化学工学における粒子－流体プロセスのシミュレーション研究を行い博士号を取得した後、粒状体と流体が関わる様々な非線形現象の解明や、土木や粉体産業へのシミュレーション技術の応用を目指して、工学的見地から地球科学分野にとらわれず幅広く研究開発に従事している。

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津波と構造物の連成問題

東日本大震災では、津波から人や街を守るはずだった堤防はその殆どが津波の力で破壊され、大きな津波被害をもたらした。そのため、津波に対して強い堤防の新しい施工方法が求められている。本研究では、津波を計算するSmoothed Particle Hydrodynamics（SPH）と堤防やマウンド地盤の運動を計算するDiscrete Element Method（DEM）を連成したシミュレーション手法を開発し、津波による堤防の崩壊メカニズムを調べている（下図）。さらに、「京」コンピュータやグラフィックスプロセッサ（GPU）、XeonPHIなどの最新の並列計算機を活用して、津波と構造物の大規模な連成解析にも取り組んでいる。

＜引き波によるマウンド地盤と堤防の崩壊挙動＞

バラスト軌道の最適設計

線路の下に敷かれているバラスト（砂利）は、電車走行時の振動や騒音を吸収する重要な役割をしている。しかし、電車からの度重なる衝撃によってバラストは摩耗し軌道が沈下するため、定期的にバラストの交換作業が行われている。本研究では、バラスト軌道の安定性と衝撃吸収性能を向上させるための最適条件を見つけるために、個々の物体を小さな四面体要素で分割して物体の変形挙動を計算するMulti-QDEMという新しいシミュレーション手法を開発し、バラストと枕木の衝撃応答解析（下図）を行っている。カラーコンターは変位を表しており、線路から枕木に伝わる大きな衝撃荷重によって枕木がたわみ，枕木の下の砂利が沈下している様子が伺える。また、グラフィックスプロセッサ（GPU）を用いたMulti-QDEMの大機規模並列計算も行っている。

＜バラストと枕木の衝撃応答挙動＞

板状粒子懸濁液のレオロジー挙動

固体粒子と流体が関わる地質学的現象として、マグマ中のメルト層と結晶粒子層が分離した構造を持つ岩石が形成されるプロセスが知られている。岩石構造とマグマのレオロジーは密接に関係しているため、岩石ができるまでのマグマのレオロジーを推定するためには、剪断流動状態にあるマグマ中での微構造形成メカニズムを明らかにする必要がある。本研究では、剪断流動状態にある流体中の板状結晶粒子挙動をモデル化し、離散要素法（DEM)と流体計算（CFD)を連成した数値シミュレーションを用いて板状粒子の構造形成メカニズムを調べている。剪断流中で結晶粒子は局所的に圧密されてクラスターを形成し、クラスター内と外では結晶粒子の配向方向が直交している様子が下図から確認することができる。カラーコンターは結晶粒子間の接触力の大きさを表している。

＜単純剪断場における板状粒子のクラスター化＞

粒子法シミュレーションの高速化

様々な科学分野や産業界で粒子法の大規模シミュレーションが年々必要とされてきている。粒子法シミュレーションでは、粒子は自由に空間内を動くことができるため、分散メモリ型の並列計算を行う場合は各計算ノードで粒子数がアンバランスになり計算の負荷バランスが崩れてしまう問題が有る。一方、共有メモリ型の並列計算では、メモリアクセス競合の問題が発生する。本研究では、これらの問題を解決する新しい並列化アルゴリズムを開発し、マルチコアCPUやベクトルCPU、GPUを搭載した大規模並列計算機に高い演算効率で実装することを目指している。特にDEMでは、粒子径分布が有る場合（下図）に計算負荷が膨大になるため、これに対処するためのアルゴリズム構築も行っている。さらに、並列計算に精通していない研究者のために並列化DEMのオープンソース開発も行っている。

＜振動容器内の粉体の粒度偏析＞

凝集粒子の分散プロセス設計

ナノ粒子を使った新しい高機能性材料が多く開発されているが、ナノ粒子はその高い表面エネルギーによって凝集性が強く、目的とする性能の材料を作るためには凝集粒子を綺麗に分散してから用いる必要がある。したがって、ナノ粒子の分散処理は通常、湿式媒体撹拌型ミルを用いて行われ、そのプロセスを設計することは非常に重要である。本研究では、離散要素法と流体計算を連成して流体中の媒体ビーズとナノ粒子の混相流シミュレーション手法を開発し、単純剪断場における凝集粒子の分散メカニズムを研究している（下図）。

＜単純剪断場における媒体ビーズと凝集粒子群の混相流挙動＞

粒状体の非線形現象

粒状体が引き起こす自然現象には、粉体の振動対流やパターン形成、非球形粒子群の衝突挙動、微粒子懸濁液のレオロジーなどの様に、解明されていない不思議な非線形現象が多く存在している。本研究では、様々な粒状体の非線形現象に対する実験およびシミュレーションを数多く行っている。例えば、平らな容器に入った粉体に振動を与えると対流したり様々なパターン模様を形成することは実験的に良く知られているが、地球の様に重力で球殻上に引き寄せられている粉体に振動を与えたら何が起こるであろうか？　下図は、DEMで球殻上での粉体のパターン形成をシミュレーションした結果である。カラーコンターは粒子の鉛直方向の高さを表しており、振動加速度によって様々なパターンの模様が発生する。

＜球殻上における粉体の振動パターン形成＞

Original Papers (Peer-Reviewed)

1. Kensuke Harasaki, Mitsuteru Asai, Tetsuro Goda, Kiyonobu Kasama, Daisuke Nishiura, P​i​p​i​n​g​ ​D​e​s​t​r​u​c​t​i​o​n​ ​A​n​a​l​y​s​i​s​ ​o​f​ ​a​ ​B​r​e​a​k​w​a​t​e​r​ ​b​y​ ​S​P​H​-​D​E​M​ ​C​o​u​p​l​e​d​ ​M​e​t​h​o​d, Journal of JSCE, Ser.A2, 73, 2, I_295-I_304 (2018), doi:10.2208/jscejam.73.I_295
2. Keita Ogasawara, Mitsuteru Asai, Mikito Furuichi, Daisuke Nishiura, D​e​v​e​l​o​p​m​e​n​t​ ​o​f​ ​a​n​ ​E​x​p​l​i​c​i​t​ ​S​c​h​e​m​e​ ​o​f​ ​t​h​e​ ​S​t​a​b​i​l​i​z​e​d​ ​I​S​P​H​ ​f​o​r​ ​L​a​r​g​e​ ​S​c​a​l​e​d​ ​T​s​u​n​a​m​i​ ​R​u​n​-​u​p​ ​S​i​m​u​l​a​t​i​o​n, Journal of JSCE, Ser.A2, 73, 2, I_397-I_404 (2018), doi:10.2208/jscejam.73.I_397
3. Daisuke Nishiura, Hirotaka Sakai, Akira Aikawa, Satori Tsuzuki, Hide Sakaguchi, Novel discrete element modeling coupled with finite element method for investigating ballasted railway track dynamics, Computers and Geotechnics, 96, 40-54, (2018), doi:10.1016/j.compgeo.2017.10.011
4. Keisuke Oda, Yuuji Maeda, Daisuke Nishiura, Shun Nomura, Norihiro Izumi, Takeshi Nishihata, Hide Sakaguchi, Study on bathymetry changes in the lower regime by tsunami, Journal of JSCE, Ser.B3, 73, 2, I_660-I_665 (2017), doi:10.2208/jscejoe.73.I_660
5. Mikito Furuichi, Daisuke Nishiura, Iterative load-balancing method with multigrid level relaxation for particle simulation with short-range interactions, Comp. Phys. Comm., 219, 135-148, (2017), doi:10.1016/j.cpc.2017.05.015
6. Tomo-o Watsuji, Remi Tsubaki, Chong Chen, Yukiko Nagai, Satoshi Nakagawa, Masahiro Yamamoto, Daisuke Nishiura, Takashi Toyofuku, Ken Takai, Cultivation mutualism between a deep-sea vent galatheid crab and its chemosynthetic epibionts, Deep-Sea Res. I, 127, 13-20, (2017), doi:10.1016/j.dsr.2017.04.012
7. Daisuke Nishiura, Hide Sakaguchi, Akira Aikawa, Development of Viscoelastic Multi-Body Simulation and Impact Response Analysis of a Ballasted Railway Track under Cyclic Loading, Materials, 10, 615 (2017), doi:10.3390/ma10060615
8. Akira Aikawa, Masakazu Takagaki, Hirotaka Sakai, Masae Hayashi, Daisuke Nishiura, Hide Sakaguchi, Construction of Large-Scale BAllasted Track Analytical Model by QDEM, RTRI Report, 30, 2, 23-28 (2016), PDF
9. Tetsuya Iwamoto, Hitoshi Nakase, Daisuke Nishiura, Kazuhiro Tsurugasaki, Junji Miyamoto, Junji Kiyono, Application of drag model on SPH-DEM coupling analysis method for the failure simulation of rubble mound foundation at a caisson breakwater during TSUNAMI, Journal of JSCE, Ser.A2, 71, 2, I_579-I_586 (2015), doi:10.2208/jscejam.71.I_579
10. Hiroyuki Kkatayama, Yuuji Maeda, Kouichirou Anno, Syuro Yoshikawa, Hide Sakaguchi, Daisuke Nishiura, Basic research about the biased particle size distribution of onshore tsunami sediment, Journal of JSCE, Ser.B3, 71, 2, I_641-I_646 (2015), doi:10.2208/jscejoe.71.I_641
11. Daisuke Nishiura, Mikito Furuichi, Hide Sakaguchi, Computational performance of a smoothed particle hydrodynamics simulation for shared-memory parallel computing, Comp. Phys. Comm., 194, 18-32 (2015), doi:10.1016/j.cpc.2015.04.006
12. Daisuke Nishiura, Hide Sakaguchi, Atsuko Shimosaka, Wet dispersion mechanism of fine aggregates in multiphase flow with solid beads under simple shear, AIChE J., 60, 12, 4076-4085 (2014), doi:10.1002/aic.14614
13. Daisuke Nishiura, Hide Sakaguchi, Microscopic measurements of planar viscoelastic body eccentric impacts on a convex corner, Int. J. Non-Linear Mech., 67, 133-143 (2014), doi:10.1016/j.ijnonlinmec.2014.08.015
14. Mikito Furuichi, Daisuke Nishiura, Robust coupled fluid-particle simulation scheme in Stokes-flow regime: toward the geodynamic simulation including granular media, Geochem. Geophys. Geosyst., 15, 7, 2865-2882 (2014), doi:10.1002/2014GC005281
15. Tetsuya Iwamoto, Hitoshi Nakase, Daisuke Nishiura, Kazuhiro Higashiyama, Takahiro Sugano, Akihiko Yahiro, 3D SPH-DEM simulation of tsunami overflow experiment using GPGPU, Journal of JSCE, Ser.A1, 70, 4, I_295-I_303 (2014), doi:10.2208/jscejseee.70.I_295
16. Miki Y. Matsuo, Daisuke Nishiura, Hide Sakaguchi, Geometric effect of angle of repose revisited, Granular Matter, 16, 4, 441-447 (2014), doi:10.1007/s10035-014-0489-1
17. Daisuke Nishiura, Miki Y. Matsuo, Hide Sakaguchi, ppohDEM: Computational performance for open source code of the discrete element method, Comp. Phys. Comm., 185, 5, 1486-1495 (2014), doi:10.1016/j.cpc.2014.02.014
18. Hiroshi Kawabata, Daisuke Nishiura, Hide Sakaguchi, Yoshiyuki Tatsumi, Self-organized domain microstructures in a plate-like particle suspension subjected to rapid simple shear, Rheologica Acta, 52, 1, 1-21 (2013), doi:10.1007/s00397-012-0657-3
19. Atsuko Shimosaka, Ryoko Asahi, Daisuke Nishiura, Yoshiyuki Shirakawa, Jusuke Hidaka, Design of Nanoparticle Dispersion Process in Stirred Media Mill Using DEM-LES Coupling Method, J. Chem. Eng. Japan, 45, 10, 801-810 (2012), doi:10.1252/jcej.12we022
20. Arito Sakaguchi, Hide Sakaguchi, Daisuke Nishiura, Masao Nakatani, Shingo Yoshida, Elastic stress indication in elastically rebounded rock, Geophys. Res. Lett., 38, 9, L09316 (2011), doi:10.1029/2011GL047055
21. Daisuke Nishiura, Hide Sakaguchi, Parallel-Vector Algorithms for Particle Simulations on Shared-Memory Multiprocessors, J. Comput. Phys., 230, 5, 1923-1938 (2011), doi:10.1016/j.jcp.2010.11.040
22. Shigeto Miyazaki, Daisuke Nishiura, Atsuko Shimosaka, Yoshiyuki Shirakawa, Jusuke Hidaka, Revealing the Formation Mechanism of Granules by Drying Simulation of Slurry Droplet, (Translated paper for SPTJ Best Paper Award 2009), Adv. Powder Technol., 22, 1, 93-101 (2011), doi:10.1016/j.apt.2010.12.007
23. Daisuke Nishiura, Yukiko Wakita, Atsuko Shimosaka, Yoshiyuki Shirakawa, Jusuke Hidaka, Estimation of Power during Dispersion in Stirred Media Mill by Coupled DEM-LES Simulation, J. Chem. Eng. Japan, 43, 10, 841-849 (2010), doi:10.1252/jcej.10we118
24. Daisuke Nishiura, Atsuko Shimosaka, Yoshiyuki Shirakawa, Jusuke Hidaka, Simulation of Drying of Particulate Suspensions in Spray-Drying Granulation Process, J. Chem. Eng. Japan, 43, 8, 641-649 (2010), doi:10.1252/jcej.10we040
25. Daisuke Nishiura, Hide Sakaguchi, GPU Acceleration Techniques for DEM Simulations of Granular Materials with Broad Particle Size Distribution, Trans. JSCES, 2010, Paper No.201000008 (2010)
26. Daisuke Nishiura, Hide Sakaguchi, High-Efficiency Algorithm for DEM Simulation on GPU, Trans. JSCES, 2010, Paper No.201000007 (2010)
27. Hide Sakaguchi, Daisuke Nishiura, What Kind of Frictional Parameter Should be Used in the Polygonal DEM for the Eccentric Collision Simulations?, Theoretical and Applied Mechanics Japan, 58, 309-319 (2009), doi:10.11345/nctam.58.309
28. Hide Sakaguchi, Daisuke Nishiura, Development of Hyper Intelligent Discrete Element Method (HiDEM) and its application for science and industry, JAMSTEC Report R&D, Special, 201-210 (2009), doi:10.5918/jamstecr.2009.201
29. Daisuke Nishiura, Atsuko Shimosaka, Yoshiyuki Shirakawa, Jusuke Hidaka, Analysis of Formation Mechanism of Particle Structures by Using a Simulation for Drying Behavior of Particulate Suspensions, Jpn. J. Multiphase Flow, 23, 1, 53-65 (2009), doi:10.3811/jjmf.23.53
30. Shigeto Miyazaki, Daisuke Nishiura, Atsuko Shimosaka, Yoshiyuki Shirakawa, Jusuke Hidaka, Revealing the Formation Mechanism of Granules by Drying Simulation of Slurry Droplet, J. Soc. Powder Technol., Japan, 45, 9, 632-641 (2008), doi:10.4164/sptj.45.632
31. Daisuke Nishiura, Atsuko Shimosaka, Yoshiyuki Shirakawa, Jusuke Hidaka, Simulation of Drying Process of Suspensions Containing Fine Solid Particles Using DEM and CIP method, KAGAKU KOGAKU RONBUNSHU, 34, 3, 321-330 (2008), doi:10.1252/kakoronbunshu.34.321
32. Daisuke Nishiura, Atsuko Shimosaka, Yoshiyuki Shirakawa, Jusuke Hidaka, New Equation for Estimating Hindered Settling Velocity of a Particle in Polydisperse Suspension, KAGAKU KOGAKU RONBUNSHU, 32, 4, 341-347 (2006), doi:10.1252/kakoronbunshu.32.341
33. Daisuke Nishiura, Atsuko Shimosaka, Yoshiyuki Shirakawa, Jusuke Hidaka, Hybrid Simulation of Hindered Settling Behavior of Particles Using Discrete Element Method and Direct Numerical Simulation, KAGAKU KOGAKU RONBUNSHU, 32, 4, 331-340 (2006), doi:10.1252/kakoronbunshu.32.331

Proceedings (Peer-Reviewed)

• Daisuke Nishiura, Atsuko Shimosaka, Yoshiyuki Shirakawa, Jusuke Hidaka, Estimation of the Hindered Settling Velocity of a Particle in Polydisperse Suspensions, Proc. of the 5th World Congress of Powder Technology (2006)
• Daisuke Nishiura, Atsuko Shimosaka, Yoshiyuki Shirakawa, Jusuke Hidaka, Simulation of Hindered Settling Behavior by using a Discrete Element Method and a Direct Numerical Simulation, Proc. of the 10th APCChE Congress (2004)

Other Publications (Non Peer-Reviewed)

• 西浦 泰介, 阪口 秀, スイスの鉄道を水の流れから守る, Blue Earth, 143, 8-11 (2016)
• 西浦 泰介, 古市 幹人, 阪口 秀, 混相流に対する粒子法シミュレーション ―津波からマグマまで―, 金属, 85, 11, 894-900 (2015)
• H. Sakaguchi and D. Nishiura, DEMIGLACE, INNOVATION News of JAMSTEC, 11, 10-13 (2009)
• H. Sakaguchi, S. Wada, K. Tsubota, Y. Kitagawa, J. Hidaka, A. Shimosaka and D. Nishiura, Particle Modeling for Complex Multi-Phase System with Internal Structures using DEM, Annual Report of the Earth Simulator Center, 201-207 (2005)
• H. Sakaguchi, N. Ito, S. Yukawa, S. Wada, K. Tsubota, R. Kobayashi, D. Nishiura, J. Hidaka, A. Shimosaka and T. Matsushima, Particle Modeling for Complex Multi-Phase System with Internal Structures using DEM, Annual Report of the Earth Simulator Center, 147-149 (2004)