研究内容
■研究概略
金属材料の性能・品質は，材料の組成だけでなく，メゾスケール(0.1-100 μm)における金属組織形態に強く依存します．特に，材料加工の初期プロセスである鋳造時に形成される凝固組織は，鋳造製品の機械的特性を直接決定し，その後の加工における組織形成プロセスに影響を与えるため，その高精度な予測と制御が重要です．
典型的な凝固組織形態であるデンドライト（樹枝状結晶）の成長を精度よく表現可能な数値モデルとしてphase-field法(PF法)が発展しています．一方で，PF法を用いたデンドライト成長計算は計算コストが高く，取り扱える空間スケールが小さい点に問題があります．さらに，凝固は，固液相変態だけでなく，熱・溶質の移流拡散，液相流動，液相中に漂う固体結晶の運動，衝突，結合などが同時に起こるマルチフィジックス問題であり，高精度な凝固組織予測のためにはこれらの現象を同時に評価する必要があります．しかしながら，それらのマルチフィジックスを考慮すると計算コストはさらに増加します．
そこで，演算性能の高いGraphic processing unit (GPU)を複数台並列使用する高性能計算手法に各種計算効率化手法を組み合わせ，マルチフィジックスPF凝固モデルの大規模シミュレーションを可能にする研究をしています．また，開発した計算手法を用いて，凝固中に起こるマルチフィジックス現象の解明に取り組んでいます．
大規模Phase-field(PF)デンドライト成長計算
■PF凝固計算の大規模化・高速化・効率化
・二元合金凝固のための定量的PF凝固モデルの大規模3次元計算手法構築
[IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng. 84 (2015) 012063.]
・液相流動を伴う二元合金凝固のためのPF凝固モデルの大規模3次元計算手法構築
[J. Cryst. Growth 474 (2017) 154-159.]
・熱溶質対流を伴う二元合金3次元非等温凝固計算の効率化
[Modell. Simul. Mater. Sci. Eng. 27 (2019) 054004.]
・適合格子細分化法による3次元柱状デンドライト成長の複数GPU並列計算効率化
[Materials Theory 6 (2022) 1-19.]
■一方向凝固中の柱状デンドライト競合成長
・単結晶3次元柱状デンドライト競合成長計算と一次枝の配列パターン評価
[Acta Mater. 118 (2016) 230-243.]
・二結晶3次元柱状デンドライト競合成長計算と収束境界における淘汰現象の評価
[ISIJ Int. 56 (2016) 1427-1435.]
・多結晶3次元柱状デンドライト競合成長計算と粒界での淘汰現象の評価
[Materialia 1 (2018) 104-113.]
■液相流動を伴うデンドライト成長
・一様流に対して結晶方位がデンドライトの成長挙動に及ぼす影響評価
[J. Cryst. Growth 483 (2018) 147-155.]
・自然対流がデンドライトの成長挙動に及ぼす影響評価
[J. Cryst. Growth 474 (2017) 146-153.]
・自然対流を伴う多結晶2次元柱状デンドライト成長計算と淘汰現象
[Modell. Simul. Mater. Sci. Eng. 27 (2019) 054001.]
■液相中を運動する等軸デンドライト成長
・過冷却溶液中を長距離沈降する2次元等軸デンドライト成長計算
[Comput. Mater. Sci. 164 (2019) 39–45.]
・等軸デンドライトの運動を伴う等軸晶形成過程シミュレーション
[Comput. Mater. Sci. 178 (2020) 109639.]
■デンドライト樹間の透過率評価
・大規模PF凝固計算と大規模格子ボルツマン流体計算による柱状デンドライト樹間の透過率評価
[Acta Mater. 164 (2019) 237-249.]
大規模分子動力学(MD)凝固計算【共同研究】
■MD凝固計算の複数GPU並列計算
・10億鉄原子MD凝固計算による核生成メカニズムの解明
[Nature Communications 8 (2017) 10.]
・1億鉄原子MD凝固・粒成長計算による粒成長挙動評価
[Acta Mater. 153 (2018) 108-116.]
・100億鉄原子MD凝固計算とMPF粒成長計算のブリッジング
[Modell. Simul. Mater. Sci. Eng., 27 (2019) 054002.]
大規模multi-phase-field(MPF)粒成長計算【共同研究】
■Multi-phase-field(MPF)粒成長シミュレーションの複数GPU並列計算
・超大規模3次元MPF計算による理想粒成長の定常挙動評価
[npj Computational Materials 3 (2017) 25.]
・理想粒成長における断面と立体の組織特性の相関評価
[Journal of Materials Science 53 (2018) 15165-15180.]
・薄膜中での3次元理想粒成長挙動評価
[Modell. Simul. Mater. Sci. Eng., 27 (2019) 054003.]
