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
小屋口 剛博 (東京大学地震研究所)
Takehiro Koyaguchi
本プロジェクトでは，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．また，数値シミュレーションに基づいた降灰被害等を予測する火山防災上のツール開発を将来的に目指す．
マグマ溜りから上空までのマグマ上昇を解析するため，今年度は以下の３つに分類して研究を進める．
気泡の発生・成長，ガスの分離などの物理素過程を考慮した管内流のプロトタイプモデルの開発に着手する．
火道流れと大気中の噴煙流れを結びつける領域として，火口形状が噴火様式に与える影響を数値実験によって調べる．
噴煙が噴煙柱となるか火砕流となるかについてパラメータスタディを行い，火砕流の発生条件を決定する．また，火山灰の降灰モデルの開発に着手する．
今年度前半は，(c)の火砕流発生条件の決定と詳細なレジームマップの作成に必要な約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を実行することができた．今年度後半は，(b)における火口付近流れの分類に必要な，パラメータスタディを行った．計算規模が大きい前者のパラメータスタディを年度前半に集中させたことで，年度後半のES利用の混雑を避けることができ，研究計画に沿い利用をスムーズに行うことができた．
液体マグマからガスが分離する効果及び結晶が析出することで粘性が上昇する効果を入れた1次元非定常流モデルを構築し，非爆発的噴火から爆発的噴火への遷移過程を再現することができた．その結果，非爆発的噴火から爆発的噴火への遷移過程では，マグマからガスが抜けきれずに密度が減少することが重要であることを定量的に示した．これにより，将来的に目指す多次元混相火道流モデルを開発する上で取り入れるべき要因やパラメータの絞り込みが容易になると期待される．
火口形状を自由に変えられる数値コードを開発した．今年度の計算は理想気体の計算に留まるが，同時に開発を行った実験装置から得られた密度プロファイルと非常に良い一致をみた．また，火口形状によって，衝撃波や膨張波の形成や噴出速度が大きく変化し火砕流の発生条件が変わること，また，火砕流発生条件に近い条件では噴煙が振動するなどの流れの特徴を新たに確認できた．
パラメータスタディによって火砕流発生条件を詳細に求めることができた．乱流ジェットのポテンシャルコアが発達する噴煙内においては噴水のような構造ができ，これまでの１次元モデルで予想されていたよりも火砕流が発生しやすいということが大きな成果として得られた．また，降灰モデルに関してはトレーサーを流れに沿って飛ばす予備計算を行った．
※計画的に計算機資源を利用できているか, 状況を記載してください.
ES利用が比較的すいている年度前半に資源利用を集中させることができ，計画的な利用ができた．
※ベクトル化, 並列化チューニング等, 計算機資源を有効利用するために行ったこととその効果を記載してください.
主に実行しているパラメータスタディの計算コードについては，前年度までにベクトル化・並列化チューニングを十分に行っている．ピーク性能比率は平均して２０％前後まで到達しており，計算機資源を十分に有効利用していると考えられる．