直交格子積み上げ法を用いた航空宇宙推進機関の内部流れ場の数値解析
JAXAスーパーコンピュータシステム利用成果報告(2023年2月～2024年1月)
報告書番号: R23JACA52
利用分野: JSS大学共同利用
- 責任者: 小川秦一郎, 大阪公立大学
- 問い合せ先: 小川秦一郎, 助教, 大阪公立大学(shinichiro.ogawa@omu.ac.jkp)
- メンバ: 小川 秦一郎, Loupmael Agulles, 佐々木 大輔
事業概要
開発コスト削減に向けて数値流体解析の利用が増えつつあるが, 従来の解析ソルバーには構造格子や非構造格子が用いらてきている. しかし, 構造格子や非構造格子を用いた場合, 空間スキームの高次精度化が困難であることや, 大規模計算時に計算コストが高く, 後処理負荷が高いなどの課題がある. そこで, 本研究ではこれらの課題を解決することのできる直交格子積み上げ法(Building-Cube Method, BCM)に着目した. これまで開発してきたBCMソルバーは, エンジン内部流れ場の検証が不十分であるため, 本研究を通してエンジン内部流れ場の解析精度を明らかにする. また, 高精度で解析できるようにエンジン内部流れ場用に解析ソルバーの改良を行う.
本年度は, 以下の2つの目的のもと研究を進めた.
1. 固体燃料ロケットを対象とした解析では, 星型グレイン形状を対象に, 壁面噴出モデルの妥当性を明らかにする.
2. スクラムジェットエンジンを対象とした解析では, 超音速流中の燃料噴射モデルを構築し, 本モデルの妥当性を明らかにする.
参照URL
なし
JAXAスーパーコンピュータを使用する理由と利点
本研究では, エンジン内部の複雑な流れ場を3次元数値解析を用いて解析するため, 計算負荷が高い計算を実行する必要がある. そのため, 短時間で大規模な計算を実行することができるJAXAスーパーコンピュータが必要であるため利用している.
今年度の成果
2023年度の成果は下記の通りである.
1. 固体燃料ロケット:
星型グレイン形状(図1)の固体燃料ロケットを対象に内部流れ場の数値解析を行った. 図2に示す解析結果より, 星型グレインの壁面から気流を流入させる事ができており, これまで構築してきた壁面噴出条件は噴射方向の異なる星型グレイン形状にも適用可能であることが明らかとなった. 2023年度の解析では, 解析精度の定量的な評価まではできていないため, 次年度以降, 解析精度の評価を進めていく.
2. スクラムジェットエンジン:
超音速流中の燃料噴射モデルを構築し, 3次元BCMソルバーに本モデルを組み込んだ. 構築した燃料噴射モデルの妥当性の検証のために, キャビティ保炎器の上流に燃料噴射口が設置されたモデル(図3)を用いて解析を行った. 解析結果より, 図4に示すように超音速流中での燃料噴射を再現する事ができているが, 先行研究よりも燃料噴出を過大評価している. 次年度以降, 燃料噴射モデルの再構築及び再検証を進めていく.
図1: 検証解析モデル(固体燃料ロケット)
図2: 検証解析モデル(スクラムジェットエンジン)
図3: 星型グレイン形状を対象とした検証解析結果(マッハ数コンタ―図)
図4: キャビティ保炎器上流からの燃料噴射の検証解析結果(Y軸方向速度分布)
成果の公表
-口頭発表
[1] Shinichiro Ogawa, Daisuke Sasaki, Shoya Yoshinaga, “Effect of Burning Surface Regression on Internal Flow Field in Solid Rocket Motor,” AIAA SciTech 2024 Forum, AIAA Paper 2024-0213, 2024.
[2] 吉永翔哉, 吉田啓史郎, 小川秦一郎, 佐々木大輔, “IB法を用いた星型グレインからの流れ場の解析, ” 第36回計算力学講演会, 2023.
[3] 小川秦一郎, 笹岡佑全, 佐々木大輔, 吉永翔哉, 吉田啓史郎, “直交格子積み上げ法を用いたラバールノズル内流れの数値解析, ” 第55回流体力学講演会/第41回航空宇宙数値シミュレーション技術シンポジウム, 2023.
[4] 宮田健太郎, 小川秦一郎, 佐々木大輔, 森浩一, “直交格子積み上げ法を用いた超音速流中のキャビティ内流れ場の検証解析, ” 第55回流体力学講演会/第41回航空宇宙数値シミュレーション技術シンポジウム, 2023.
[5] 吉永翔哉, 佐々木大輔, 小川秦一郎, “直交格子積み上げ法を用いた星形グレイんからの流れ場の検討,” 日本機械学会北陸信越支部2023年合同講演会, 2023.
-ポスター
[1] Kentaro Miyata, Shinichiro Ogawa, Daisuke Sasaki, Koichi Mori, “Development of Numerical Analysis Method for Cavity Flame-Holder in Supersonic Flow using Building-Cube Method,” 20th International Conference on Flow Dynamics, 2023.
[2] Shoya Yoshinaga, Keishiro Yoshida, Shinichiro Ogawa, Daisuke Sasaki, “Numerical Analysis of Internal Flowfield in Star-Shaped Grains using Building-Cube Method,” 20th International Conference on Flow Dynamics, 2023.
JSS利用状況
計算情報
- プロセス並列手法: 非該当
- スレッド並列手法: OpenMP
- プロセス並列数: 1
- 1ケースあたりの経過時間: 150 時間
JSS3利用量
総資源に占める利用割合※1(%): 0.01
内訳
JSS3のシステム構成や主要な仕様は、JSS3のシステム構成をご覧下さい。
| 計算システム名 | CPU利用量(コア・時) | 資源の利用割合※2(%) |
|---|---|---|
| TOKI-SORA | 0.00 | 0.00 |
| TOKI-ST | 4789.24 | 0.01 |
| TOKI-GP | 0.00 | 0.00 |
| TOKI-XM | 0.00 | 0.00 |
| TOKI-LM | 16691.13 | 1.27 |
| TOKI-TST | 0.00 | 0.00 |
| TOKI-TGP | 0.00 | 0.00 |
| TOKI-TLM | 0.00 | 0.00 |
| ファイルシステム名 | ストレージ割当量(GiB) | 資源の利用割合※2(%) |
|---|---|---|
| /home | 0.00 | 0.00 |
| /data及び/data2 | 29900.00 | 0.18 |
| /ssd | 0.00 | 0.00 |
| アーカイバシステム名 | 利用量(TiB) | 資源の利用割合※2(%) | J-SPACE | 0.00 | 0.00 |
|---|
※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.
ISV利用量
| 利用量(時) | 資源の利用割合※2(%) | |
|---|---|---|
| ISVソフトウェア(合計) | 0.00 | 0.00 |
※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(2023年2月～2024年1月)