機体形状および突起が細長物体の空力特性に及ぼす影響についての数値解析
JAXAスーパーコンピュータシステム利用成果報告(2025年2月～2026年1月)
報告書番号: R25JACA21
利用分野: JSS大学共同利用
- 責任者: 北村圭一, 横浜国立大学
- 問い合せ先: 谷川原滉大(tanikawara-kota-pc@ynu.jp)
- メンバ: 星 諒之介, 小林 誠一朗, 北村 圭一, 谷川原 滉大
事業概要
先行研究では, 一般的なロケットを模擬した細長物体形状を対象とし, 突起を付した時の超音速空力特性と周囲流れ場への影響を CFD (Computational Fluid Dynamics) と風洞試験により明らかにしている. この研究では, 迎角α = 15 deg. のケースにおいて, 横力係数が最大となることが分かっている. また, 複数の鈍頭突起によって空力特性に及ぼす影響が干渉しあう配置や鈍頭突起幅の増大による横力の増加はないことも明らかにしてきた. さらに, 鈍頭突起による横力の発生を低減させる方法について検討し, 鈍頭突起前方にリング状の突起を配置することで横力を低減させる効果があるという結果を得た. 一方で, リング状突起では軸力が大幅に増大してしまうという課題が残ってしまった.
この軸力増加を抑えつつ横力を低減させる方法として, 横力が最大となる鈍頭突起位置と左右対称となる位置に意図的に渦を生み出すVortex Generator （VG）を取り付けることを検討し, VGの横滑り角やVG高さについてどのように軸力・横力変化があるのかを調査した. 風洞試験では機体迎角15度の条件において横力低減効果を調査し, 横力が大きく減少するVG横滑り角などが明らかになり, 数値計算で風洞試験と近い結果が得られた.
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
突起付きロケットの空力特性を把握するために数値流体計算を行っている. 突起が設置されることによる横力増大を改善するために左右非対称の位置にVGを設置し, 能動的に流れ場に介入し横力を低減する方法を調査している. この研究を行うにあたって, 膨大な試験ケース数の数値計算をする必要があり, そのためにJSS3を利用している. 数値流体計算結果では, 風洞試験の結果に近い計算結果を得ることができた. さらにその結果を可視化等によって分析することで, 風洞試験での取得が難しい, 空間的な流れ場を明らかにする.
今年度の成果
図1に示すような突起付きロケットを模擬した細長物体を用いて迎角15度, 一様流マッハ数0.7および1.3の数値計算を実施した. また図1の細長物体に対して, 突起物とは左右対称の位置に（Vortex Generator）VGを取り付けた. VGのパラメータとして, VGの設置角やVG高さなどを変化させて横力低減効果を調査した. その結果, 図2に示すように横力が減少することが明らかになった. 数値計算などで機体回りの流れ場を可視化することを行っており, 例えば図3のように密度勾配を可視化することで衝撃波や膨張波を明らかにすることができた.
図1: 計算対象
図2: VGを設置した際のマッハ0.7と1.3の気流条件における横力係数
図3: 風洞試験のシュリーレン法と数値計算による密度勾配の可視化
成果の公表
-口頭発表
小林誠一朗, 北村圭一, "サイクロロータの回転数とブレード角度についての数値解析", 第63回飛行機シンポジウム, 2025
谷川原滉大, 垣本晴行, 大縄有毅, 北村圭一, 野中聡, "Vortex Generator構成が細長物体横力特性に及ぼす影響に関する遷音速風洞試験", 令和7年度宇宙航行の力学シンポジウム, 2025
-ポスター
谷川原滉大, 北村圭一, 野中聡, "超音速ロケットへの微小突起設置による横力および軸力制御", 日本航空宇宙学会56期年会講演会, 2025
Tanikawara, K., Kitamura, K., and Nonaka, S.: Lateral and Axial Force Control by Installing Micro Protuberance on a Supersonic Rocket, 35th ISTS, Asty Tokushima, Jul. 2025.
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: 480 - 3840
- 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(%): 0.11
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 | 1786440.04 | 0.08 |
| TOKI-ST | 239963.74 | 0.25 |
| TOKI-GP | 0.00 | 0.00 |
| TOKI-XM | 0.00 | 0.00 |
| TOKI-LM | 432.01 | 0.03 |
| 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 | 30720.00 | 0.20 |
| /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) | 2049.17 | 1.44 |
※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(2025年2月～2026年1月)