大規模3次元津波シミュレーションによる津波浸水...

第２回OpenFOAMワークショップ― OpenFOAMを「京」で使おう ―

（２０１４年１０月１７日大手町ファストスクエアカンファレンス）（２０１４年１０月１７日大手町ファーストスクエアカンファレンス）

大規模３次元津波シミュレーションによる大規模３次元津波シミュレーションによる津波浸水予測と津波対策津波浸水予測と津波対策津波浸水予測と津波対策津波浸水予測と津波対策

～２～２DDとと3D3Dのハイブリッドモデルによる事例紹介～のハイブリッドモデルによる事例紹介～２２DDとと3D3Dのハイブリッドモデルによる事例紹介のハイブリッドモデルによる事例紹介

宮崎大学発ベンチャー宮崎大学発ベンチャー

㈱地震工学研究開発センタ㈱地震工学研究開発センタ㈱地震工学研究開発センター㈱地震工学研究開発センター

野中哲也野中哲也

内容

１． interFoamソルバー～計算手法と検証～

津波数値究状２．津波数値シミュレーションの研究現状および解析方法

３．京コンピュータ上での本シミュレーションの計算方法

４京コンピタを用いた４．京コンピュータを用いた宮崎市の広域３次元津波数値シミュレーション

宮崎市中心部の津波浸水予測～宮崎市中心部の津波浸水予測～

５．京コンピュータを用いた用広域３次元津波数値シミュレーションによるコンビナート地区の津波対策の事例

OpenFOAMの計算手法

▶OpenFOAMの中のinterFoamソルバー・非圧縮・不混和流体の2相流を対象としたソルバー非圧縮不混和流体の2相流を対象としたソルバ

・離散化手法として有限体積法を採用

・ VOF(Volume Of Fluid)法によって自由表面の位置を追跡

0=⋅∇ U

( )法によて自由表面の位置を追跡

・基礎方程式は以下の通り連続式 (1)

( ) sfpt

++⋅+∇−∇=∇+∂

∂ gτUUU ρρρ *Navier-Stokes方程式（3次元非圧縮流れ）

(2)

( ) 01 =−⋅∇+⋅∇+∂∂ αααα

ctUUVOF法の移流方程式 (3)

U ：流速ベクトル，ρ ：密度，p*：擬似動圧，τ ：粘性応力テンソル，g ：重力加速度，

表力流体占有体積率関数相対流速ベf s ：表面張力，α ：流体の占有体積率（VOF関数），Uc ：相対流速ベクトル

OpenFOAMの計算手法

▶自由表面解析手法（VOF法の取り扱い）

一般的なVOF法における移流方程式般的なVOF法における移流方程式

0water =⋅∇+∂∂ αα U

tα :流体の占有体積率（VOF関数）(4)

Rusche(2002)，Weller(2002)による手法

( ) airater 1 UUU αα −+=流速：式(4)に代入

( ) airwater

airwater UUU −=c

流速

相対流速：式(4)に代入

( ) 01∇∇∂α UU (5)( ) 01 =−⋅∇+⋅∇+∂

ααα ctUU

界面を圧縮，数値拡散を抑制

(5)

Uc は直接求められないため，平均流速を用いた次式で定義

( )[ ]UUU maxmin c=cα : ユーザーが設定する変数

(サンプルの値は1 0)( )[ ]UUU max,min αcc (サンプルの値は1.0)

VOF法による自由表面のシミュレーション

【参考論文】川崎浩司，松浦翔，坂谷太基：3次元数値流体力学ツールOpenFOAMにおける自由表面解析手法の妥当性に関する検討，土木学会論文集B3（海洋開発） Vol 69 No 2 2013年 I 748 I 753学会論文集B3（海洋開発），Vol. 69，No. 2，2013年，I_748-I_753.

水理実験による検証

ブク（構造物）前面

0 5

0.6実験

10000

12000実験

矩形水槽ブロック（構造物）前面

0 2

0.3

0.4

0.5

水位

（m) 解析

4000

6000

8000

10000

圧力

（Pa) 解析

0

0.1

0.2

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Time(s)0

2000

4000

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3圧

Time(s)

オプンソスコドを使う前に検証は必要！

H2地点の水位変化（Cα=0.5） P1地点の圧力変化（Cα=0.5）

オープンソースコードを使う前に検証は必要！

内容







津波数値シミュレーションの研究津波数値シミレションの研究

研究の現状（3.11以降，各方面で研究が進む）

●JAMSTEC：GPS波浪計等で観測された津波観測情報を基に，京コンピュータを用いて平面２次元津波シミュレーションを高速処理して，津波到達前に津波浸水を予測する研究

● 古村ら：3次元不均質地下構造モデルを用いた3次元地震● 古村ら 3次元不均質地下構造デルを用いた3次元地震

動・津波同時シミュレーションの研究

●有川ら：女川における３次元津波シミュレーションの研究●有川ら：女川における３次元津波シミュレションの研究

●ファムら：３次元津波解析により，東北地方太平洋沖地震に伴う巨大津波の浸水再現解析の研究伴う巨大津波の浸水再現解析の研究

など

本ワークショップ：広域３次元津波による津波シミュレーション本ワークショップ：広域３次元津波による津波シミュレーション

津波数値シミュレーションの計算精度数値計算の精度：メッシュが細かいほど精度が高い

高さ

３次元解析のメッシュ

３次元解析の欠点：広域３次元解析は膨大な計算時間が必要

３次元解析のメッシュ

平面２次元解析のメッシュ

古村らは，京コンピュータを用いて，波源域から対象地点を含む領域を大規模3次元モデル（約4.6億メッシュ）でモデル化し解析を実施．そのメッシュサイズは約500m．しかしこれでは建物や重要施設のモデル化および評価はできないしかし，これでは建物や重要施設のモデル化および評価はできない．

→遠洋海域（津波波源を含む）を計算する平面2次元解析モデルと沿岸海域から陸域までを計算する3次元解析モデルを組み合わせたモデル（以下，「ハイブリッドモデル」と呼ぶ）が提案された．

ハイブリッドモデル内の３Dメッシュ（最低）：１０００☓１０００☓１００＝１億

※その他津波波源の設定によて計算結果が変わる※その他，津波波源の設定によって計算結果が変わる．

平面２次元解析（２Ｄ）と３次元解析（３Ｄ）

２次元解析

２次元解析結果から

津波浸水マップ２次元解析

結果

浸水範囲や津波高さをわかる．防災に非常に役立つが・・・防災に非常に役立つが・・・

解

平面２次元解析の欠点

想定津波に対して，避難ビル等が安全かどうか正確にはわからない．

３次元解析の利点○詳細な浸水状況（建物の間を流れ，

方向と流速が変化したり建物の

２次元解析安全かどうか正確にはわからな

方向と流速が変化したり，建物の背後に回り込む等）が把握できる．

○構造物に作用する波力が算出できる．３次元解析

津波でRC建物でも倒壊することがある！

宮城県女川町のRC建物の倒壊（撮影：野中）

建物の表現方向の比較

建物等を摩擦係数で表現

津波波力

３次元解析（３Ｄ）

平面２次元解析（２Ｄ）・地形をモデル化し，建物はモデル化

しない３次元解析（３Ｄ）・建物をモデル化している．

・建物に作用する津波波力が求まる．

しない．

→建物等を概略的に摩擦係数で考慮．

ただし細かいメッシュで建物を地形ただし，細かいメッシュで建物を地形としてモデル化する場合がある．

・建物の地点の水位や流速から，

※３次元解析では，直接，津波波力を精度よく算出できる．その津波波力により津波診断が行える

建

経験的に津波波力を予測する．波力により，津波診断が行える．

ハイブリッドモデルによる解析法

波源域から検討対象までをフル３次元津波解析するには，膨大な計算時間を必要とする．→合理的な解析法ハイブリッドモデルを提案．

イブリドデ平面次元解析と次元解析を組合せた解析法ハイブリッドモデル：平面２次元解析と３次元解析を組合せた解析法

検討対象地点検討対象地点

津波襲来

平面２次元解析の範囲

津波の波源域：

３次元解析の範囲

津波の波源域：断層破壊による海面変動

ハイブリッドモデルによる解析手順

次解析を実施次解析境水位●平面２次元解析を実施して，３次元解析の境界上の水位と流速を得る（ステップ１）．

３次元解析の境界

平面２次元解析の実施

●得られた水位と流速を３次元解析の境界条件として設定し，３次元解析を実施する（ステップ２）

平面２次元解析の実施

３次元解析を実施する（ステップ２）．

３次元解析の実施

3次元解析の造波境界と初期値の設定

造波境界に複数入射・透過境界を導入造波境界に複数入射・透過境界を導入

●3D解析の初期値従来の方法提案の方法

L1 R1

●3D解析の初期値３D解析開始時刻の平面２Dの結果を３D解析領域内に初期値として設定．

●3D解析の境界

陸域

海域

複数の境界を設け，そこから多方向流入させる．この境界は透過もさせる．

造波境界造波境界Ln Rn

B1 Bm ●流入データ入力させる流速と水位は，

1方向流入多方向流入

造波境界

(非定常)

L1～LnR1～RnB1～Bm

各境界の分割番号

平面２D解析の時刻歴波形データとする．

（段波など）

内容







「京」上での今回の計算方法１解析モデル作成：WS使用１．解析モデル作成：WS使用

・blockMesh（並列化されていない）「京」１ノードのメモリ不足

・snappyHexMesh（並列化されている）「プリポスト」実行時間不足snappyHexMesh（並列化されている）「プリポスト」実行時間不足

２．解析実施2 1 初期水位と流速の設定 WS使用2.1 初期水位と流速の設定：WS使用

・setFields（並列化されている），リスタート機能なし．

2 2 interFoam実行：「京」2.2 interFoam実行：「京」

・今回の宮崎市は96ノード実行

2 3 合成作業：「プリポスト」2.3 合成作業：「プリポスト」・「京」上でデータを使うためWSではなくプリポストを使用．・分割（実行ノード数）を多くすると合成できない場合がある．

３．解析結果出力（ParaView使用）：WS使用・結果分析や動画作成は手元のWSで行いたい結果分析や動画作成は手元のWSで行いたい．・約１５Tバイトを転送．

内容







高並列化を考慮した３次元空間の計算領域宮崎市内の中心部

ZZ軸：軸：56m56m56m56m

データ分割：hierarchical分割（８☓１２☓４）３８４プロセス：X８☓Y１２☓Z４， 96node☓4core

京コンピュータを用いて解析実施（１回目：H25.7, ３回目：H26.8 ）

平面２次元津波解析の領域

メッシュ

サイズ経度分割数緯度分割数メッシュ数

A 127.1624 25.4053 146.4568 38.52626 2430m 700 600 420000

北東端(経度・緯度）南西端(経度・緯度）領域名

領域範囲領域サイズ

B 129.8728 30.13614 141.2933 35.8073 810m 1243 778 967054C 130.9324 31.17366 133.0763 33.10779 270m 700 796 557200D 130.9733 31.24494 131.7369 32.22496 90m 748 1210 905080E 131.3524 31.76114 131.6008 31.97847 30m 730 805 587650F 131.3848 31.7893 131.5047 31.95192 10m 1057 1807 1909999

合計メッシュ数（万）： 534.7

A

中央防災会議の波源モデル（ケース11）

（注意）水位について満潮以外に高潮も考慮した最悪ケとを想定した東海地震

東南海地震

南海地震

日向灘地震

☆

た最悪ケースのひとつを想定した．

（参考）2011.11に公開したM9波源モデル➔

平面２次元津波解析結果の水位変化

評価点評価点

本ワークショップ第１回と第２回の３Ｄモデルの比較

第１回ワークショップ

第２回ワークショップ

・木造平屋もモデル化木造平屋もモデル化（ただし，基礎だけ）．

・RC建物はそのまま．

・道路部分の地形を平らにする．

に道路表→これにより道路を表現．

宮崎市中心部の広域３次元津波シミレション広域３次元津波シミュレーション

宮崎市中心部の３次元津波シミュレーション

※当社（地震工学研究開発センター）のHPからこの動画を公開

宮崎港の避難ビル周辺の浸水状態

宮崎市指定避難ビル

・避難ビルに作用する津波の

圧力は静水圧の1 5倍程度圧力は静水圧の1.5倍程度．

→実際は窓の開口部があり津波の圧力は更に低くなり，本避難ビルは倒壊しない本避難ビルは倒壊しない．

・避難ビルの１階が浸水．

→県の浸水想定と概ね一致→県の浸水想定と概ね致

内容







（日本地震工学シンポジウム発表前のため省略）

まとめ算手検● interFoamソルバー～計算手法と検証～

●津波数値シミュレーションの研究現状と解析方法●津波数値シミュレーションの研究現状と解析方法

●京コンピュータ上での本シミュレーションの計算方法

●京コンピュータを用いた宮崎市の広域３次元津波数値シミュレーション宮崎市の広域次元津波数値シシン

～宮崎市中心部の津波浸水予測～

●京コンピュータを用いた●京コンピュータを用いた広域３次元津波数値シミュレーションによるコンビナート地区の津波対策の事例コンビナート地区の津波対策の事例

※「京」による本シミュレーションは，津波浸水予測，さらに津波対策を検討する上で重要なツールである．

大規模3次元津波シミュレーションによる 津波浸水...

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