凝固組織微細化のための大規模マルチフィジックスｐｈａｓｅ－ｆｉｅｌｄ計算法の確立

精细凝固组织大规模多物理相场计算方法的建立

基本信息

批准号：
18J15230
负责人：
坂根慎治
金额：
$ 1.34万
依托单位：
Kyoto Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2018
资助国家：
日本
起止时间：
2018-04-25 至 2020-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

凝固組織の微細化は高性能材料開発において重要な課題である．本研究では，添加剤によらない組織微細化の鍵になると注目されているデンドライト（樹枝状結晶）のフラグメンテーション(破断)発生メカニズムを数値計算によって解明することを目的とする．そこで，自発的なフラグメンテーションを再現可能なphase-field(PF)法に基づく凝固モデルを構築する．また，計算コストの高いPF凝固モデルを大規模に計算可能な高性能計算手法を確立する．本年度は，破断後のデンドライトの成長挙動を評価するために必要な，多数のデンドライトの成長，運動，衝突，結合，粒成長を同時に評価可能なPF格子ボルツマン凝固シミュレーションの高効率計算手法開発を行い，350個のデンドライト粒からなる等軸晶形成過程の再現計算に成功した．ここで，多数のデンドライト粒を効率的に取り扱うために，数値格子の各点上に存在する粒のPF変数の値のみを保存するactive parameter tracking (APT)法の実装を行った．このAPT法の導入により，単一GPUを用いた50個の粒を取り扱った計算において，約2.5倍計算時間が短縮されることを示した．さらに，複数GPU並列計算を実装し，64 GPUを用いた並列計算において1 GPUの場合の計算よりも30.8倍計算性能が向上することを確認した．次に，液相流動および固体の運動を伴うデンドライト成長計算を効率化するため，解適合格子法を実装した複数GPU並列計算手法を構築した．さらに，構築手法を用いて単一デンドライト沈降計算を実施し，16 GPUを用いた並列計算において均一格子を用いた場合よりも約15倍計算が高速化することを示した．フラグメンテーションを再現可能な計算手法の構築に関して，2次元問題については完了しており，今後，本課題で開発した手法を3次元問題へと拡張することで，自発的なフラグメンテーションの定量的評価が可能になると考えている．

凝固结构的细化是高性能材料发展的一个重要问题。本研究的目的是利用数值计算来阐明枝晶破碎的机制，这是在不使用添加剂的情况下细化微观结构的关键而引起人们的关注。因此，我们构建了一个基于相场（PF）方法的凝固模型，可以重现自发碎裂。此外，我们将建立一种高性能计算方法，允许大规模计算计算成本较高的PF凝固模型。今年，我们开发了一种高效的PF晶格玻尔兹曼凝固模拟计算方法，可以同时评估大量枝晶的生长、运动、碰撞、结合和晶粒生长，这对于评估枝晶凝固后的生长行为是必要的。断裂，我们成功地再现了由350个枝晶晶粒组成的等轴晶体的形成过程。在这里，为了有效地处理大量的枝晶晶粒，我们实现了一种主动参数跟踪（APT）方法，该方法仅存储存在于数值网格的每个点上的晶粒的PF变量的值。通过引入这种 APT 方法，我们发现在使用单个 GPU 处理 50 个颗粒的计算中，计算时间减少了约 2.5 倍。此外，我们实现了多GPU并行计算，并证实使用64个GPU的并行计算与使用1个GPU的计算相比，计算性能提高了30.8倍。接下来，为了提高涉及液相流动和固体运动的枝晶生长计算的效率，我们构建了一种实现自适应网格方法的多GPU并行计算方法。此外，我们使用该构造方法进行了单枝晶沉降计算，结果表明，在使用 16 个 GPU 并行计算时，计算速度比使用均匀网格时快约 15 倍。关于构建能够再现碎片的计算方法，我们已经针对二维问题完成了它，将来，通过将本项目开发的方法扩展到三维问题，将可以定量评估自发碎片我想会的。