This page shows the list of research achievements reported in 2018.

 
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Research achievements in the past

Research achievements so far are listed below.
 



Molecular dynamics simulation for thermal engineering at microscale

Authors(Affiliation): Masahiko Shibahara ,Yoshitaka Ueki, and Kunio Fujiwara (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.

Heat distribution analysis of CFRP panel struck by lightning

Authors(Affiliation): Heat distribution analysis of CFRP panel struck by lightning (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。

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

Authors(Affiliation): Takahiro Ogawa (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.

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

Authors(Affiliation): ①Yusuke Nakatani,Kensuke Ishino,Yosuke Tanabe,Kazuya Taniguchi,Yuji Nakamura②Taiga Hirose (①Division of Global architecture, Graduate school of Engineering, Osaka University②Division 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.

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

Authors(Affiliation): ①Satoshi Ii ②Keisuke Takeda,Shigeo Wada (①Graduate School of Systems Design, Tokyo Metropolitan University ②Graduate 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.

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

Authors(Affiliation): ①Takahiro TSUKAHARA ,Takuya KAWATA,Hirotaka MORIMATSU,Shunsuke FUJIMURA,Kazuki TAKEDA ②Yuki AKECHI ,Ryo TANAKA ,Tomohiro NIMURA,Hiroya YAMASAKI ,Kei NITTA,Takeru TOMIOKA,Takehiro FUKUDA ,Masaki HANABUSA (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.

Numerical Simulation on Mixing Control of Free Jet

Authors(Affiliation): Koichi Tsujimoto (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.

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

Authors(Affiliation): ①Seiya Murata ②Chonho Lee (①Graduate School of Information Science and Technology, Osaka University ②Cybermedia 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.

Finding locating arrays using a SAT solver

Authors(Affiliation): Tatsuhiro Tsuchiya (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.

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

Authors(Affiliation): Masao Okita, Yuichiro Ishida and Kenichi Hagihara (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.

Rupture of cell membrane under shear flow

Authors(Affiliation): Impulse science collaborative laboratory, Graduate school of engineering science, Osaka universit (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.

Education and promotion of GPU programming

Authors(Affiliation): Center for Mathematical Modeling and Data Science, Osaka University (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

Authors(Affiliation): Narutoshi Kamiya (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.

Deep learning network by efficient discretisation of stochastic differential equation

Authors(Affiliation): Shuhei Miyamoto (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。

Multiscale analysis for clarification of silver ‐ alumina bonding mechanism

Authors(Affiliation): Hajime Ashida (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.

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

Authors(Affiliation): Yuki Kato (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。

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

Authors(Affiliation): Tatsuhiko Ohto (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 simulation of turbulent flows and multiphase flows

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

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.

Gas adsorption and electron transport properties of doped graphene

Authors(Affiliation): Yoshitaka Fujimoto (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。

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

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

上馬場洋介,平安山涼,石井明男,君塚肇,尾方成信,日本機械学会関西学生会 2018年度学生卒業研究発表講演会,”負熱膨張物質Ca2RuO4の第一原理フォノンモード解析”, 日本機械学会関西学生会 2018年度学生卒業研究発表講演会,立命館大学 びわこ・くさつキャンパス,滋賀,2019.3.10

Numerical Simulations of Turbulent Mixing in Oceans

Authors(Affiliation): Yutaka Yoshikawa, Yusuke Ushijima and Yasushi Fujiwara (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。