How do fluid simulations reproduce kinetic simulation results?

流体模拟如何再现动力学模拟结果？

基本信息

批准号：
19H01868
负责人：
梅田隆行
金额：
$ 10.57万
依托单位：
Nagoya University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2019
资助国家：
日本
起止时间：
2019-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

FDTD法を用いた電磁場シミュレーションにおいて、これまで空間2次精度の差分が50年以上にわたって用いられてきた。しかし、急峻な変化を持つ波形において数値が発生するという問題点があり、これは空間差分の精度を上げることによって抑制できることが知られていた。一方で、空間差分の精度を上げるをクーラン条件が厳しくなるという問題点もあった。本年度は、時間発展式に高階差分項を付加することによって、空間差分を4次精度化し、同時にクーラン条件も緩和する新たなFDTD法の開発に成功した。PIC法を用いたプラズマ粒子シミュレーションにおいて、運動方程式の数値解法としてこれまでBorisが50年以上にわたって用いられてきた。しかし、相対論的ローレンツ因子が大きくなるにつれて、磁場を横切るドリフト速度に大きな誤差が生じるという問題点があった。本年度は、荷電粒子の相対論的運動方程式の理論解に基づいた時間発展式を導出し、磁場を横切るドリフト速度を正確に与える新たな数値解法の開発に成功した。PIC法を用いたプラズマ粒子シミュレーションにおいて、電流密度計算のスレッド並列化の際に“リダクション”と呼ばれるスレッド間のプライベート配列を共有配列にまとめる演算が用いられてきた。しかし、リダクション演算では個々のスレッドがライベート配列を持つため、スレッド数が増加するにつれて使用メモリ量が増加し、また共有配列にまとめる計算量も増加するため、スケーラビリティが低下するという問題点があった。本年度は、ループブロッキングによるマルチカラー法に基づいて計算順序を変更することによって、個々のスレッドが共通配列のデータを更新する際のアクセス競合を抑制し、スレッド並列化の際に高いスケーラビリティを実現することに成功した。

在使用FDTD方法的电磁场模拟中，空间二次准确性的差异已经使用了50多年。但是，存在一个问题，即数值发生在突然变化的波形中，并且众所周知，这可以通过增加空间差异的准确性来抑制。另一方面，如果空间差异的准确性增加，冷却液条件也会变得更严格。今年，我们成功开发了一种新的FDTD方法，该方法将通过在时间开发方程中添加高阶差异项，并同时放松冷却液条件，从而将空间差异提高到四阶准确度。使用PIC方法，Boris已被用作血浆颗粒模拟中运动方程的数值解决方案。但是，随着相对论洛伦兹因子的增加，存在一个问题，即在整个磁场的漂移速度中出现较大的误差。今年，我们成功地开发了一种新的数值解决方案，该解决方案通过基于带电粒子运动相对论方程的理论解决方案得出时间演化方程来准确地跨磁场的漂移速度。在使用PIC方法的等离子体粒子仿真中，当执行电流密度计算的螺纹并行化时，已经使用了称为“还原”的计算，该计算已使用，该计算将螺纹之间的私有数组在共享阵列中结合在一起。但是，在减少操作中，由于各个线程具有实时数组，因此所使用的内存量随着线程数量的增加而增加，并且要将计算的数量分组为共享数组增加，从而导致可伸缩性降低的问题。今年，通过使用循环阻止的多色方法更改计算顺序，当单个线程在公共数组中更新数据时，我们成功地抑制了访问冲突，并在并行化线程时实现了高可扩展性。

项目成果

期刊论文数量（51）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

Relaxation of the Courant Condition in the Explicit Finite-Difference Time-Domain Method With Higher-Degree Differential Terms

DOI：
10.1109/tap.2023.3234097
发表时间：
2023-02
期刊：
IEEE Transactions on Antennas and Propagation
影响因子：
5.7
作者：
Harune Sekido;T. Umeda
通讯作者：
Harune Sekido;T. Umeda

マルチカラー法によるプラズマ粒子コードのスレッド並列化

使用多色方法的等离子体粒子代码的线程并行化

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
作者：
関戸晴宇;梅田隆行;三好由純;梅田隆行
通讯作者：
梅田隆行

Self-reformation of rippled perpendicular collisionless shocks: Full particle simulations

波纹垂直无碰撞冲击的自重构：完整粒子模拟

DOI：
发表时间：
2019
期刊：
影响因子：
0
作者：
Umeda;T.
通讯作者：
T.

Paradigm Shift in Program Structure of Particle-in-Cell Simulations

细胞内粒子模拟程序结构的范式转变

DOI：
10.3233/apc200072
发表时间：
2020
期刊：
Advances in Parallel Computing
影响因子：
0
作者：
TSUJINE Naru;HARUKI Takayuki;UMEDA Takayuki;NARIYUKI Yasuhiro;SATO Masahiro;Umeda Takayuki
通讯作者：
Umeda Takayuki

マレーシア国民大学(マレーシア)

马来西亚国立大学（马来西亚）