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: R25JACA52

利用分野: JSS大学共同利用

PDF(準備中)

• 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.jp)
• メンバ: 小川 秦一郎, 加藤 悠之, 佐々木 大輔

事業概要

本事業では, 航空宇宙用エンジン内部の複雑な流れ場を高精度かつ効率的に解析することを目的として, 直交格子積み上げ法（Building-Cube Method, BCM）に基づく3次元数値流体解析ソルバーの開発を行う. 従来のCFDソルバーでは, 複雑形状への適用に伴う格子生成の困難さや, 高次精度化に伴う計算負荷の増大, ならびに前後処理の煩雑さが課題となっていた. 本事業では, これらの課題を解決可能なBCMを適用することで, 複雑形状に対する容易な適用性と高い計算効率を両立した解析基盤の構築を目指す. 解析対象としては, 固体燃料ロケットエンジンおよびスクラムジェットエンジンを取り上げ, 内部流れ場における複雑現象の解明を行う. さらに, これらのエンジンは始動から停止まで, 亜音速から超音速に至る広範な作動領域で運用されることから, 本ソルバーを用いて広範な作動条件下における流動特性および性能特性を体系的に明らかにする. 本事業により, 高精度かつ高効率な数値解析技術を確立し, 次世代航空宇宙エンジンの設計高度化および性能向上に貢献することを目指す.

参照URL

https://www.omu.ac.jp/eng/ogawa/research/ 参照.

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, 航空宇宙用エンジン内部における複雑形状および多様な流動現象を高精度に捉えるため, 3次元数値流体解析を実施する. これらの解析は極めて大規模かつ高い計算負荷を伴うことから, 高並列計算環境を有するJAXAスーパーコンピュータを活用した. これにより, 大規模格子を用いた高解像度解析を効率的に実行し, 広範な作動条件における流れ場の詳細構造を短時間で把握することが可能となる.

今年度の成果

本研究では, 直交格子積み上げ法（BCM）に基づく3次元非定常解析ソルバーを新たに構築し, キャビティ保炎器付きスクラムジェット燃焼器を対象として, マッハ数3条件下における内部流れ場の数値解析を実施した. その結果を既存の実験または数値データと比較することにより, 本ソルバーの解析精度を検証した.

さらに, 固体燃料ロケットモーターのノズル拡大部における表面粗さの影響について, 3次元BCMソルバーを用いて調査した. 簡略化されたCDV（Converging-Diverging Verification）ノズルについて, 亜音速流れおよび拡散部で法線衝撃波を伴う超音速流の2つの作動条件下で数値シミュレーションを実施した. 亜音速流れと拡散部で法線衝撃波を伴う超音速流れのマッハ数の可視化図と静圧の可視化図を図1と図2に示す. その結果, 亜音速の場合, 幾何学的変形が流れ場に及ぼす影響は無視できる程度であったのに対し, 拡散部で法線衝撃波を伴う超音速流の場合, 変形により衝撃波の位置が上流方向に著しく（約40 mm）シフトすることが示された.

図1: ノズル変形前と変形後のマッハ数分布の比較結果

図2: ノズル変形前と変形後の静圧分布の比較結果

成果の公表

-査読付き論文

1) Shinichiro Ogawa, Kentaro Miyata, Shinichiro Ogawa, "Numerical investigation of flow dynamics and aerodynamics characteristics of cavity flameholders in divergent sections of scramjet combustors using building-cube method," CEAS Space Journal, 2025.

2) Shinichiro Ogawa, "Three-dimensional cold flow analysis of the effect of the nozzel cavity volume on the internal flowfiled in a solid rocket motor using the building-cube method," Fluid Dynamics Research, 57 (4), 2025.

-口頭発表

1) 小川秦一郎, 佐々木大輔, ”直交格子積み上げ法を用いた固体燃料ロケット内部流れ場の数値解析手法の開発, ” 火薬学会2025粘度秋季研究発表会, 2025年11月.

2) 小川秦一郎, 佐々木大輔, ”ロケットノズルの膨張部における表面粗さが内部流れ場に与える影響の数値解析”, 第43回航空宇宙数値シミュレーション技術シンポジウム, 2025年7月.

3) 加藤悠之, 佃 絢太, 小川 秦一郎, 佐々木 大輔, ”FaSTARを用いたCRM-HLの空力特性予測, ” 第43回航空宇宙数値シミュレーション技術シンポジウム, 2025年7月.

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: 100 時間

JSS3利用量

総資源に占める利用割合※1(%): 0.02

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。

※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

※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)