JAXAスーパーコンピュータシステム利用成果報告(2017年4月～2018年3月)

報告書番号: R17JG3212

利用分野: 研究開発

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• 責任者: 嶋英志 研究開発部門第三研究ユニット
• 問い合せ先: 清水太郎 shimizu.taro@jaxa.jp
• メンバ: 雨川洋章, 伊藤孝行, 高木亮治, 堤誠司, 伊藤浩之, 清水太郎, 青野淳也, 芳賀臣紀, 森井雄飛, 安部賢治, 筧雅行, 本江幹朗, 菱田学, 根岸秀世, 大西陽一, 西元美希, 大門優, Ashvin Hosangadi, 猪野正輝, 深澤修, 大野真司, Andrea Zambon, 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, 石橋克之, 西村彗, 阿部諭, 武藤大貴, 菅野望

事業概要

液体ロケットエンジン内の非定常現象を捉えるため,燃焼LES解析を実施し,サブスケール試験との比較検証により評価ツールを完成させる.またスラスタについては,噴霧燃焼形態を模擬できる解析コードを構築し,まずは定常性能の予測を目指す.

参照URL

「第三研究ユニット：研究開発部門」参照.

JSS2利用の理由

燃焼室内の流れ場は乱流状態でかつ,非定常な特性を有するため,LES解析が必須となっている.本検証対象でも数千万セルの格子に対して,数百万ステップ程度の解析計算が必要であるため,スパコンの利用なしには到底目標を達成できない.

今年度の成果

①噴霧燃焼に対する数値解析コードの開発と検証を目的として,エタノール噴霧燃焼バーナのLES解析を行った. 対象のバーナ直径は10.5 mmであり,3次元の解析を行いモデルのセル数は約1500万個である. 有限体積法で空間を離散化しLESによる解析を行った. 燃焼反応のシミュレートには50化学種258反応式の詳細反応モデルを用いた. その際,ERENA法により時間積分を行った. 図1に温度分布,図2に軸方向速度分布を示す. 図に示すように,解析コードが定性的に噴霧燃焼を再現できていることを確認した.

②液体ロケットエンジン燃焼室の設計開発においては,熱負荷による燃焼室壁面の損傷防止や寿命評価の観点から,壁面熱流束を高精度で予測できる数値シミュレーション技術が求められている. 本研究ではLES解析による燃焼室壁面熱流束の予測に向けて,壁面モデルを使用したLES(WMLES)によるチャネル乱流熱伝達の数値解析を行った(図3). WMLESにより,実機レベルのレイノルズ数である100,000までの広い範囲で速度場や温度場をよく再現することができた. また格子点数はおよそ400万点であり,通常のLESより粗い格子解像度であるにも関わらず,WMLESにより乱流熱伝達の予測が可能であることを示した.

図1: 噴霧燃焼LES,温度分布

図2: 噴霧燃焼LES,軸方向速度分布

図3: 熱伝達のあるチャネル乱流のWMLES. 速度の等値面(温度で色づけ)を示す.

成果の公表

■ 査読付論文

1) 根岸ら, “圧縮性URANS解析によるロケット液体水素ポンプオープンインペラーの流動特性評価”,ターボ機械,2018年6月号 (予定).

■ 口頭発表

1) 本江,”同軸バーナによる噴霧燃焼に対する詳細反応機構を用いた燃焼シミュレーション”,日本流体力学会 年会2017.

2) Muto, D., et al., “Preliminary Study on Wall-modeled Large Eddy Simulation of Turbulent Heat Transfer for Liquid Rocket Engines”, 7th European Conference for Aeronautics and Space Sciences, 649, 2017.

3) Negishi, H., et al., “Numerical Anaylsis of Unshrouded Impeller Flowfield in the LE-X Liquid Hydrogen Pump”, 53rd AIAA/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference, AIAA paper 2017-4930, 2017.

4) 根岸ら,”圧縮性URANS解析によるロケット液体水素ポンプオープンインペラーの流動特性評価”, 第78回ターボ機械協会富山講演会,2017.

5) 雨川ら,”粒子法によるグリースマクロ流れ解析の基礎検討 -グリースダム崩壊問題の実験と解析検証-“,トライボロジー会議2017年秋,2017.

6) 根岸ら,”宇宙機の長寿命化に向けた転がり玉軸受内グリース流動数値解析技術構築に向けた展望”,第31 回数値流体力学シンポジウム,E10-3, 2017.

7) Daimon, Y., et al., “Heat Flux Estimation on a Chamber Wall of GH2/GOX and GCH4/GOX Single Element Rocket Combustors”, 31st International Symposium on Space Technology and Science, 2017.

8) Daimon, Y., et al., “Numerical Investigation on Effects of Recess Variation upon a GCH4/GOX Shear Coaxial Combustion Chamber”, 31st International Symposium on Space Technology and Science, 3-9 2017.

9) Daimon, Y., et al., “Film Cooling Performance Analysis of a Full-scale Liquid Rocket Engine Combustion Chamber based on a Coupled Combustion and Heat Transfer Simulation”, AIAA Paper, 2017-4919, 2017.

10) Daimon, Y., et al., “Combustion Modeling Study for a GOX-GCH4 Multi-element Combustion Chamber”, Proceedings of the 2017 Summer Program, SFB TRR40, 2017.

11) 清水ら,”LESによる液体ロケット水素ミキサー特性評価とその課題”,第31回数値流体力学シンポジウム,E10-2,2017.

■ 招待講演

1) Negishi, H., “Numerical Modeling of Liquid Rocket Turbopumps,” The National DFG SFB TRR40 project, Graduate Program on Launchers and Propulsion, University of Stuttgart, 2018.

2) Daimon, Y., “Numerical and Experimental Study on Small Thruster”, The National DFG SFB TRR40 project, Graduate Program on Launchers and Propulsion, University of Stuttgart, 2018.

3) Daimon, Y., “GCH4/GO2 Rocket Combustor Simulation -Methane vs Hydrogen, Single vs Multi Element- “, DLR Institute of Combustion Technology Seminar, 2018.

JSS2利用状況

計算情報

• プロセス並列手法: MPI
• スレッド並列手法: N/A
• プロセス並列数: 1280 – 2560
• 1ケースあたりの経過時間: 500.00 時間

利用量

総資源に占める利用割合※1(%): 6.10

内訳

JSS2のシステム構成や主要な仕様は、JSS2のシステム構成をご覧下さい。

※1 総資源に占める利用割合：3つの資源(計算, ファイルシステム, アーカイバ)の利用割合の加重平均.

※2 資源の利用割合：対象資源一年間の総利用量に対する利用割合.

JAXAスーパーコンピュータシステム利用成果報告(2017年4月～2018年3月)