JAXAスーパーコンピュータシステム利用成果報告(2016年4月～2017年3月)

報告書番号: R16J0001

• 責任者: 牧野 好和(航空技術部門 次世代航空イノベーションハブ)
• 問い合わせ先: 郭 東潤(kwak.dongyoun@jaxa.jp)
• メンバ: 田畑宗一郎, 青木良尚, 山崎渉, 村山光宏, 郭東潤, 徳川直子, 岡林希依, 跡部隆, 湯原達規, 黒田文武, 上田良稲, 大平啓介, 青野光, 松島紀佐, 近藤賢, 平井亨, 田中健太郎, 松野隆, 今井俊介, 笹森萌奈美, 西村信祐, 吉本稔
• 利用分類: 航空分野(航空機, 機体構造)

概要

空力構造統合設計ツールを開発し, 誘導抵抗低減技術および摩擦抵抗低減技術を適用し低抵抗機体設計を行う. 基準機と比較し, 巡航揚抗比7%向上を実現するTRA2022機体形状を創出する. また, unconventional機体概念設計ツール及び機体推進干渉効果・空港騒音推算技術を開発し, エンジンや騒音技術を合わせ2030年度前半に燃費50%減, 騒音1/10を目指す低騒音・低燃費機体設計基盤技術を得る.

目的

「エコウィング技術 | 航空環境技術の研究開発プログラム（ECAT） | JAXA航空技術部門」参照。

目標

「エコウィング技術 | 航空環境技術の研究開発プログラム（ECAT） | JAXA航空技術部門」参照。

参照URL

「エコウィング技術 | 航空環境技術の研究開発プログラム（ECAT） | JAXA航空技術部門」参照。

スパコンの用途

航空機の空力性能及び騒音特性を向上させるため, 主翼及び航空機形状における設計作業にCFDを利用している.

スパコンの必要性

空力設計では, 複雑な形状における詳細な流れ場を理解しつつその改善形状を追求するため, 迅速で正確な空力特性を把握することと同時に膨大な計算リソースが必要である. 事業遂行においてスパコンは必要不可欠である.

今年度の成果

本研究では, エコウィング技術の研究開発において航空機の燃費削減を目標に, 巡航飛行時の抗力を低減させる空力技術の研究を行った.

JAXA技術参照機体TRA2012Aを用いて主翼の揚力分布及びアスペクトを変化させた場合の空力構造統合設計を行い燃料消費量の感度を調べ, TRA2022に向けた低燃費主翼設計指針を取得した(図1). また, TRA2012Aの巡航性能向上を狙って翼端形状の空力設計を実施し, Downward-pointing Rakelet概念とSplit Tip Winglet概念の有望な形状を獲得した(図2).

さらに, 摩擦抵抗を低減させる技術として, 自然層流翼及び層流域を拡大させる流体制御技術を行った. TRA2012Aに対する自然層流翼設計を行った. 自然層流翼設計におけるCFD解析を非構造格子(FaSTAR)に移行し, 設計効率を向上させるとともに, FaSTARシステムを適用した結果, 設計時間を短縮でき, さらに前縁近傍の目標Cpを達成し, 抵抗を3.7cts低減する自然層流翼形状を獲得した(図3). 境界層流れ制御技術では, プラズマアクチュエータを用いた乱流遷移を遅延させる研究を遅らせる研究を行っている. まず, CFDと遷移解析を行い, 流れ場と遷移特性を把握した. 図4は検証した翼断面とCFDより求めたx/c=0.04での速度分布である. 速度分布は外部流線方向Uとそれに垂直な横流れ成分Vに分けて作図した. これをもとに線形安定性解析を実施したところ, 図5のような不安定特性が得られた. 縦軸Nは微小撹乱の振幅を表す. 今後, 数値解析におけるプラズマアクチュエータのモデル化や詳細なパラメトリックスタディーを実施する.

図1:主翼アスペクト及び荷重分布による燃料消費量推算

図2:後流渦度分布:Downward-pointing Rakelet(左)Split Tip Winglet(右)

図3:自然層流翼設計による機体周りの流れ場

図4:翼断面と速度分布

図5:N値

成果の公表

口頭発表

1) 小田裕樹,湯原達規,李家賢一, 空力構造を考慮した翼端形状の変化に伴う主翼荷重分布の考察, 第47回日本航空宇宙学会年会, 2016.

2) 田畑宗一郎,山崎渉,湯原達規,TRA2012Aへの実装に向けたSplit Tip Winglet の最適設計と重量評価, 第54回飛行機シンポジウム, 2016.

3) 小田裕樹,湯原達規,李家賢一, 空力と構造を考慮した新規翼端形状の探索と評価, 第54回飛行機シンポジウム, 2016.

4) Oda, Y., Yuhara, T. and Rinoie, K., Studies on Wingtip Geometries by Optimum span wise Lift Distribution Design Method, The 55th AIAA Aerospace Sciences Meeting, 2017.

5) Dongyoun Kwak, Toshiyuki Nomura, Naoko Tokugawa, Mitsuru Kurita, Mitsuhiro Murayama, Introduction of research project for environmental conscious aircraft technology in JAXA, Greener Aviation 2016 Symposium, Brussels, Belgium, Oct., 2016.

6) Dongyoun Kwak, Hotoshi Arizono, Toshiyuki Nomura, Studies on the lift distribution and aspect ratio for the fuel consumption reduction onsubsonic aircraft, 2016 Asia-Pacific International Symposium on Aerospace Technology, Toyama, Japan, Oct., 2016.

7) 後退角を持つ遷音速自然層の遷移計測風洞試験, 青木良尚, 跡部隆, 稲澤歩, 小澤啓伺, 上島鉄也, 浅井雅人, 徳川直子, 満尾和徳, 越岡康弘, 第92回風洞研究会議, 2016年5月

計算情報

• 並列化手法: プロセス並列, スレッド並列, ハイブリッド並列, 非並列
• プロセス並列手法: MPI
• スレッド並列手法: OpenMP , 自動並列
• プロセス並列数: 15-300
• プロセスあたりのスレッド数: 4-32
• 使用ノード数: 1-32
• 1ケースあたりの経過時間(時間): 0.5-5
• 実行ケース数: 3000

利用量

総仮想利用経費(円): 12,713,115

内訳

注記: 仮想利用経費=2016年度設備貸付費用の単価を用いて算出した場合の経費

JAXAスーパーコンピュータシステム利用成果報告(2016年4月～2017年3月)