極超音速境界層の数値シミュレーション
JAXAスーパーコンピュータシステム利用成果報告(2024年2月～2025年1月)
報告書番号: R24JEG60100
利用分野: 研究開発
- 責任者: 沖田耕一, 宇宙戦略基金事業部
- 問い合せ先: 八柳秀門(yatrsuyanagi.shuto@jaxa.jp)
- メンバ: 八柳 秀門
事業概要
鈍頭物体の境界層遷移は大気圏再突入カプセルの Thermal Protection System (TPS) 設計において極めて重要な現象である. 乱流境界層の熱伝達率は層流境界層の数倍に達し, 場合によっては, よどみ点熱流束を超える可能性がある. 従来のTPS 設計は飛行経路全域で乱流境界層を仮定した極めて保守的なものであり, 乱流熱流束の予測正確度が向上しない限り, 過剰なTPS 重量を許容せざるを得ない状況にある. 風洞試験や数値計算により乱流熱流束の予測手法が確立できれば, 機体重量の多くを占める TPS 設計マージンを削減できる可能性がある. 本事業の目的は, 大気圏再突入機の乱流熱流束について定量予測が可能な数値計算手法を確立し, TPS軽量化に資する知見を得ることである.
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
乱流遷移現象は気流擾乱の成長過程と深く関わっており, その数値計算には高い時空間解像度が求められる. 高次精度計算スキームはもとより, JSS3のような大規模計算リソースの利用が本事業には必要不可欠である.
今年度の成果
Apollo Command Module (CM) モデルを対象として孤立粗さ要素が誘起する乱流遷移の数値シミュレーションを実施した (図1). 数値計算の妥当性を確認するため, 密度変動に関する実験データとの比較を行った.
図2に孤立粗さの後流における3次元渦構造の瞬時値を示す. Q 値等値面 (Q = 10−4) は温度で色付けされている. 流れ場には多数のヘアピン渦構造が存在し, それらは孤立粗さの後流で急速に発達することが明らかとなった.
図3 はApollo CM モデル中流位置 ((x,y,z)=(0.001,0,0)) で得られた密度変動スペクトルを示している. 各Power Spectru Density (PSD) はそれぞれ10kHz におけるPSD値で正規化されている. 異なる3つの計算格子において格子収束は得られなかったものの, 格子解像度を上げていくにつれて実験値に漸近する傾向が確認された.
図1: 計算領域の側面図と正面図.
図2: 9.2MJ/kg 条件におけるQ値等温面（Q = 10-4）の瞬時値.
図3: 粗さ要素後流における密度変動のパワースペクトル密度.
成果の公表
-査読付き論文
Yatsuyanagi, S. et al., “Direct Numerical Simulation and Optical Measurement of Disturbance Growth over a Blunt Body,” AIAA paper 2025-1113, 2025.
-口頭発表
1) 八柳秀門, 丹野英幸,「高温極超音速流中における鈍頭物体上の擾乱成長に関する直接数値計算」, 第56 回流体力学講演会／第42 回航空宇宙数値シミュレーション技術シンポジウム, 鹿児島, (2024).
2) S. Yatsuyanagi and H. Tanno, “Numerical Investigation of Disturbance Growth on a Blunt Body in High Enthalpy Hypersonic Flow,” Twelfth International Conference on Computational Fluid Dynamics, ICCFD12-2024-A00170, Kobe, (2024).
3) S. Yatsuyanagi and H. Tanno, “Direct Numerical Simulations on Disturbance Growth in High-Enthalpy Hypersonic Flows with Freestream Disturbances,” IUTAM Symposium on Laminar-Turbulent Transition, Nagano, (2024).
4) 八柳秀門, 丹野英幸, 「高温衝撃風洞を用いた境界層遷移の研究 その(2)」, 日本流体力学会年会2024, 仙台, (2024).
5) 八柳秀門, 丹野英幸, 「高温極超音速流れの境界層遷移 その(2)」, 第62回 飛行機シンポジウム, 福井, (2024).
6) 八柳秀門, 丹野英幸, 「大気圏再突入カプセルの乱流熱流束取得に向けた高温衝撃風洞 HIEST における最近の取り組み」, 第68回宇宙科学技術連合講演会, 姫路, (2024).
7) 八柳秀門, 丹野英幸, 「大気圏再突入カプセルの境界層遷移に関する数値シミュレーション」, 第38回数値流体力学シンポジウム, 東京, (2024).
8) 八柳秀門, 丹野英幸, 「鈍頭物体上の孤立粗度による境界層遷移の直接数値計算:
適切な空間解像度の検討」, 2024年度衝撃波シンポジウム, 仙台, (2024).
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: 912 - 3264
- 1ケースあたりの経過時間: 72 時間
JSS3利用量
総資源に占める利用割合※1(%): 2.36
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 | 64563821.83 | 2.95 |
| TOKI-ST | 30.42 | 0.00 |
| TOKI-GP | 0.00 | 0.00 |
| TOKI-XM | 0.00 | 0.00 |
| TOKI-LM | 22.42 | 0.00 |
| 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 | 15310.50 | 0.07 |
| /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(2024年2月～2025年1月)