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大気再突入技術の確立に向けた極超音速・遷音速域における物理とモデリング

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: R23JACA53

利用分野: JSS大学共同利用

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  • 責任者: 大西直文, 東北大学
  • 問い合せ先: 岡野泰人, 東北大学(yasuhito.okano.p4@dc.tohoku.ac.jp)
  • メンバ: 大西 直文, 岡野 泰人, 坂本 広樹

事業概要

大気再突入機を設計する上での重要な課題として極超音速域での空力加熱および遷音速域での動的不安定性の予測が挙げられる. 極超音速飛行では, 境界層において乱流遷移による空力加熱の増大が発生する. また遷音速飛行では, 機体側面あるいは機体背面側の流れによって自励振動が発生する. 前者は高レイノルズ数および化学反応によって, 後者は機体運動の時間スケールと流体の時間スケールの違いによって, 計算負荷が高い. 従って, それらのモデリングが必要であるが, 物理現象のメカニズムは明らかではない. そこで, 本研究では, スーパーコンピュータを用いた大規模数値シミュレーションを実施し, メカニズムの解明およびモデリングを行う. 今年度は主に動的不安定性の数値計算に JSS3 を利用したのでそれについて記載する,

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

機体頭上げ方向のみの運動方程式を考慮し, 流体の支配方程式とカップリングした数値計算を実施する. カプセル後流の乱流を正確にとらえるためには, 高精度な数値計算の実施が必要である. また流体の時間スケールに対して機体運動の時間スケールがはるかに長いため, 振動振幅が発達するまでの計算を実施するためには, 多くの計算資源が必要となる. 従って, スーパーコンピュータの利用が必須である.

今年度の成果

今年度は実験で自励振動の発生が確認されているマッハ数1.2 における HRV 型カプセルの動的不安定性について調査した. 数値計算においても振幅の増大を確認し (図1), 実験と同様の傾向を再現した. 解析の結果, HRV カプセルの動的不安定性はカプセル肩部における境界層剥離のヒステリシスが主因となって生じることが明らかとなった. また, DMD 解析の結果, カプセル後流の再循環領域の流れも動的不安定性に少なからず寄与していることが示された. 今後は, さらなる解析を進めると共に亜音速域についても実験と同様の結果の再現を試みる予定である.

Annual Reoprt Figures for 2023

図1: ピッチ角およびピッチングモーメント係数の時間変化

 

成果の公表

-査読付き論文

(1) Yasuhito Okano, Shintaro Sato, and Naofumi Ohnishi, Numerical study toward verification of analogy between hypersonic turbulent transition and directed percolation, Journal of Evolving Space Activities, Vol. 1, No. 56, 2023.

(2) Hiroki Sakamoto, Shintaro Sato, and Naofumi Ohnishi, Hypersonic boundary layer development on tube wall in long-distance propagation of shock wave, Journal of Evolving Space Activities, Vol. 1, No. 73, 2023.

-口頭発表

(1) 岡野泰人, 佐藤慎太郎, 大西直文, 永井大樹, 揚力型再突入カプセルの遷音速自励振動に関する数値解析, 日本航空宇宙学会第 54 期年会講演会, 2023 年 4 月 13 日.

(2) Yasuhito Okano, Shintaro Sato, Naofumi Ohnishi, and Hiroki Nagai, Numerical Analysis of Free Oscillation of Reentry Capsule on Suppression of Dynamic Instability in Transonic Flow, 34th ISTS and 12th NSAT, 6, June, 2023.

(3) 岡野泰人, 佐藤慎太郎, 大西直文, 永井大樹, 揚力型再突入カプセルの超音速域における動的不安定性の数値解析, 令和 5 年度宇宙航行の力学シンポジウム, 2023年12月11日.

(4) 岡野泰人, 佐藤慎太郎, 大西直文, 永井大樹, HRV型再突入カプセルの超音速域における動的不安定性の数値解析, 2023 年度衝撃波シンポジウム, 2024年3月6日.

(5) 坂本広樹, 佐藤慎太郎, 大西直文, 極超音速で伝播する衝撃波背後の境界層の安定性に関する数値解析, 日本航空宇宙学会第 54 期年会講演会, 2023 年 4 月 13 日.

(6) Hiroki Sakamoto, Shintaro Sato, and Naofumi Ohnishi, Hypersonic Boundary Layer Instability in Long-Distance Propagation of Shock Wave, The 34th International Symposium on Shock Waves, 16, July, 2023.

(7) Hiroki Sakamoto, Shintaro Sato, and Naofumi Ohnishi, Flow Instability in a Hypersonic Boundary Layer Behind a Propagating Shock Wave, 76th Annual Meeting of the Division of Fluid Dynamics, 19, November, 2023.

JSS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: 非該当
  • プロセス並列数: 360 – 720
  • 1ケースあたりの経過時間: 360 時間

JSS3利用量

 

総資源に占める利用割合※1(%): 0.55

 

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。

計算資源
計算システム名 CPU利用量(コア・時) 資源の利用割合※2(%)
TOKI-SORA 4165.39 0.00
TOKI-ST 4359202.80 4.71
TOKI-GP 0.00 0.00
TOKI-XM 0.00 0.00
TOKI-LM 3362.20 0.26
TOKI-TST 1463.45 0.02
TOKI-TGP 0.00 0.00
TOKI-TLM 0.00 0.00

 

ファイルシステム資源
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 133020.00 0.82
/ssd 0.00 0.00

 

アーカイバ資源
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

ISVソフトウェア資源
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)