粒界性格依存性が解析可能であることがわかった。

Large eddy simulation of two-dimensional turbulent jet using the structure function model.

Author: Takashi YOSHIDA, Ryouma SATO, Haruka NISHIKAWA 
Affiliation: Shinshu University, Faculty of Engineering

構造関数モデルを用いたLarge Eddy Simulationで二次元乱流噴流の発達を調べることを目的とする.レイノルズ数6000, 10000の二次元乱流噴流をLESで計算し,統計量を実験値と比較し解析した.構造関数モデルは数値的に安定で,時間平均速度や乱れ強さは実験値と一致する結果が得られた.

Direct Imaging Search for Extrasolar Planets around Young Stars, and Development of FITE (Far-Infrared Interferometric Telescope Experiment)

Author: Jun Sudo 
Affiliation: Department of Earth and Space Science, Graduate School of Science, Osaka University

目的:SEEDS (Strategic Exploration of Exoplanets and Disks with Subaru)プロジェクトによる太陽系外の巨大ガス惑星の探査、および気球搭載遠赤外線干渉計FITE(Far-Infrared Interferometric Telescope Experiment)の開発。
内容:すばる望遠鏡を用いて年齢が1億年程度の恒星を撮像観測したデータを解析した。また、開発中のFITE構体の強度を計算するため構造解析を行なった。
結果:2009年10月から2015年1月までで40天体を観測し褐色矮星を3つ(うち1つは新規発見)を発見した。また、FITEは2019年以降の打ち上げに向けて開発を進めている。

Atomistic simulation of nucleation of twin in Mg crystal

Author: Akio Ishii, Keisuke Yamazoe, Ryo Henzan, Shigenobu Ogata  
Affiliation: Graduate School of Engineering Science, Osaka University

双晶核生成過程の原子構造変化の詳細を調べることで核生成プロセスを原子レベルで明らかにすることを目的として、4000原子を含むHCP解析モデル結晶をMEAMポテンシャルで駆動し、300Kおよび2.8GPaの有限温度・有限せん断応力下で分子動力学解析を実施し、核生成過程を観察した。その結果、生成した核の境界がBP(Basal-Prism)境界、PB(Prism-Basal)境界、双晶境界によって構成されていることがわかった。また、核の成長(境界の移動)は、一様せん断変形と、原子対の回転(シャッフリング)がカップリングして実現されていることもわかった。

Transition Processes of Wall-bounded Shear Flows of Newtonian and Viscoelastic Fluids

Author: Takahiro TSUKAHARA1, Takuya KAWATA1, Hirotaka MORIMATSU1, Shunsuke FUJIMURA1, Kazuki TAKEDA1, Yuki AKECHI2, Ryo TANAKA2, Tomohiro NIMURA2, Hiroya YAMASAKI2, Kei NITTA2, Takeru TOMIOKA2, Takehiro FUKUDA2, Masaki HANABUSA2 
Affiliation: 1Department of Mechanical Engineering, Tokyo University of Science, 2Department of Mechanical Engineering, Tokyo University of Science

壁面せん断流の亜臨界乱流遷移において,その遷移過程と発現構造は複雑で,理論的アプローチが困難である.特に,ポリマー溶液などの粘弾性流体という非ニュートン流体となれば,ポリマー応力などの付加的応力やレオロジー特性時間(緩和時間)に依存してより複雑な遷移過程を呈する.本研究では,Giesekus粘弾性モデル流体流れの直接数値シミュレーションを行い,低レイノルズ数下での粘弾性による流動構造の変化や(ニュートン流体を含む)乱流遷移過程の変化を調査した.今年度は他に,テイラークエット流や,分散性粒子を含む固液二相流,OpenFOAMを用いた気液界面を含むミリスケール液滴・液膜の解析などを行った.

Development of a computational method for genomic structural variant analysis by direct read comparison

Author: Yuki Kato 
Affiliation: Graduate School of Medicine, Osaka University

腫瘍由来のゲノム構造変異や、ゲノム編集で生じ得るオフターゲット変異を、簡便かつ高精度に検出する計算方法が求められている。本研究では、正常サンプルおよび変異サンプルのハイスループットシークエンサーから得られる配列リード群を直接比較することで、ゲノム参照配列へのマッピングが原則不要で、かつ複雑なフィルタリングも不要な変異検出法Bivartectを開発した。シミュレーションデータでは、Bivartectは既存手法に比べて同等以上の精度を達成した。また、実際のゲノム編集データで、他手法に比べて候補変異数が圧倒的に少なく、かつ既知の変異を含んでいることから、提案手法は変異検出における擬陽性率の低減に貢献すると期待される。

Deep learning network by efficient discretisation of stochastic differential equation

Author: Shuhei Miyamoto 
Affiliation: Graduate school of engineering science Masaaki Fukasawa, Graduate school of engineering science

深層学習の層の設計において、近年そのパフォーマンスの良さが注目されているResNetなどは、ODEなど連続時間のダイナミクスの離散化として解釈できることが指摘されている。そこでランダマイズした層の設計のために、SDEの離散化に関する最新の知見を応用し、既存手法より少ないパラメータ数、したがって少ないメモリ使用で、同等の精度の判別精度を得ることが出来た。

Development of Nanoprofiler using normal vector tracing method

Author: Kota Hashimoto 
Affiliation: Graduate School of Engineering, Osaka University

近年、形状自由度が高く高精度な光学素子の需要が様々な分野で拡大しており、それに伴いそれらの光学素子の形状を高精度に測定する技術が必要となっている。我々は、レーザーの直進性とゴニオメータの高精度回転を利用し非接触かつ参照面不要での自由曲面形状の測定を可能にする、法線ベクトル追跡型三次元形状測定装置の開発を行っている。我々は繰り返し性1 nm以下、不確かさ10 nm以下での測定精度を目標としている。その目的達成に向け、平面および球面ミラーを用いた装置の性能評価、自由曲面ミラーの形状測定、計算機を用いた系統誤差シミュレーションとフィッティングを行っている。

Direct numerical simulation of solidifying liquid turbulent flow

Author: Takashi Ohta 
Affiliation: University of Fukui

フェーズフィールド法と乱流の直接数値シミュレーションを組み合わせて,固液相変化を伴う乱流境界層を再現した.その結果,流れ場の瞬時構造の観察から,乱流の擾乱によって初期の凝固組織が発生していた.その後,主流によって下流に移流しながら,壁面形状が上流に向かって成長していた.壁付近の乱流に存在する流れの瞬時構造に対応した凝固組織が生成され,生成された凝固組織によって乱流構造が変化することが明らかになった.

Numerical Simulation of Hydrogen Combustion

Author: Kamiya Tomohiro 
Affiliation: Graduate School of Engineering, Gifu University

高圧で液体水素が貯蔵されているタンクに穴が開いた場合,高圧の水素が雰囲気へと高速噴射され,気液間の相互作用により微粒化する.その後,蒸発および空気と混合を経て水素空気の混合気体ができる.そのため,液体水素の数値シミュレーションを行うためには,微粒化を精度よく予測する必要がある.そこで,本研究では,液体が気液間の相互作用により微粒化されていく過程を数値解析し,微粒化を予測するモデルを提案することを目的とする.

Hydrodynamic simulation of HEDP Experiment

Author: Chang LIU 
Affiliation: Osaka University,Institute of Laser Engineering

We use the FLASH code to simulate the experiment. Six laser beams illuminate a low density (1mg/cc) foam filled Polyimide cylinder and turned the foam into plasma. An initial parallel seed magnetic field is compressed by the laser-produce plasma.

Numerical simulations of flow and water-quality in lakes, rivers, and estuaries

Author: Yusuke Nakatani1,Kensuke Ishino1,Yosuke Tanabe1,Kazuya Taniguch1i,Yuji Nakamura1,Taiga Hirose2 
Affiliation: 1 Division of Global architecture, Graduate school of Engineering, Osaka University, 2 Division of Global architecture, School of Engineering, Osaka University

3D流体環境モデルSCHISM,FVCOM,CADMUS-SURF/3Dを用いて,琵琶湖の水質に及ぼす気候変動の影響シミュレーション,高閉鎖性海域における流動・水質シミュレーション,感潮河川における浮遊汚泥の挙動シミュレーション,河川舟運を利用した水質改善シミュレーションなどを行った.

Numerical Approach to the particle and the nuclear physics

Author: Takehiro Hirakida, Etsuko Itou, Hiroaki Kouno 
Affiliation: RCNP(Research Center for Nuclear Physics) Group

核物理研究センターでは、サブアトミック世界の強い相互作用の基本原理である量子色力学(QCD)を中心に、素粒子・ハドロン・原子核物理学とその関連分野にわたる研究を、全国の共同利用研究者とともに行っている。スーパーコンピューターは、大規模計算を必要とする理論的な研究に使われている。その内容は、格子QCDによる数値シミュレーション、原子核構造及びハドロン物理現象論の数値的な解法である。
(i) 格子QCD

ハドロン分光学(質量などの計算)とハドロン間相互作用、クォーク間相互作用、有限温度・密度における真空の性質、閉じ込め・カイラル対称性の問題

(ii) 少数多体系・ハドロン物理現象論

3-4核子系の精密計算、ハドロン生成反応の理論解析に基づくハドロン共鳴

(iii) 核構造

原子核密度汎関数法

(iv) その他

2次元格子フェルミオン系、超新星爆発、弦理論

Development of linear unstable modes in supersonic Batchelor vortex

Author: Toshihiko Hiejima 
Affiliation: Department of Aerospace Engineering, Osaka Prefecture University

超音速 Batchelor 渦における微小攪乱の成長を捉えるために,3つの差分精度スキームを使って線形攪乱の空間発達を調べ,発達する攪乱の固有関数分布から攪乱の増幅率と線形発達域を求めた。

Large eddy simulation of wind loads on solar panels

Author: Jingxue Wang 
Affiliation: Tokyo Polytechnic University Wind Engineering Research Cente

Roof-mounted solar panels play an increasingly important role in developing renewable energy. Wind loading is a major concern for these systems and is affected by the flow turbulence induced by building, inclined solar arrays geometries and of course, approaching turbulence in the atmospheric boundary layer. The wind pressure characteristics on roof-mounted solar panels were firstly examined by the wind tunnel tests and proved to behave differently compared with those roof pressures. The Large Eddy Simulation (LES) has been carried out to examine the flow field responsible for the wind pressures on solar panels using OpenFOAM. The significance of large-scale vortex induced by the roof edge, such as typical separated-reattached flow and conical vortices, and the local flow around the panels is evaluated for both normal and oblique wind directions.

Simulation of electric potential in ionosphere plasma

Author: Chihiro Yamanaka 
Affiliation: Department of Earth and Space Science, Graduate School of Science, Osaka University

スーパーコンピューターを用いた大規模粒子シミュレーション( Particle In Cell ; PIC )を実施し、電離層プラズマ中の電位分布を評価した。

Implosion simulation in an external magnetic field using FLASH

Author: Kazuki Matsuo 
Affiliation: Institute of Laser Engineering, Osaka University

外部磁場中での爆縮計算を世界で幅広く使われているオープンソースの多次元輻射流体コードFLASHを用いて計算した.初期に5Tの外部磁場を印可した円筒のターゲットをレーザーで圧縮し,最大圧縮時刻における磁場の強度を見積もった.圧縮された磁場は最大で500Tに達した.初期の磁場を大きくすればより強い圧縮磁場を作ることも可能である.

Heat distribution analysis of CFRP panel struck by lightning

Author: Koki Ueno 
Affiliation: Graduate School of Science and Engineering, Doshisha University

炭素繊維強化プラスチック(Carbon Fiber Reinforced Plastics, CFRP)は近年様々な分野において利用がされているが,航空宇宙分野,特に航空機においては重量比で約50%のCFRPが利用されてきている。しかし,CFRPは各層の構造上,炭素繊維と樹脂による著しい導電率異方性を有している。このような各層の構造は複雑な電流分布や熱分布を引き起こす要因よなっている。そこで,本研究では,FDTD法(Finite Difference Time Domain)を用いて雷撃を受けたCFRPパネルの熱分布解析を行った。

Finding locating arrays using a SAT solver

Author: Tatsuhiro Tsuchiya 
Affiliation: Graduate School of Information Science and Technology, Osaka University

組み合せデザインの一種であるローケーティングアレイを生成する.ローケーティングアレイは,ソフトウェアのテストにおいて,故障検出と特定を可能にするテスト集合として利用できる.具体的な方法は,ロケーティングアレイの存在判定をブール式の充足可能性問題に帰着して,Glucose SATソルバを用いて解くことである.実験の結果,いくつかの問題例について,これまででは最小のロケーティングアレイを発見できた.

Understanding of generative mechanisms of lethal arrhythmias and establishing its control methodology

Author: Kunichika Tsumoto 
Affiliation: Department of Physiology, Kanazawa Medical University

心臓組織上での電気的興奮の伝播には、その組織構築構造上、異方性がある。心室性致死性不整脈の発生にその異方性は密接に関与すると考えられている。生理的な興奮伝播速度として、心筋線維走向方向と、それに直交する方向とで約3倍の速度差があることは以前から知られているが、その異方性成立メカニズムは未だ明らかでない。
 心筋細胞の活動電位(細胞)モデルを電気的に結合した心室組織モデルを構築した(図)。細胞配列パターンを変えながら、興奮伝播シミュレーションを繰り返し実施することで、生理的な興奮伝播速度を達成するために必要な細胞配列パターンを探索した。
 正方格子状に細胞を配列した心筋シートモデルにおいて、細胞長軸方向への興奮伝播速度(約70cm/s)は達成できたものの、心筋線維に直交する方向への生理的な興奮伝播速度(線維走行方向の約1/3)は達成できなかった。一方、煉瓦状に細胞を配列したシートモデルでは、線維走向方向の生理的興奮伝播速度を維持しながら、直交方向の生理的興奮伝播速度を達成することが可能であることを示した。この結果は、心筋細胞同士の電気的な接合部分において、複数の細胞が結合している機能的意義を説明するものである。生理的な興奮伝播を再現するモデルが確立されたことで、今後は、致死性不整脈の発生メカニズムを詳細に検討する。

Development of two-dimensional radiation-hydrodynamics simulation code

Author: Atsushi SUNAHARA1, Tomoyuki JOHZAKI2 
Affiliation: 1 School of Nuclear Engineering, Purdue University / Institute of Laser Engineering, Osaka University, 2 Graduate School of Engineering, Hiroshima University

レーザー生成プラズマのダイナミクスを解析するための2次元輻射流体シミュレーションコードstar2dの開発・改良を行った。本年度はベースとなる流体スキームの改良(2温度1流体の圧縮性非理想気体Eulerコードに対して、質量・運動量・エネルギー保存を保証するスキームの導入)、多種物質対応、熱伝導・輻射輸送・状態方程式等物理モデル並びに解法の改良を行った.また、2次元レーザー光線追跡計算ルーティンを作成・導入し、現実的なレーザー集光条件や斜入射条件でレーザー生成プラズマのダイナミクス解析を可能とした。レーザー核融合の爆縮から核燃焼までの一貫した計算・解析を行うために、核融合点火・燃焼ルーティンを結合した。

Hybrid-type charge-ordering patterns in two-dimensional electron systems

Author: Kaoru Iwano 
Affiliation: High Energy Accelerator Research Organization (KEK)

2次元電子系においては、電子が規則的に並んだ電荷秩序が発生するが、既知のパターンに加え、特に新しいハイブリッド型の秩序が大サイズの系で発生する可能性に興味がある。今回は、電荷自由度に注目したスピンレスフェルミオンモデルを6×6および8×4の格子サイズで、その基底状態を全運動量(良い量子数)を使って分類しつつ厳密に求めた。結果として、特に次近接クーロン斥力が比較的大きい場合を扱い、その場合の基底状態を求めたところ、ハイブリッド型が少なくとも全運動量=(0, π) において最安定状態になり得ることが分かった。

Efficient Implementation by Vector Computer for Graph Algorithm

Author: Yasuhiro Takashima 
Affiliation: University of Kitakyushu

本研究では,様々なグラフアルゴリズムに対し,それらのデータ並列性やタスク並列性を抽出し,ベクトル計算機による効率的な実装について,検討を行なった.その結果,一部のアルゴリズムに対しては,通常のスカラ計算機と比較し,10倍以上の高速化が実現できることが判明した.

Laser micro machining using a photonic nanojet

Author: Tsutomu Uenohara 
Affiliation: Osaka University

フォトニックナノジェット(Photonic nanojet: PNJ)は誘電体マイクロ球にレーザを照射することで発生するビームである.PNJの高分解能な強度分布制御によって,高分解能に加工幅や加工深さを制御可能なレーザ微細加工技術の確立を目的とする.球に入射するビームの分布を制御することでPNJの強度分布制御が可能であることをFinite-Difference Time-Domain法を用いた電磁場シミュレーションによって明らかにした.具体的には,ガウシアンビーム入射によって大きなビーム径のPNJ,ラジアル偏光ビームによって小さなビーム径のPNJが得られることが明らかとなった

Optimization of Polishing Conditions for Reducing Thickness Variation of Wafer in Double-Sided Polishing

Author: Takahiro Ogawa 
Affiliation: Department of Mechanical Engineering, Graduate School of Engineering, Osaka University

半導体デバイスの性能および生産性向上のため,基板材料であるシリコンウェーハの両面研磨加工では表面を高平坦に仕上げる,すなわち厚さむらを極めて小さくすることが強く求められている.そこで本研究では,ウェーハ-研磨パッド間およびウェーハ-キャリアホール内壁間の摩擦と,ウェーハ-研磨パッド間の圧力分布を考慮した両面研磨加工モデルを構築し,そのモデルを用いて加工条件を最適化し,実際に厚さむらを安定して抑制できることを加工実験により明らかにした.

Rupture of cell membrane under shear flow

Author: Naoto Okuyama 
Affiliation: Impulse science collaborative laboratory, Graduate school of engineering science, Osaka university

細胞への流れ場の作用は、マクロな視点からは、細胞を変形させることにより、細胞膜に張力を生じさせるが、ミクロな視点からは、細胞膜近傍の溶媒分子との速度差、すなわち、ミクロなせん断速度により、膜を不安定化させることが、分子動力学による検討により報告されている(1)。膜の不安定化のし易さは、系のサイズに依存することも指摘されており、現実の細胞サイズにおける、このミクロなせん断速度の大きさは、膜の不安定化が現実系で起こりえるか見極める上で非常に興味深い。本研究では、系のサイズを変化させながら、ミクロなせん断速度を算出し、細胞サイズへの外挿を行った。
粗視化分子動力学計算法(2)を用いて、細胞膜に負荷するミクロなせん断応速度を変化させ、膜が不安定化したときのせん断速度をせん断速度閾値とした。基準系として膜分子2048個、水分子211080個を採用して、基準系を2倍、4倍、8倍とした系に対するせん断速度閾値を同様に決定した。膜面外方向に生じる揺らぎの長さスケールが大きくなるほど、膜は不安定化し易いと考えられ(1)、他方、揺らぎの長さスケールは膜分子数の平方根に比例するため、膜分子数の平方根とせん断速度閾値の関係を、膜分子数が十分に大きいと見なせる極限へ外挿することにより、せん断速度閾値を見積もった。
細胞サイズにおけるせん断速度閾値は約80μs-1と見積もられた。溶血現象が急激に起こり始めるせん断速度閾値は約0.12μs-1と言われており(3)、見積もられた値はそれより数百倍大きく、膜の不安定化は非生理的な条件でしか起こらないだろうと推定される。
(1)I. Hanasaki et al., Physical Review E 82(2010) 051602.
(2)S. J. Marrink et al., Journal of Physical Chemistry B 111(2007) 7812.
(3)T. Yamane, M. Nishida and O. Maruyama, Artif Organs 25(2001) 813.

Numerical studies of mysteries in thermos-fluid physics

Author: Ken Naitoh 
Affiliation: Waseda University, Faculty of fundamental science and technology, Applied mathematics and aerospace engineering

スーパーコンピュータを利用して様々な問題の熱流体数値解析がおこなわれているが、例えば、直管内で乱流遷移する位置と入口乱れ強さの関係を解明できる数値解析や理論は存在してこなかった。当方では、確率論的Navier-Stokes方程式とその境界条件の理論を新たに提案し、それに基づいて、現象の解明を可能にしてきている。また、それを用いて、高効率ロケットエンジンの性能検討を行ってきている。

Numerical Approach to the particle and nuclear physics

Author: Tsuneo Suzuki 
Affiliation: RCNP(Research Center for Nuclear Physics) Group

核物理研究センターでは、サブアトミック世界の強い相互作用の基本原理である量子色力学(QCD)を中心に、素粒子・ハドロン・原子核物理学とその関連分野にわたる研究を、全国の共同利用研究者とともに行っている。スーパーコンピューターは、大規模計算を必要とする理論的な研究に使われている。その内容は、格子QCDによる数値シミュレーション、原子核構造及びハドロン物理現象論の数値的な解法である。
(i) 格子QCD

ハドロン分光学(質量などの計算)とハドロン間相互作用、クォーク間相互作用、有限温度・密度における真空の性質、閉じ込め・カイラル対称性の問題

(ii) 少数多体系・ハドロン物理現象論

3-4核子系の精密計算、ハドロン生成反応の理論解析に基づくハドロン共鳴

(iii) 核構造

原子核密度汎関数法

(iv) その他

2次元格子フェルミオン系、超新星爆発、弦理論

Numerical Approach to the particle and nuclear physics

Author: Masayasu Hasegawa  
Affiliation: Bogoliubov Laboratory of Theoretical Physics,Joint Institute for Nuclear Research

核物理研究センターでは、サブアトミック世界の強い相互作用の基本原理である量子色力学(QCD)を中心に、素粒子・ハドロン・原子核物理学とその関連分野にわたる研究を、全国の共同利用研究者とともに行っている。スーパーコンピューターは、大規模計算を必要とする理論的な研究に使われている。その内容は、格子QCDによる数値シミュレーション、原子核構造及びハドロン物理現象論の数値的な解法である。
(i) 格子QCD

ハドロン分光学(質量などの計算)とハドロン間相互作用、クォーク間相互作用、有限温度・密度における真空の性質、閉じ込め・カイラル対称性の問題

(ii) 少数多体系・ハドロン物理現象論

3-4核子系の精密計算、ハドロン生成反応の理論解析に基づくハドロン共鳴

(iii) 核構造

原子核密度汎関数法

(iv) その他

2次元格子フェルミオン系、超新星爆発、弦理論

A study on resource allocation for parallel and distributed machine learning tasks

Author: Akiyoshi Sugiki  
Affiliation: Information Initiative Center, Hokkaido University

(目的)本研究では,近年の機械学習の中核である並列分散SGD(Stochastic Gradient Descent)に対して,学習時間の改善に関する研究を実施した.
(内容)大阪大学OCTOPUSが有するGPUノード,汎用CPUノードなどのさまざまな計算機で,並列分散化された学習タスク間で学習時間にばらつきが生じることを確認し,各タスクの学習時間をリソース割り当ての工夫により,平準化することで,改善することを試みた.
(結果)特に学習の遅れたタスクはstragglerとして知られており,広く改善が必要である.所属機関を含む他拠点の計算資源での研究の展開や,翌年度以降の研究に向けた知見が得られた.

Acoustic simulation of lung-sound in 3-D lung geometry with lung airway

Author: Satoshi Ii1, Keisuke Takeda2, Shigeo Wada2 
Affiliation: 1 Graduate School of Systems Design, Tokyo Metropolitan University, 2 Graduate School of Engineering Science, Osaka University

肺音において,肺気道の経路構造が肺内の音伝播および肺外への音放射に与える影響を明らかにするため,気道,肺実質・間質内および肺外部での伝播を再現する多媒質弾性波モデルに対し大規模並列シミュレーションを行った.肺気道の影響として,その経路構造は肺内の圧力伝播に,また,その存在が肺全体の振動挙動および肺外への音放射にそれぞれ影響を与えることを示した.

Optical pulse compression beyond phonon-lifetime limitation using stimulated Brillouin scattering in optical fibers

Author: Masayuki Matsumoto and Hitoshi Kiso 
Affiliation: Wakayama University, Faculty of Systems Engineering

誘導ブリルアン散乱(SBS)は互いに逆方向に伝搬する光波間の増幅・非線形過程であり、高出力・大電力の光パルス圧縮が比較的容易に実現できる。本研究では、ファイバ中のSBSを用いたパルス圧縮に関して、ファイバに入力する光パルス幅と入力パルスの立ち上がり時間を制御することによって、媒質のフォノン寿命よりも小さいパルス幅への圧縮が可能であることを数値計算によって明らかにした。

Numerical Simulations of Multiphase Flows

Author: Kazuyasu Sugiyama 
Affiliation: Graduate School of Engineering Science, Osaka University

VOF法/MTHINC法,Boundary Data Immersion法に基づく気液二相,流体構造連成コードの整備を進め,MPI並列版の動作確認を行なった.OCTOPUSを使用してのプロダクトランは行なわなかった.

Simulations of strongly-correlated electron states realized in semiconductor and oxides

Author: Koichi Kusakabe 
Affiliation: Graduate School of Engineering Science, Osaka university

エキシトン状態や酸化物中の強相関電子状態を、有効相互作用をもつ強結合模型を組み合わせて表現する多配置参照密度汎関数理論(MRDFT)での有効相互作用の評価方法を開発し、実施例を与えることを目的とした。そのため、絶縁性有機結晶と銅酸化物での有効相互作用決定のための、基礎データを与えた。結果として、準粒子励起間の遮蔽相互作用もMRDFTで定義できることを確認した。Nd2CuO4でのf電子でも多重項ごとのワニエ状態の広がりにより大きくUfの値が変わることを明らかにした。

Analysis of light wave propagation in photonic crystal waveguides

Author: Masato Morifuji and Takuya Yamaguchi 
Affiliation: Division of Electrical, Electronic and Information Engineering, Graduate School of Engineering, Osaka University

帯域幅が従来よりも大きい、新たなフォトニック結晶導波路を提案し、伝搬特性を解析した。計算には3次元FDTD法を用いた。計算の結果、従来よりも伝搬損失が同等かそれ以下であるという評価をすることができた。

Interactive Large-Scale Visualization for Air Traffic Analysis

Author: Kensuke Yasufuku 
Affiliation: Cybermedia Center, Osaka University

エージェントベースの航空機交通流シミュレーション結果およびCARATSオープンデータ等の実際のフライトデータから航空機の軌跡やその他の情報を効果的に可視化するため、本センターの24面大型立体表示システムに対応した。一般的なディスプレイよりも大型で12Kという高解像度のタイルドディスプレイウォールを用いることで、画面に日本全体を表示しても、視野全体で個々の航空機の動きを直観的に把握することができた。また、ステレオ立体視にも対応しており、平面図視点で表示しても、航空機の高低差を立体視によって確認することができた。

First principle phonon mode analysis of negative thermal expansion material Ca2RuO3.75

Author: Akio Ishii, Yosuke Uebaba, Keisuke Yamazoe 
Affiliation: Osaka University, Department of Mechanical Science and Bioengineering

目的 負熱膨張材料Ca2RuO3.75における負熱膨張はその熱膨張の異方性に起因すると言われている.本研究では第一原理フォノンモード解析を用いてその線熱膨張係数の異方性を確認するとともに異方性の原因となるフォノンモードを特定する.
内容 図1のようなCa2RuO4よりO原子を一つ抜去したCa2RuO3.75のスーパーセルモデルを作成し,それを用いてフォノンモード解析を行った.各軸に対応する線熱膨張係数を計算し,異方性熱膨張の存在を確認した(図2).異方性熱膨張を引き起こすフォノンモードは低周波数のモードであり,O原子が大きく振動するモードであることがわかった.

Comprehensive understanding of mechanism of laser-produced magnetic field generation.

Author: Ryunosuke Takizawa 
Affiliation: Institute of Laser Engineering, Osaka University

目的 実験結果とシミュレーション結果との比較をするために、大型計算機が必要なため利用する
内容 プロトンによって電磁場を撮影したデータと粒子輸送のシミュレーションとを比較することによって、どの様な電磁気力が働いていたかを調べる。

結果 まだ環境構築の段階なのでシミュレーション結果はありません

Numrical simulation of drift-diussion equation for a semi-conductor problem by FreeFem++

Author: Atsushi Suzuki 
Affiliation: Guest Associate Professor, Cybermedia Center, Osaka University

半導体問題を記述する Drift-Diffusion 方程式は静電場と電子, 正孔密度分布を記述するが,これら二つ密度分布は静電場に指数関数的に依存する. 離散化手法として有限体積法とScharfetter-Gummel スキームが用いられること一般的であるが, 高次の近似精度を実現できる有限要素法によるスキームの構築を目指す.
電子と正孔の密度分布は保存則を満たす必要があるが, 密度分布の勾配を直接未知変数として扱う混合型有限要素近似を用いる. 指数関数依存性は重み付きの内積に現れるため適切な精度の数値積分公式を用いる. FreeFem++ は汎用的有限要素シミューレションパッケージであり, 混合型に適した Raviart-Thomas 要素などを簡単に扱うことができる.
ベクトル計算機 SX-ACE に C++ で記述された FreeFem++-3.61-1を移植した. 2次元問題では線形ソルバーに MUMPS を用い単一の実行形式を生成することで SX-ACE での演算実行が可能になった. SX-ACE では C++ オブジェクトの具現化を陽に記述する必要があるが, 3次元問題では内部実装が異るためコードを修正中である.

Numerical Approach to the particle and nuclear physics

Author: Yoshiaki Koma, Miho Koma 
Affiliation: RCNP(Research Center for Nuclear Physics) Group

核物理研究センターでは、サブアトミック世界の強い相互作用の基本原理である量子色力学(QCD)を中心に、素粒子・ハドロン・原子核物理学とその関連分野にわたる研究を、全国の共同利用研究者とともに行っている。スーパーコンピューターは、大規模計算を必要とする理論的な研究に使われている。その内容は、格子QCDによる数値シミュレーション、原子核構造及びハドロン物理現象論の数値的な解法である。
(i) 格子QCD

ハドロン分光学(質量などの計算)とハドロン間相互作用、クォーク間相互作用、有限温度・密度における真空の性質、閉じ込め・カイラル対称性の問題

(ii) 少数多体系・ハドロン物理現象論

3-4核子系の精密計算、ハドロン生成反応の理論解析に基づくハドロン共鳴

(iii) 核構造

原子核密度汎関数法

(iv) その他

2次元格子フェルミオン系、超新星爆発、弦理論

Study on Fundamental Phenomena of Detonation and Its Application

Author: Nobuyuki Tsuboi 
Affiliation: Department of Mechanical and Control Engineering, Kyushu Institute of Technology

水素/空気予混合気に対する詳細化学反応モデルを使用して,3次元の非定常圧縮性非粘性解析を行った.今年度は高次精度スキームを使用した3次元デトネーションについて解析を実施し,空間精度向上の効果を評価した.

Numerical Simulation of a plasma flow for a laser fusion rocket

Author: Masafumi EDAMOTO1, Toru YAMAMURA1, Satoru KAWABE2, Taichi MORITA3 
Affiliation: 1Interdisciplinary Graduate School of Engineering Sciences, Kyushu University, 2Faculty of Engineering, Kyushu University, 3Faculty of Engineering Sciences, Kyushu University, Kyushu University

レーザー核融合ロケットの推進原理実証のために,star2Dコードを用いたプラズマの輻射流体シミュレーションを行った.解析対象はレーザー生成プラズマ,および,実機を想定した高温プラズマとした.レーザー生成プラズマについては,核融合ロケットの模擬実験として行っているレーザー生成プラズマ実験の解析・新規提案を目的とした.実機を想定したものについては,実機での仕様が想定されている様々なターゲット形状の検証および最適化を目的とした.

Numerical Simulations of Turbulent Mixing in Oceans

Author: Yutaka Yoshikawa, Yusuke Ushijima and Yasushi Fujiwara 
Affiliation: Graduate School of Science, Kyoto University

海洋表層では風により発生する乱流により、活発な鉛直混合が生じ混合層と呼ばれる鉛直一様な層が形成される。この混合層の深さ(D)は、半慣性周期(π⁄(|f|)、fはコリオリ係数)のうちに1.5 U_*⁄√(N|f|)(U_*は風応力から決まる摩擦速度、Nは成層強度)程度にまで急速に深まることが知られている。多くの研究ではこの深度をDの代表値(すなわち定常値)として用いているが、実際にはDは時間変化するため、場合によっては不適切である。そこで、新たにラージ・エディ・シミュレーションを行い、その時間変化を調べたところ、5慣性周期後のDは半慣性周期の1.66倍にもなっていることが分かった。さらにパラメターを変えて実験した結果、Dの時間変化はD=1.7 U_*⁄√(N|f|) ((|f|)⁄N)^0.008 ((|f|t)⁄2π)^0.19と統一的に表されることを見出した。

Numerical simulation of turbulent flows and multiphase flows

Author: Takeo Kajishima, Shintaro Takeuchi, Takeshi Omori, Kie Okabayashi  
Affiliation: Department of Mechanical Engineering, Osaka University

二相乱流、二相伝熱、流体構造連成解析、界面および濡れの現象などを対象として、差分法、有限要素法、分子動力学法による新たな解析方法の開発、現象の予測とモデリングに関する研究をしている。

Structure and Dynamics of Water at Water-Graphene and Water-Hexagonal Boron Nitride Sheet Interfaces Revealed by Ab Initio Sum-Frequency Generation Spectroscopy

Author: Tatsuhiko Ohto 
Affiliation: Graduate School of Engineering Science, Osaka University

シュレディンガー方程式を解いて原子に働く力を計算する第一原理分子動力学法(ab initio molecular dynamics, AIMD)を初めて水中のトリメチルアミンオキサイド(TMAO)と尿素に適用した。計算の結果、AIMDではこれまでの理解と反し、TMAOと尿素が直接水素結合する構造は不安定であるという結果が得られた。

Numerical Approach to the particle and the nuclear physics

Author: Kaoru Iwano 
Affiliation: RCNP(Research Center for Nuclear Physics) Group

核物理研究センターでは、サブアトミック世界の強い相互作用の基本原理である量子色力学(QCD)を中心に、素粒子・ハドロン・原子核物理学とその関連分野にわたる研究を、全国の共同利用研究者とともに行っている。スーパーコンピューターは、大規模計算を必要とする理論的な研究に使われている。その内容は、格子QCDによる数値シミュレーション、原子核構造及びハドロン物理現象論の数値的な解法である。
(i) 格子QCD

ハドロン分光学(質量などの計算)とハドロン間相互作用、クォーク間相互作用、有限温度・密度における真空の性質、閉じ込め・カイラル対称性の問題

(ii) 少数多体系・ハドロン物理現象論

3-4核子系の精密計算、ハドロン生成反応の理論解析に基づくハドロン共鳴

(iii) 核構造

原子核密度汎関数法

(iv) その他

2次元格子フェルミオン系、超新星爆発、弦理論

Construction of pipeline for analyzing next generation sequencing data

Author: Yuki Matsumoto 
Affiliation: Department of Infection Metagenomics, Genome Information Research Center, Research Institute for Microbial Diseases, Osaka University

目的:次世代シーケンサーから出力されるデータは膨大であり,解析には多大な計算資源を要する.そこで共同研究用に次世代シーケンサーデータの解析パイプラインを構築し,計算資源のバックアップとしての利用検討を行う.
内容:OCTOPUS上で実行可能な解析環境を構築し,解析を行った.
結果:我々が独自に導入している計算機群と同様の解析環境を,OCTOPUS上に構築・実行できることが確認できた.一方で,共同利用していることから来るジョブ実行までの待ち時間や,ストレージやジョブ管理における差異についてはユーザ側で対処する必要があることが分かった.

An elastic dumbbell model with binary non-affinity in multi-scale analysis of polymer-diluted turbulent flow

Author: Kiyosi Horiuti  
Affiliation: Department of Mechano-Aerospace Engineering Tokyo Institute of Technology

流体中を流動する高分子において通常仮定されている溶媒の変形への高分子の反変性に対し、共変性を導入した非追随性強度可変型モデルが昨年度構築されたが、その改善を図った.このモデルでは、高分子の伸長につれて非追随性強度が連続的に変化するのでなく、最小と最大の2値のみを取って中間値を取らない事により、弾性エネルギー生成の低下が解消されるため、大きな抵抗低減が達成される.
内容 
高分子をdumbbellモデルで近似し、そのBrownian dynamics simulation と溶媒のDNSを結合する多重スケール数値計算を行った.
結果 
図は定常状態を維持するために印加される外力の成す仕事 uifi 項の pdf を示す.強度連続可変型に比べて、2値バイナリー型は仕事の低下を示す.

Numerical Approach to the particle and nuclear physics

Author: Ken'ichiro Nakazato 
Affiliation: RCNP(Research Center for Nuclear Physics) Group

核物理研究センターでは、サブアトミック世界の強い相互作用の基本原理である量子色力学(QCD)を中心に、素粒子・ハドロン・原子核物理学とその関連分野にわたる研究を、全国の共同利用研究者とともに行っている。スーパーコンピューターは、大規模計算を必要とする理論的な研究に使われている。その内容は、格子QCDによる数値シミュレーション、原子核構造及びハドロン物理現象論の数値的な解法である。
(i) 格子QCD

ハドロン分光学(質量などの計算)とハドロン間相互作用、クォーク間相互作用、有限温度・密度における真空の性質、閉じ込め・カイラル対称性の問題

(ii) 少数多体系・ハドロン物理現象論

3-4核子系の精密計算、ハドロン生成反応の理論解析に基づくハドロン共鳴

(iii) 核構造

原子核密度汎関数法

(iv) その他

2次元格子フェルミオン系、超新星爆発、弦理論

Numerical Approach to the particle and the nuclear physics

Author: Hiroaki KOUNOH 
Affiliation: RCNP(Research Center for Nuclear Physics) Group

核物理研究センターでは、サブアトミック世界の強い相互作用の基本原理である量子色力学(QCD)を中心に、素粒子・ハドロン・原子核物理学とその関連分野にわたる研究を、全国の共同利用研究者とともに行っている。スーパーコンピューターは、大規模計算を必要とする理論的な研究に使われている。その内容は、格子QCDによる数値シミュレーション、原子核構造及びハドロン物理現象論の数値的な解法である。
(i) 格子QCD

ハドロン分光学(質量などの計算)とハドロン間相互作用、クォーク間相互作用、有限温度・密度における真空の性質、閉じ込め・カイラル対称性の問題

(ii) 少数多体系・ハドロン物理現象論

3-4核子系の精密計算、ハドロン生成反応の理論解析に基づくハドロン共鳴

(iii) 核構造

原子核密度汎関数法

(iv) その他

2次元格子フェルミオン系、超新星爆発、弦理論

Gas adsorption and electron transport properties of doped graphene

Author: Yoshitaka Fujimoto 
Affiliation: Department of Physics, Tokyo Institute of Technology

第一原理密度汎関数計算を用いて、グラフェンへのガス吸着による電子輸送特性に与える影響について調べた。 一酸化窒素分子や二酸化窒素分子がグラフェンに強く吸着し、その結果、電気伝導度が変化することが分かった。また、電気伝導度は吸着分子の種類に依存することも明らかになった。

Numerical Approach to the particle and nuclear physics

Author: 平口 敦基,石黒 克也 
Affiliation: RCNP(Research Center for Nuclear Physics) Group

核物理研究センターでは、サブアトミック世界の強い相互作用の基本原理であ
る量子色力学(QCD)を中心に、素粒子・ハドロン・原子核物理学とその関
連分野にわたる研究を、全国の共同利用研究者とともに行っている。スーパー
コンピューターは、大規模計算を必要とする理論的な研究に使われている。そ
の内容は、格子QCDによる数値シミュレーション、原子核構造及びハドロン
物理現象論の数値的な解法である。

(i) 格子QCD
ハドロン分光学(質量などの計算)とハドロン間相互作用、クォーク間相互作
用、有限温度・密度における真空の性質、閉じ込め・カイラル対称性の問題

(ii) 少数多体系・ハドロン物理現象論
3-4核子系の精密計算、ハドロン生成反応の理論解析に基づくハドロン共鳴

(iii) 核構造
原子核密度汎関数法

(iv) その他
2次元格子フェルミオン系、超新星爆発、弦理論

Study of energy-momentum tensor for Nf=2+1 full QCD using gradient flow

Author: Yusuke Taniguchi 
Affiliation: Center for computational sciences, University of Tsukuba

宇宙最初期に存在した、原子核の超高温状態であるクォーク・グルーオンプラズマ(QGP)の性質を研究する。特にエネルギー運動量テンソル(EMT)を用いて、QGPの熱力学的及び流体力学的な性質を探る。計算手法としてはウィルソンフェルミオンで構成された格子QCDを採用し、EMTの定義にgradient flowを用いた非摂動論的な繰り込みを利用している点に特色がある。
本公募研究ではクォークの質量を現実と同じ物理的な値に置いた計算を実施した。物理的なクォーク質量における計算には既に前年度から取り組んでいたが、温度190 MeV以下にあるはずの相転移点を観測できないでいた。本研究では温度122, 137 MeVにおけるゲージ配位の生成を行い、相転移点の確認を主目的として設定した。
下図はカイラル対称性に関するカイラル感受率を温度の関数として描いたものである。そのピークの位置がカイラル対称性が回復する相転移点を表す。図から明らかなように137 MeV付近にピークがあることが示唆される。

Visualization of technical solution by self-organizing maps for accelerating innovation

Author: Yasushi NISHIDA 
Affiliation: Research Institute for Industrial Engineering Innovations, Osaka Prefecture University

特許文献データを用いて技術課題の解決手段の可視化を行い,新規アイデアの着想を支援する.単語レベルの共起確率ベクトル・相関係数ベクトルにより自己組織化マップを構築することで,技術要素の直接的な関連性及び潜在的な関連性の視覚化を実現した.

Numerical Approach to the particle and nuclear physics

Author: Arata Yamamoto 
Affiliation: RCNP(Research Center for Nuclear Physics) Group

核物理研究センターでは、サブアトミック世界の強い相互作用の基本原理である量子色力学(QCD)を中心に、素粒子・ハドロン・原子核物理学とその関連分野にわたる研究を、全国の共同利用研究者とともに行っている。スーパーコンピューターは、大規模計算を必要とする理論的な研究に使われている。その内容は、格子QCDによる数値シミュレーション、原子核構造及びハドロン物理現象論の数値的な解法である。
(i) 格子QCD

ハドロン分光学(質量などの計算)とハドロン間相互作用、クォーク間相互作用、有限温度・密度における真空の性質、閉じ込め・カイラル対称性の問題

(ii) 少数多体系・ハドロン物理現象論

3-4核子系の精密計算、ハドロン生成反応の理論解析に基づくハドロン共鳴

(iii) 核構造

原子核密度汎関数法

(iv) その他

2次元格子フェルミオン系、超新星爆発、弦理論

Asymmetry between the advancing and receding contact angles

Author: Takeshi Omori 
Affiliation: Department of Mechanical Engineering, Osaka University

分子動力学法を用いた解析結果から前進接触角と後退接触角の接触線速度に対する依存性には非対称性があり,その原因は流れによって誘起される密度分布の非対称性にあることを明らかにした.

Numerical simulation of self-sustained oscillations in two-dimensional jet – edge system.

Author: Takashi YOSHIDA, Tatsunori MATSUMURA, Hiroki NAGAOKA 
Affiliation: Shinshu University, Faculty of Engineering

噴流がエッジに衝突すると噴流が上下に発振する.噴流エッジ間距離を変え振動の変化を調べることを目的とした.噴流-エッジ間距離5から7まで変化させた計算を行い,流れ場や渦構造を可視化した.エッジ先端近傍の速度波形が変化し、渦の数が変化することによって振動モードの変化が起きることを明らかにした.

素粒子・原子核物理学の数値的研究

Author: Hajime Togashi 
Affiliation: RCNP(Research Center for Nuclear Physics) Group

核物理研究センターでは、サブアトミック世界の強い相互作用の基本原理である量子色力学(QCD)を中心に、素粒子・ハドロン・原子核物理学とその関連分野にわたる研究を、全国の共同利用研究者とともに行っている。スーパーコンピューターは、大規模計算を必要とする理論的な研究に使われている。その内容は、格子QCDによる数値シミュレーション、原子核構造及びハドロン物理現象論の数値的な解法である。
(i) 格子QCD

ハドロン分光学(質量などの計算)とハドロン間相互作用、クォーク間相互作用、有限温度・密度における真空の性質、閉じ込め・カイラル対称性の問題

(ii) 少数多体系・ハドロン物理現象論

3-4核子系の精密計算、ハドロン生成反応の理論解析に基づくハドロン共鳴

(iii) 核構造

原子核密度汎関数法

(iv) その他

2次元格子フェルミオン系、超新星爆発、弦理論

Education and promotion of GPU programming

Author: - 
Affiliation: Center for Mathematical Modeling and Data Science, Osaka University

OCTOPUSを利用したワークショップを開催し、GPUプログラミングの実習を行った.

Thermal stability of single-domain antibodies estimated by molecular dynamics simulations

Author: Narutoshi Kamiya 
Affiliation: Graduate School of Simulation Studies, University of Hyogo

Antibodies bind to antigens with high specificity and affinity and have complementarity-determining region (CDR) loops, which play an important role in antigen binding. Single-domain-antibodies, sdAbs, function like regular antibodies, however consist of only one domain. Because of their low molecular weight, sdAbs have advantages with respect to production and delivery to their targets. For applications such as antibody drugs and biosensors, an sdAb with a high thermal stability is required. In this work, we chose seven sdAbs, which have a wide range of Tm-values and have known structures. We then applied molecular dynamics (MD) simulations to estimate their relative stability and compare them with the experimental data. Here, high temperature MD simulations at 400 K and 500 K were executed with simulations at 300 K as control. The fraction of native atomic contacts, Q, measured for the 400 K simulations showed a fairly good correlation with the Tm-values. Interestingly, when the residues were classified by their hydrophobicity and size, the Q-values of hydrophilic residues exhibited an even better correlation. Measuring the Q-value on a per-residue level enabled us to identify residues that contribute significantly to the instability and demonstrate how our analysis can be used in a mutant case-study.

Large-scale Monte Carlo studies of chiral and spin ordering in the three-dimensional Heisenberg spin glass

Author: Takumi Ogawa 
Affiliation: Department of Earth and Space Science, Graduate School of Science, Osaka University

磁性体において、相互作用の競合とランダムネスの効果によってスピンが空間的にランダムな方向に凍結したスピングラス秩序状態の本質を明らかにするこが本研究の目的である。スピングラスの実験結果を説明し得る有力なシナリオであるKawamuraによって提唱されたカイラリティ仮説を検証すべく、等方的3次元Heisenberg スピングラスについて、先行研究を超えるサイズであるL=48 (スピン数N=L3)までを、周期的境界条件および自由境界条件の二種類の境界条件の下でモンテカルロシミュレーション( 熱浴法 + over-relaxation 法 + 温度交換法)を行い、グラス転移温度TSG,TCGの精度の高い決定を行った。
その結果、転移温度がTSG=0.130(1)、TCG=0.143(1) と求まり、カイラリティ仮説の核となるspin-chirality 分離を支持する結果が得られた。

Non-empirical prediction of solid solution strengthening using kinetic Monte Carlo model

Author: Shuhei Shinzato 
Affiliation: Graduate School of Engineering Science, Osaka University

合金材料の強度制御手段の一つである固溶体効果は材料中の転位と合金元素との複雑な相互作用により強い非線形性を持つ。このため新規合金材料開発プロセスにおいては経験的な強度予測は困難である。本研究では合金材料の固溶体効果を非経験的に予測する枠組みを構築することを目的として、原子モデリングに基づき非経験的に獲得された転位と固溶原子の相互作用パラメータを導入した動的モンテカルロモデルを構築し、転位運動に対して固溶原子、温度、付加応力が与える影響を転位の移動速度を求めることで解析した。得られた転位の移動速度より鉄基合金の降伏強度の非経験的予測を行なった。

Numerical Approach to the particle and nuclear physics

Author: Takuya SUGIURA 
Affiliation: RCNP(Research Center for Nuclear Physics) Group

核物理研究センターでは、サブアトミック世界の強い相互作用の基本原理である量子色力学(QCD)を中心に、素粒子・ハドロン・原子核物理学とその関連分野にわたる研究を、全国の共同利用研究者とともに行っている。スーパーコンピューターは、大規模計算を必要とする理論的な研究に使われている。その内容は、格子QCDによる数値シミュレーション、原子核構造及びハドロン物理現象論の数値的な解法である。
(i) 格子QCD
ハドロン分光学(質量などの計算)とハドロン間相互作用、クォーク間相互作
用、有限温度・密度における真空の性質、閉じ込め・カイラル対称性の問題

(ii) 少数多体系・ハドロン物理現象論
3-4核子系の精密計算、ハドロン生成反応の理論解析に基づくハドロン共鳴

(iii) 核構造
原子核密度汎関数法

(iv) その他
2次元格子フェルミオン系、超新星爆発、弦理論

Multiscale analysis for clarification of silver ‐ alumina bonding mechanism

Author: Hajime Ashida 
Affiliation: Division of Materials and Manufacturing Science, Graduate School of Engineering, Osaka University

Ag-Al2O3接合はパワーエレクトロニクスにおいて重要な接合の一つである.本研究では従来法に比べて低温での接合が可能な酸化銀を利用した接合法に関して,その接合機構を分子動力学解析とその妥当性検証実験により,そのメカニズムを示唆した.

Atomistic study on deformation behavior of mille-feuille structures

Author: Hajime Kimizuka,Kohei Ichioka, Hiroki Fukui,Yuki Iwai, Kana Oyori, Sohei Takahashi 
Affiliation: Osaka University

種々の金属系および高分子系ミルフィーユ構造のミルフィーユ構造の形成条件および変形特性を解析するために必要となる電子論的・原子論的シミュレーション手法の開発・整備を進めた.具体的には,(1)第一原理計算に基づく合金の熱力学的安定性評価,(2)分子動力学法に基づく変形素過程の抽出,(3)粗視化・加速分子動力学法に基づく高分子凝集体の状態探索,を行うための手法の整備・開発を実施した.

Electronic state analyses at ionic liquid / electrode interfaces by ATR-FUV and quantum chemical simulation.

Author: Masaya Imai 
Affiliation: Graduate School of Engineering Science, Osaka Univ.

減衰全反射遠紫外 (ATR-FUV) 分光法を用いた金属イオンを含むイオン液体電解液の電子状態分析によって、金属イオンの種類 (Li+, Ag+) ごとにスペクトルシフトの挙動が異なった。そのメカニズムを解明するため、Gaussian16で励起状態計算 (TD-DFT法) を行った。

Numerical simulation of vortical structure in three-dimensional incompressible flow over cavities.

Author: Takashi YOSHIDA, Shou NARITA, Yuta TSUNODA 
Affiliation: Shinshu University, Faculty of Engineering

開いたキャビティを過ぎる三次元自励振動流の渦構造を解析することを目的とする.キャビティアスペクト比2.0について直接数値シミュレーションを実行し,自励振動と渦構造を可視化した.せん断層とキャビティ内の循環渦の縦渦構造を可視化し、縦渦構造の時間発展を調べた.