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

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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．