破壊過程と流体輸送－データ同化・可視化によるアプローチ

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水と粉の混合物が乾燥してできる破壊パターンは干上がった水田や水たまりなどで日常的に観測される。そのような破壊は亀裂と流体・熱輸送場が相互作用することで進展していくため、実験・理論の両面から物質内部で発生する流体・熱輸送場の動力学を理解することは亀裂の予測へ向けて重要な課題である。本研究は破壊パターンの実験データと数値シミュレーションを統合するデータ同化の枠組みで統合することで、破壊過程と輸送の相互関係を解析する手法を開発することを研究の目的としている。研究初年度である本年度は、実験設備や実験粉末等のセットアップを整理した上で、表面流れの可視化しデータ同化に用いるデータとして利用することを目的として、粒子画像流速測定法により表面の物質輸送をデータ化する手法を構築した。数値シミュレーションの面では、phase-field法による破壊過程のモデリングを実施し、亀裂進展の過程に流体の拡散過程を取り入れることができるようにした。データ同化解析手法面では、本研究ではデータ同化法として大規模系を取り扱うことができる４次元変分法データ同化法を採用しているが、４次元変分法データ同化法のさらなる高速化・高度化のために、既存の４次元変分法データ同化法と乱択化アルゴリズムを組み合わせることにより高速な推定値評価を行えるように理論を構築した。簡単な数値実験により、提案手法は既存手法における推定コストを大幅に削減できることが確かめられた。