平成21年度 地球シミュレータ利用報告会

火山ダイナミクスの数値シミュレーション

発表資料 (1.4MB)

1. プロジェクト名

火山ダイナミクスの数値シミュレーション

Numerical simulations of the dynamics of volcanic phenomena

2. プロジェクト責任者名

小屋口 剛博 (東京大学地震研究所)

Takehiro Koyaguchi

3. プロジェクトの目的

本研究では，地球内部のマグマ発生から地表におけるマグマ噴出までの火山現象を，相変化・相分離・熱輸送・乱流を伴う流体力学的問題として数値コードを開発し，火山現象の物理過程に関する理解を進める．

4. 今年度当初の計画

火山現象のうちでも特に人工衛星写真や火砕物(火山灰)堆積物などを通じて定量的な観測が可能な「噴煙・火砕流のダイナミックス」を中心的課題とし，今年度の具体的なテーマは以下の２点に分類できる．(a) 火砕物の分離・風の影響を考慮に入れた噴煙モデルの開発：噴煙ダイナミックスに影響を与えないマーカー粒子をこれまでの相分離を無視したモデルに導入する．(b) 噴煙挙動とマグマ上昇の結合モデルの基本設計：火口形状や火口におけるマグマの過剰圧力の影響を見積もり，噴火様式を推定するためのレジームマップを作成する．さらに，噴火挙動に影響を与える物理素過程の理解を目指し，マグマ上昇時のマグマ破砕過程，噴煙の乱流混合過程の数値的再現を行う．

5. 研究計画に沿った利用状況度

今年度前半は，新システムでの効率的計算に向けてチューニングと数値モデルの改良を行った．その結果，64ノード利用の計算でベクトル化率99.207%と並列化効率62.18%と予想以上の実行性能を達成できたため，噴火様式を判定するための計算時間は１計算当り数100～1000ノード時間となった．今年度後半は，詳細なレジームマップ作成に必要な約50計算からなるパラメータスタディを行い，コンスタントに計算が実行できた．ES2への実装が遅れたため利用は後半に集中してしまったが，ほぼ計画に沿った計算資源を利用することができた．

6. 今年度得られた成果、および達成度

成果

a．火砕物の分離・風の影響を考慮に入れた噴煙モデルの開発

　火砕物の分離を無視した噴煙モデルを使い３次元大規模計算を行い，その結果から得られる平均流にマーカー粒子を移動・分離・堆積をさせる予備計算を行った．さらに，粒子の拡散を支配する傘型噴煙の速度変動成分に関するデータを集積した．それと並行して，火口形状に類似するノズルから固体粒子を含む気体の高速噴流計算コードの作成を行った．これらを結合することにより，将来的な目標の一つとしている火口の流れから数百ｋｍ離れた地点での火砕物堆積までを同時に計算することの準備段階に達したといえる．一方，今年度の結果によって，粒子の拡散の影響を正しく再現するためには，傘型噴煙の速度変動成分の振る舞いが計算条件（特にメッシュサイズ）にどのように依存するかを系統的に調べる必要性があることが分かった．これらの点については来年度以降の研究計画の中に反映させる予定である．

b．噴煙挙動とマグマ上昇の結合モデルの基本設計

マグマ上昇に関する圧縮性流体力学モデルと高速噴流理論を用い，火口半径やマグマ溜りの深さによって火口内外での衝撃波の有無が変化して噴煙挙動が多様に変化することを明らかにし，レジームマップを作成した．噴煙が火砕流になるか噴煙柱になるかというレジーム境界に関しては，３次元シミュレーションによるパラメータスタディを行い，これまでになく詳細にその境界を決定した．本課題の基礎部分については当初の予定をほぼ完全に達成することができた．

物理素過程については，マグマ上昇に伴うマグマ破砕に関しては，Lennard-Jones型の大規模分子動力学モデルを開発し，気泡生成過程を再現した．その数値計算により，気泡生成においては気泡間相互作用が強い影響を及ぼしているという結果を得た．噴煙上昇に伴う乱流混合過程に関しては，長時間の噴煙上昇を高分解能でシミュレーションし，乱流混合効率を計算結果から直接求めることに初めて成功した．大規模計算結果からは３次元な渦構造を可視化することができ，渦構造の変化と乱流混合効率の変化が大まかに対応していることを明らかにした．また，火口内部の圧縮性流体力学モデルの精度を挙げるために，あらたに固気混相モデルの開発を開始した．

達成度

  • a．70%
  • b．95%

8. 研究成果一覧 (投稿中の論文、予定講演の場合はその旨記載のこと)

a. 原著論文 (査読あり)

  • Bouquet, T. P., Kinoshita K., Ground-Level Concentrations of Volcanic SO2 at Miyakejima Island, Japan, South Pacific Studies Vol.30, 1-18, 2009.
  • Inaoka, H., Yukawa, S., Ito, N., Spray flow-network flow transition of binary Lennard-Jones particle system, Physica A, submitted.
  • 川口寿裕・矢田大貴・田中敏嗣，円錐台型回転ドラム内軸方向偏析パターンと流動モードの関係，粉体工学会誌，46(8), 591-597, 2009.
  • Koyaguchi, T., Ochiai, K., Suzuki, Y. J., The effect of intensity of turbulence in umbrella cloud on tephra dispersion during explosive volcanic eruptions: Experimental and numerical approaches, J. Volcanol. Geotherm. Res., 186, 68-78, 2009.
  • Koyaguchi, T., Suzuki, Y. J., Kozono, T., A comprehensive parameter study on the effects of crater shape on eruption column dynamics, J. Geophys. Res., submitted.
  • Kozono, T., Koyaguchi, T., Effects of relative motion between gas and liquid on 1-dimensional steady flow in silicic volcanic conduits: 1. An analytical method, J. Volcanol. Geoterm. Res., 180, 21-36, 2009.
  • Kozono, T., Koyaguchi, T., Effects of relative motion between gas and liquid on 1-dimensional steady flow in silicic volcanic conduits: 2. Origin of diversity of eruption styles, J. Volcanol. Geoterm. Res., 180, 37-49, 2009.
  • Kozono, T., Koyaguchi, T., A simple formula for calculating porosity of magma in volcanic conduits during dome-forming eruptions, Earth, Planets and Space, submitted.
  • Saito, T., Yamamoto, H., Oshima, H., Numerical simulations of explosive volcanic eruption: Blast waves and pyroclastic flows, International Journal of Aerospace Innovations, 1(2), 80-88, 2009.
  • 櫻井拓也・南智博・川口寿裕・辻拓也・田中敏嗣・辻裕　流動層内熱流動問題のDEM-CFD解析およびサーモグラフィ計測, 日本機械学会論文集 B編 75 (753), 1041-1048, 2009.
  • Suzuki, Y. J., Koyaguchi, T., A three-dimensional numerical simulation of spreading umbrella clouds, J. Geophys. Res., 114, B03209, 2009.
  • Suzuki, Y. J., Koyaguchi, T., Numerical determination of the efficiency of entrainment in volcanic eruption columns, Geophys. Res. Lett., submitted.
  • Tanaka, Y., Tsuji, T., Tanaka, T., Interaction between a Burgers vortex and wake vortex structure generated by a settling particle, Journal of the Japanese Society for Experimental Mechanics, Vol.9, Special Issue, 1-6, 2009.
  • Yada, H., Kawaguchi, T., Tanaka, T., Relation Between Segregation Patterns and Granular Flow Modes in Conical Rotating Drum, Flow Measurement and Instrumentation, accepted.

b. 原著論文 (査読なし、および雑誌等寄稿)

  • 小屋口剛博，鈴木雄治郎，火山爆発に迫る　噴火メカニズムの解明と火山災害の軽減，分担執筆：第３章４節，東京大学出版会，225p., 2009.
  • 長嶋俊介・福澄孝博・木下紀正・升屋正人, 日本一長い村 トカラ　～輝ける海道の島々～, 梓書院 , 268p. 分担執筆：第1章, 第15章, 第19章, 第20章, 2009.
  • 齋藤務，火山爆発に迫る　噴火メカニズムの解明と火山災害の軽減，分担執筆：第３章５節，東京大学出版会，225p., 2009.
  • 鈴木雄治郎, 小屋口剛博, 計算力学シミュレーションハンドブック, 分担執筆：第１章６節, 丸善, 2009.

c. 学会等発表 (ポスターセッションの場合はその旨記載)

  • 浅井英明，金子暁子，阿部豊，高粘性流体の急減圧に伴う気泡生成・成長に関する研究，日本機械学会関東学生会第48回学生員卒業研究発表講演会，2009.3.6．
  • 浅井英明，金子暁子，阿部豊，急減圧に伴う高粘性流体中の気泡生成成長挙動，日本混相流学会年会講演会2009，2009.8.7．
  • 浅井英明，金子暁子，阿部豊，急減圧過程における高粘性流体中の気泡生成挙動，日本機械学会第87期流体工学部門講演会，2009.11.8．
  • Fujita, E., Ueda, H., Kozono, T., Volcanic observation data and simulation database at NIED, Japan, American Geophysical Union Fall Meeting, V231-04, 2009.12.15.
  • 福澄孝博・木下紀正，トカラ列島中之島御岳の噴気活動，日本火山学会2009年秋季大会,2009.10.10-12.
  • 木下紀正・永松哲郎・飯野直子・T. Bouquet，大気エアロゾルと火山ガスの光学観測と大気拡散解析，第11回CEReS環境リモートセンシングシンポジウム, 千葉大学，2009.2.23.
  • 木下紀正・永松哲郎・土田理・金柿主税・飯野直子，噴煙・黄砂の映像観測と鹿児島の大気環境 ，日本気象学会九州支部発表会, 2009.3.7.
  • Koyaguchi, T., Suzuki. Y. J., Kozono, T., The diversity of flow pattern during eruption column collapse, ASME Fluids Engineering Division Summer Meeting, Veil, USA, 2009.8.4.
  • Koyaguchi, T., Suzuki. Y. J., Kozono, T., The diversity of flow pattern during eruption column collapse, IAVCEI Commission on Explosive Volcanism Workshop, Clermont-Ferrand, France, 2009.10.27.
  • 小屋口剛博，小園誠史，鈴木雄治郎，火道・噴煙結合モデルの構築に向けて（その２）火砕流の発生条件に対する火口形状の影響，日本地球惑星科学連合2009年大会，V159-038, 幕張メッセ，2009.5.18.
  • 小園誠史，小屋口剛博，マグマの流量と粘性が溶岩ドーム噴火における火道中のマグマ空隙率変化に与える効果，日本地球惑星科学連合2009年大会，V159-038, 幕張メッセ，2009.5.17.
  • 小園誠史，小屋口剛博，縦方向脱ガスが溶岩ドーム噴火における火道中のマグマ空隙率分布に与える効果，日本火山学会秋季大会，A22, 神奈川県生命の星・地球博物館, 2009.10.11.
  • 小園誠史，小屋口剛博，田中宏幸，平秀昭，薩摩硫黄島火山硫黄岳の火道浅部密度構造解析：3. 火道流モデルに基づく解析，日本地球惑星科学連合2009年大会，V160-003, 幕張メッセ，2009.5.18.
  • 村松雄毅，佃昭寛，辻拓也，田中敏嗣，準2次元固気二相流中で形成される粒子クラスターの空間構造について，粉体工学会2009年度秋期研究発表会, 2009.10.21.
  • 王聡，吉川薫，辻拓也，川口寿裕，田中敏嗣，PTVによる2次元流動層内の粒子速度場計測，粉体工学会2009年度秋期研究発表会, 2009.10.21.
  • 王聡，吉川薫，辻拓也，川口寿裕，田中敏嗣, 2次元流動層内の粒子速度場に対するPTV計測，第15回 流動化・粒子プロセッシングシンポジウム, 2009.12.10.
  • 坂本昌弥・木下紀正，2001年桜島火山ガスを教材とした気象教育，日本気象学会九州支部発表会, 2009.3.7.
  • Suzuki, Y. J., Koyaguchi, T., Numerical determination of the efficiency of entrainment in volcanic eruption columns, American Geophysical Union Fall Meeting, ポスター, 2009.12.16.
  • 鈴木雄治郎，小屋口剛博，中規模火山噴煙の数値シミュレーション：噴煙の内部構造と乱流混合，日本地球惑星科学連合2009年大会，V160-003, 幕張メッセ，2009.5.17.
  • 田中敏嗣，佃昭寛，辻拓也，固気二相流中で形成される粒子クラスターの空間構造　(準2次元的粒子クラスターの要素構造について)，日本混相流学会年会講演会, 2009. 8.8.
  • 渡辺宙志，気液混相流における熱伝導と核形成，日本機械学会　第２２回計算力学講演会，2009.10.12.
  • 渡辺宙志，鈴木将，伊藤伸泰，気液混相流における熱伝導と核形成，日本物理学会秋季大会，2009.9.26.
  • 矢田大貴，辻拓也，田中敏嗣，高濃度粒子を含む流れ場の直接数値計算，第87期日本機械学会流体工学部門講演会, 2009.11.7.
  • 矢田大貴，辻拓也，田中敏嗣, 高濃度に粒子が存在する流れ場の直接数値計算, 第23回数値流体シンポジウム, 2009.12.16.
  • 矢田大貴，吉川薫，辻拓也，田中敏嗣, 埋め込み境界法を用いた2次元流動層内流動現象の直接数値計算，第15回 流動化・粒子プロセッシングシンポジウム, 2009.12.10.
  • 吉川薫，王聡，辻拓也，川口寿裕，田中敏嗣，流動層内粒子挙動のDEM-CFD解析およびPTV計測による検証，日本混相流学会年会講演会, 2009.8.8.

d. 講演

  • 田中敏嗣，（展望講演）流動層DEM-CFDシミュレーションの現状と課題，化学工学会第41回秋季大会，2009.9.16.
  • 辻拓也，(招待講演) 固気流動層中に発生する気泡群によって引き起こされる3次元流動構造,オーガナイズド混相流フォーラム2009名古屋，2009.11.27.
  • N. Ito, Simulation study of nonequilibrium state, Conference on Computational Physics 2009, Taiwan, Invited, 2009.12.16.
  • H. Watanabe, Huge-scale molecular dynamics simulation on gas-liquid multi-phase flow, 8th Workshop on Stochastic Analysis on Large Scale Interacting Systems Graduate School of Mathematical Sciences, The University of Tokyo, 2009.10.8.
  • 渡辺宙志，動的ロードバランサを備えた並列分子動力学法，第９回ACPワークショップ「非平衡分子シミュレーションとその発展」，東京大学，2009.4.17.

e. 新聞、雑誌での掲載記事

  • なし