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: R16J0084

• 責任者: 嶋 英志(研究開発部門 第三研究ユニット)
• 問い合わせ先: 梅村 悠(umemura.yutaka@jaxa.jp)
• メンバ: 古谷龍太郎, 小川哲司, 雨川洋章, 出浦智之, 伊藤孝行, 根岸秀世, 大西陽一, 西元美希, 大門優, 石原洋史, アシュビン・ホサンガディ, ジェレミー・シップマン, 猪野正輝, ジャイ・シン・サカデブ, 深澤修, 大野真司, アンドレア・ザンボン, 中島健賀, 秋村友香, 雨宮孝, 藤原大典, 谷洋海, 飯村拓哉, 藤本圭一郎, 王丸哲文, 小谷秋子, 福田太郎, 松本万有, 外山雅士
• 利用分類: 宇宙分野(ロケット,宇宙輸送)

概要

ロケット及び宇宙機の輸送能力向上には推進薬や加圧ガスの搭載量を最適に設計する必要があり,極低温推進薬の蒸発や低重力環境がシステム運用を決定する際の不確定要因となっている.本事業は,極低温推進薬の熱流動現象を再現する数値シミュレーション開発を実施し,軌道上飛行中の実機フライトデータ再現による現象理解を行う.推進薬タンクやフィードラインの内部熱流動を把握する事によって,「実機設計変更」や「推進薬供給に関する運用変更」の提案に繋げている.

目的

ロケット・宇宙機の設計開発において,打ち上げ,長秒時コーストおよびエンジン多数回着火等に係る推進系の性能未到達や不具合等のリスク低減を実現するために,推進系システムに係る推進薬の熱流体挙動を定量的に予測可能な数値シミュレーション技術を構築する.

目標

ロケットおよび宇宙機の推進系に係る推進薬熱流体挙動を適切に再現可能な数値シミュレーション技術を構築し,打上げ,長秒時コーストおよびエンジン多数回着火時等における推進系特性をFY24年度比で1オーダー高い温度予測を実現する.

参照URL

なし

スパコンの用途

ロケット開発の現場では1次元熱解析が実施されており予測精度の限界に至っている.スーパーコンピュータを利用した詳細な熱流動解析を実施する事で,従来の解析で検討が不十分な現象を抽出し,設計ツールへと知見を繁栄させる.

スパコンの必要性

エンジン始動前の冷却過程解析は,沸騰を再現する為に数ミリサイズの計算格子が必要であり,500秒規模の運用時間を解かなければならない.この冷却過程解析の計算負荷は非常に大きく,スーパーコンピュータの性能を必要とする.

今年度の成果

観測ロケットS-310(43号機)を利用した低重力環境下複雑流路内LN2沸騰実験を対象に数値シミュレーションの検証を実施中.開発当初(2012年)は沸騰を未考慮のテストセクション内流れの解析が限界であったが,物理モデル改良やMPI並列対応化などを通してテストセクション内の混相状態や温度変化を考慮した解析が可能となった.

本解析で検証されたツールはH-IIAの上段エンジンの予冷過程再現に利用しており,フライトで取得されている温度データと内部流動の対応関係を得る手段へと展開を試みている.

Fig.1:テストセクション内の流れの様子について実験と解析で比較

成果の公表

査読なし論文

1) '上段エンジン予冷予測に向けた冷却シミュレーション開発',梅村,姫野,大平,河南,杵淵,小林, 原動機推進学会2016

2) '極低温推進剤の配管急冷予測に向けたシミュレーション開発' ,梅村,姫野,大平,河南,杵淵,小林, 日本機械学会熱工学コンファレンス2016

3) '宇宙輸送機の無効推薬量削減に向けた自由表面流数値解析', 梅村,姫野,杵淵,杉森,薮崎, 第48回流体力学講演会

4) 'Numerical Prediction of Liquid Nitrogen Line Chill-down Processes by Direct Interface Tracking Approach', Umemura, Himeno, Kawanami, Kinefuchi, Negishi, Space Propulsion 2016

その他

1) 2016年度 理事長表彰「H-IIA 高度化プロジェクト」

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,自動並列
• プロセス並列数: 8
• プロセスあたりのスレッド数: 6
• 使用ノード数: 4
• 1ケースあたりの経過時間(時間): 384
• 実行ケース数: 2

利用量

総仮想利用経費(円): 7,449,838

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)