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: R16J0114

• 責任者: 佐藤 英一(宇宙科学研究所 宇宙飛翔工学研究系)
• 問い合わせ先: 大山 聖(oyama2@flab.isas.jaxa.jp)
• メンバ: ダニエル・シリガッティ, 大山聖, 李東輝, タオフィック・スレイマン, 福本浩章, 小澤雄太, 加藤大祐, 原田拓弥, 中野宏章, 渡邉誉良, 川崎吾一, 井上翔太
• 利用分類: 宇宙分野(宇宙工学)

概要

宇宙工学分野で必要とされる高速流体力学に関する基礎研究を行っている.今年度はおもに高レイノルズ数流れ計算のための壁モデルの研究や宇宙輸送機の空力抵抗を大幅に削減する可能性のある流体制御技術デバイスの研究を行った.

目的

宇宙工学分野における将来技術で必要とされる高速流体力学に関する研究を行うことが目的である.

目標

宇宙工学分野における将来技術で必要とされる高速流体力学に関する知見・技術を獲得することが目標である.基礎物理現象を明らかにする.今年度は宇宙輸送機の空力性能を高精度に推定するための高レイノルズ数流れの数値シミュレーション手法の開発や宇宙輸送機の空力抵抗を大幅に削減する可能性のある流体制御技術デバイスの研究を行う.

参照URL

「FLAB-HOME PAGE」参照。

スパコンの用途

本研究では高レイノルズ数流れの数値シミュレーション手法に関する研究や,現在世界的に注目を集めている流体制御デバイスに関する研究を進めているが,両方とも剥離・再付着を伴う流れを研究対象としており,計算コストが高いLarge Eddy Simulationを用いる必要がある.また,今後空力設計などを行うためには多数の設計に対して計算を実施し性能評価する必要がある.そのため,スーパーコンピュータを利用している.

スパコンの必要性

本研究では高レイノルズ数流れの数値シミュレーション手法に関する研究や,現在世界的に注目を集めている流体制御デバイスに関する研究を進めているが,両方とも剥離・再付着を伴う流れを研究対象としており,計算コストが高いLarge Eddy Simulationを用いる必要がある.また,今後空力設計などを行うためには多数の設計に対して計算を実施し性能評価する必要がある.そのため,スーパーコンピュータが必要となる.

今年度の成果

宇宙工学分野で必要とされる高速流体力学に関する基礎研究を行っている.今年度はおもに高レイノルズ数流れ計算のための壁モデルの研究や宇宙輸送機の空力抵抗を大幅に削減する可能性のある流体制御技術デバイスの研究を行った.

(1) 高レイノルズ数流れ計算のための壁モデルの構築

我々の身のまわりの多くの流体現象は高レイノルズ数条件であり,かつ乱流境界層が形成される.数値シミュレーションを用いてこのような流れ場特性を正確に捉えるためには高次精度スキームを用いたLarge Eddy Simulation (LES)と共に,特に乱流境界層を正しくモデル化するいわゆる壁面乱流モデル(Wall-model)が必要となる.本研究では壁面乱流モデルと共に流れ場の瞬間物理量からWall-modelの切り替えが行える計算コードを構築し,翼型周り流れ場へ適用することでその工学的有用性を検証した.

(2) DBDプラズマアクチュエータによる動的流れ場の制御に関する研究

ヘリコプターや風車などの回転翼機の翼周り流れは動的に気流条件が変化する動的流れ場であり,その制御は経済性,機動性,及び安全性の向上などに有効である.動的流れ場の制御デバイスとして近年DBDプラズマアクチュエータが有望視されているが,動的流れ場におけるDBDプラズマアクチュエータの流体制御メカニズムは十分に整理されていない.本研究ではLarge Eddy Simulation (LES)を用いて,動的流れ場におけるDBDプラズマアクチュエータの効果的な流体制御メカニズムを明らかにすることを目的として研究を行った.

Fig.1(1):壁面乱流モデルを用いたLESによる翼型周りの瞬間流れ場

Fig.1(2):DBDプラズマアクチュエータによる動的失速状態からの回復促進(左:制御なし 右:制御あり)

成果の公表

査読付論文

1) D. Lee, T. Nonomura, A. Oyama, K. Fujii, 'Comparative studies of numerical methods for evaluating aerodynamic characteristics of two-dimensional airfoil at low Reynolds numbers,' International Journal of Computational Fluid Dynamics, Taylor & Francis, Vol.30, pp57-67, 2017.

2) H. Fukumoto, H. Aono, T. Watanabe, M. Tanaka, H. Matsuda, T, Osako, T. Nonomura, A.Oyama and K. Fujii, 'Control of Dynamic Flowfield around a Pitching NACA 633−618 airfoil by a DBD plasma actuator,' International Journal of Heat and Fluid Flow, ELSEVIER, Volume 62, Part A, December 2016, Pages 10–23, December, 2016.:

口頭発表(国内)

1. 福本浩章,青野光,田中元史,松田寿,大迫俊樹,野々村拓,大山聖,藤井孝臧, 'DBDプラズマアクチュエータによるNACA0012ピッチング翼周り流れの制御,' 日本機械学会 2016年度年次大会, DVD-ROM, S0530104, 九州大学伊都キャンパス, 福岡, 9月11日~14日,2016.

口頭発表(国際)

1. Taku Nonomura, Akira Oyama, Kozo Fujii, Koichi Morihira, Gabriel Pichon, and Daiki Terakado, 'Effects of Disturbed Nozzle-exit Boundary Layers on Acoustic Waves from Ideally-Expandedsupersonic Jet,' 22nd AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference, Lyon, France, 30 May - 1 June, 2016.

2. Daiki Terakado, Taku Nonomura, Akira Oyama, and Kozo Fujii, 'Mach Number Dependence on Sound Sources in High Mach Number Turbulent Mixing Layer,' 22nd AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference, Lyon, France, 30 May - 1 June, 2016.

3. Daisuke Kato, Taku Nonomura and Akira Oyama, 'Quantitative evaluation of the acoustic waves generated by a supersonic impinging jet,' 5th Joint Meeting of the Acoustical Society of America and Acoustical Society of Japan, Honolulu, Hawaii, Nov 28- Dec 2, 2016

4. D. Lee, T. Nonomura, A. Oyama, K. Fujii, 'Formation mechanisms of rapid pressure recovery around a laminar separation bubble,' American Physical Society 69th Annual Meeting Division of Fluid Dynamics, Portland, USA. 20 Nov. 2016 – 22 Nov. 2016.

5. D. Lee, T. Nonomura, A. Oyama, K. Fujii, 'Effects of cross-sectional aspect ratio of flat plate on flow characteristics,' The 24th International Congress of Theoretical and Applied Mechanics, Montreal, Canada, 21 Aug. 2016 – 26 Aug. 2016

6. K. Asano, M. Sato, T. Nonomura, A. Oyama and K. Fujii, 'Control of Airfoil Flow at Cruise Condition by DBD Plasma Actuator- Sophisticated Airfoil vs. Simple Airfoil with Flow Control -,' AIAA Aviation 2016, AIAA website, AIAA-2016-3624, Washington D.C., June 13, 2016 – June 17, 2016.

7. H. Fukumoto, H. Aono, T. Nonomura, A. Oyama and K. Fujii, 'Control of Dynamically Stalled Flowfield around a Pitching Airfoil by DBD Plasma Actuator,' the AIAA Aviation and Aeronautics Forum and Exposition 2016, Washington, D.C., June 13-17. 2016.

計算情報

• 並列化手法: ハイブリッド並列
• プロセス並列手法: MPI
• スレッド並列手法: OpenMP
• プロセス並列数: 38, 25
• プロセスあたりのスレッド数: 32
• 使用ノード数: 1216, 800
• 1ケースあたりの経過時間(時間): 50, 75
• 実行ケース数: 3, 10

利用量

総仮想利用経費(円): 31,134,952

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)