【研究分野】数学基礎・応用数学

【研究領域課題番号】17H02856 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

非線形波動 / 応用数学 / 流体力学 / 数理モデル / 数値解析 / 数値解析・数理モデル / 数値計算

【研究成果の概要】

本研究の目的は，海洋における大振幅波動の本質（非線形性と分散性）をとらえた数理モデルを導出し，その数理解析を行うことである．令和3年度（最終年度）は以下の三つのテーマについて研究を実施した．研究成果は，発表論文6件（査読有5件，国際共著4件），学会発表21件（招待講演2件，国際講演6件）で公表されている．研究の概要は以下の通りである．
1. 数学モデル：(1)水面上に浮体がある場合の浅水波モデルの適切性を示した（井口）．(2)航跡波（一定速度で動く波源から放射される定常波）の定式化と数値計算を行い，非線形性が強いことを明らかにした（片岡）．(3)KP方程式の曲線波ソリトンの高次解を導出し，直線波ソリトンとの相互作用を調べた（太田）．(5)KP方程式の2重線ソリトンの安定性を明らかにした（水町）．
2. 内部波：密度の異なる2層流体の界面波の線形安定性を複素解析の手法を用いて数値的に調べ，Kelvin-Helmholtz タイプの不安定性が支配的であることを示した（村重）．
3. 大振幅・非線形波動の数値計算：(1)鉛直方向に流速が変化するシアー流上で発生する parasitic capillary waves（進行波の前面で発生する波長の短い表面張力波）の特徴を数値計算で明らかにした（村重）．(2)表面波・内部波共存場の孤立波の特徴を，磯部・柿沼モデルの数値計算を用いて示した（柿沼）．(3)津波（地すべり津波，河川を遡上する津波，浅瀬が存在する島嶼に入射する津波）の大振幅・非定常運動の特徴を数値計算で示した（柿沼）．(4)自己適合移動格子（急激に波形が変化する領域で格子間隔を自動的に調節する方法）の一般化（境界条件，時空間変数の全離散化）を行った（丸野）．(5)前進する船の先端付近で発生する砕波の特徴を，Navier-Stokes 方程式の直接計算により明らかにした（日野）．

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2017-04-01 - 2022-03-31

【配分額】15,080千円 (直接経費: 11,600千円、間接経費: 3,480千円)

【研究分野】数学基礎・応用数学

【研究領域課題番号】15K13455 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

特異拡散 / 不均質媒質 / 非整数階偏微分方程式 / 凝集 / セシウムの特異拡散 / 数理モデル / 数値解析 / 溶解 / 拡散 / 素過程

【研究成果の概要】

設備などが超低速で溶解し、内部から汚染物質などが土壌など不均質媒質中を拡散する現象について数理解析を行った。不均質性のため、密度の空間・時間変化においては、通常の拡散方程式が示すような強い平均化はなく、特異拡散であることが知られていた。本研究において、特異拡散現象をよりよく記述するモデル方程式として、非整数階偏微分方程式を考えて、初期値・境界値問題や、方程式の係数の決定のような逆問題の一意性と安定性の数学解析の結果を得た。また福島原発事故後のセシウムの特異拡散の解析を行い、実データとの良好な一致をみた。超低速の溶解現象については、溶解の逆現象とみなすことができる凝集の解析を行った。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2015-04-01 - 2018-03-31

【配分額】3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円)

【研究分野】数学一般(含確率論・統計数学)

【研究領域課題番号】23340023 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

数値解析 / 数理モデル / 有限体積法 / 有限要素法 / 差分法 / 応用数学 / シミュレーション工学 / シミュレーション科学

【研究成果の概要】

本研究プロジェクトでは，構造保存型の数値解法として理工学各分野で広く応用されている有限体積法に対する数学的な基盤理論の開発とその現実問題への応用を行なった。基礎的な面では、離散ソボレフの不等式、補間誤差不等式の最良定数、離散Rellichの定理、離散最大値の定理、離散微分形式などについて応用指向の進んだ結果を得ることができた。応用面では、細胞性粘菌の数理モデルに対して、構造保存型の有限体積法を開発し、いままで未解決だった離散エネルギー不等式の証明に成功した。また、離散微分形式の応用としてLagrange力学に基づくエネルギー保存型数値解法の有限体積法への拡張を行なった。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2011-04-01 - 2015-03-31

【配分額】14,560千円 (直接経費: 11,200千円、間接経費: 3,360千円)

【研究分野】数学一般(含確率論・統計数学)

【研究領域課題番号】10440025 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

複雑系 / 数値解析 / 生態系 / 多相流 / 自由境界問題 / 数理モデル / 領域分割法 / 最適化アルゴリズム / 油濁 / 沿岸生態系 / 大規模連立一次方程式 / 反復解法 / 有限要素法 / Navier-Stokes方程式 / ニューラルネットワーク / 最適化 / 複雑形状 / 数学的モデル / 非線形偏微分方程式

【研究成果の概要】

複雑系を研究対象とする本研究の成果は、以下の4つに大別される。
(1)沿岸油濁の生態系に及ぼす影響。(2)大域最適化問題に対するハイブリッドアルゴリズムの開発とその応用。(3)(1)で提案された数理モデルから派生した数学的諸問題に対する、理論的・数値的研究及び数理モデルを記述する、偏微分方程式系の解法アルゴリズムの提案。(4)上記(1)(2)(3)の研究を強力に推進するにあたり、基盤となった国際会議・二国間セミナー等の開催。
上記(1)(2)(4)の研究の概略
(1)日本海沿岸におけるナホトカ号の油流出事故に見られるように、沿岸海域における油濁は、海域中に生息する様々な生物に大きな影響を与えるのみならず、その生態系の構造、機能にも大きな影響を与え、更に物質循環などを滞らせる。これらの現象を解明する手段として、流体力学に基づく数理モデルの構築、数値シミュレーションとその可視化を行った。ここで得られた結果は、流体実験手法に基づく結果と良い整合を示し、沿岸生態系に対する油濁負荷を軽減する技術開発に対して、数理的見地からの提言を意味している。
(2)本研究で開発されたアルゴリズムの基本原理は、複雑系の或るダイナミカルな運動パターンを模して構成されている。
(4)当該科学研究費の援助によって開催した(1)国際会議として「第12回領域分割法に関する国際会議」(1999年10月25日〜10月29日,於:千葉大学)がある。領域分割法は、複雑系を理解する上で、非常に有効であると同時に手法に内包される数学解析は、偏微分方程式の研究分野の拡大を促進している。また、(2)二国間交流セミナーとしては、「Active Controlに関する日仏セミナー」(1998年10月7日〜10月9日,於:東京)と、「数値数学に関する日中セミナー」(1998年8月24日〜8月28日,於:千葉大学)がある。参加者と講演名は本報告書内に付記されている。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】1998 - 2000

【配分額】6,400千円 (直接経費: 6,400千円)