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インテーク・翼周りのCFD解析に関する研究

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: R23JTET10

利用分野: 技術習得方式

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  • 責任者: 橋本敦, 航空技術部門航空プログラムディレクタ付
  • 問い合せ先: 橋本敦(hashimoto.atsushi@jaxa.jp)
  • メンバ: 藤井 愛実, 小西 晃平, 小椋 圭大, 内田 康介

事業概要

世界各国で超音速/極超音速航空機の研究開発が進められている. 超音速/極超音速空気吸い込み式エンジンを実現するための課題の1つとして, バズが挙げられる. バズとは, 超音速/極超音速インテークで発生する衝撃波の自励振動現象である. これは激しい圧力振動を伴いエンジンの破損につながる恐れがあることから, 設計段階においてバズの静圧波形を予測し, 設計に反映することが求められる. そこで, バズのメカニズム解明および静圧モデル構築を目的としてCFD解析を行った.

また, 航空機の翼周り流れ解析も実施した. 航空機の設計や認証をCFDで代替することでコスト削減が期待できる. 高揚力装置周りの流れ場は, 非定常流れを伴う剥離が発生するため, 正確な空力予測は依然として困難である. 本研究では, 高揚力装置周り流れの数値解析にRANS法とWMLES法を組み合わせたハイブリッド法を適用する. 流体現象を考慮しつつ, 格子依存性を明らかにすることで, 小さな計算リソースで高忠実CFDが実施可能な技術の開発を目指す.

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

インテーク内部の流れは複雑であり計算コストが大きいが, JAXAスーパーコンピュータの使用により複数条件での非定常解析が可能になった. また, 高揚力装置周りの流れ場は非常に複雑であり, 大規模な剥離を伴う非定常流れが発生する. このような流れの高忠実なシミュレーションには高い計算能力が必要であり, JAXAスーパーコンピュータを使用する必要がある.

今年度の成果

極超音速統合制御実験(HIMICO)用ラムジェットインテークで発生するバズを対象にCFD解析を行った. 図1に, バズが発生している際の出口ノズル前方の静圧波形を示す. バズ1周期は静圧上昇期間と静圧低下期間に分割できる. 今年度は特に静圧上昇期間に着目した. この期間では, インテークへの流入流量が流出流量を上回ることによりインテーク内部の静圧が上昇し, これに伴いインテーク内部を衝撃波が前進する. インテーク出口のノズル開度を変更した解析を行った結果, 衝撃波がディフューザ入り口を通過する前後で, 静圧や衝撃波移動速度に対してノズル開度が与える影響が変化することが明らかとなった. そこで, これら2つの期間に対して, 移動衝撃波の理論式と, 質量保存則/エネルギー保存則をそれぞれ適用することで, 静圧波形を予測するモデルを構築した.

異なる主流マッハ数で発生するバズに対して本モデルを適用しCFD解析結果と比較することで, 本モデルの妥当性/汎用性を確認できた. また, 30P30N翼型を対象とした非定常CFD解析をFaSTARを用いて実施した. 高忠実なシミュレーションが必要な領域にWMLESを適用し, そうでない領域にRANSを適用することで計算コストの削減を図った. その結果, 解析領域全域にWMLESを適用している先行研究に対し, 60%程度の格子数で遜色のない結果を得ることができた. また, 高揚力装置周り流れの数値解析にRANS/WMLESハイブリッド法を適用する際の格子生成に関する指標を得ることができた.

Annual Reoprt Figures for 2023

図1: 出口ノズル前方におけるバズ静圧波形と静圧上昇期間の概要

 

Annual Reoprt Figures for 2023

図2: RANS/WMLESハイブリッド法による30P30N翼周りの数値解析

 

成果の公表

-口頭発表

1) 藤井愛実, 桒原宥希, 田中凜太郎, 鈴木歩都, 有吉志満, 成田知史, 髙松俊介, 佐藤哲也, 田口秀之, インテークスロート開度がバズ特性に与える影響に関する衝撃波移動メカニズムに基づいた考察, 令和5年度 宇宙輸送シンポジウム, STCP-2023-031, 神奈川, 2024年1月.

2) 藤井愛実, 佐藤哲也, 橋本敦, 田口秀之, 超音速インテークの定常作動時及びバズ発生時の流れ場の比較と最大静圧の推算, 2023年度衝撃波シンポジウム, 1A3-1, 福岡, 2024年3月.

3) 藤井愛実, 佐藤哲也, 田口秀之, 橋本敦, ラムジェットインテークに対するエネルギー保存則適用によるバズの静温変化のモデル化と考察, 第63回航空原動機・宇宙推進講演会, 1B02, 北海道, 2024年3月.

-ポスター

1) Fujii, M., Sato, T., Hashimoto, A., and Taguchi, H., “Pressure Model of Buzz Oscillation in a Ramjet Intake,” Aerospace Europe Conference 2023, Joint 10th EUCASS – 9th CEAS Conference, Switzerland, Jul. 2023.

doi: 10.13009/EUCASS2023-321

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: 576 – 4608
  • 1ケースあたりの経過時間: 30 時間

JSS3利用量

 

総資源に占める利用割合※1(%): 0.82

 

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 21234367.50 0.96
TOKI-ST 197089.23 0.21
TOKI-GP 0.00 0.00
TOKI-XM 0.00 0.00
TOKI-LM 2290.96 0.17
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 898.33 0.75
/data及び/data2 55776.67 0.34
/ssd 6693.33 0.63

 

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 0.38 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) 2497.82 1.13

※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)