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: R25JACA61

利用分野: JSS大学共同利用

PDF(準備中)

• 責任者: 福田紘大, 東海大学
• 問い合せ先: 福田　紘大, 東海大学(kfukuda@tokai.ac.jp)
• メンバ: 福田 紘大, 小川 将虎

事業概要

気体の封入されたダクト内に狭い流路径かつ温度勾配を有する流路が存在する時, 音響振動が発生することがある. この現象は熱音響現象として知られており, 発生した音場は, 音響質量流と呼ばれる, 振動振幅と比べて微小な管軸方向への１方向流れを伴うことがある. そのような音響質量流は, 初期に存在していたダクト内の温度分布に影響を及ぼし, 単純熱伝導や音響振動に伴う熱輸送（ドリームパイプ効果）以外にも対流熱伝達を引き起こすようになる. この音響質量流に伴う熱輸送現象は, 熱音響現象を利用した装置（熱音響原動機や熱音響冷凍機など）の熱輸送特性への影響が大きく, 装置の性能向上のために, その特性を明らかにすることが不可避となっている. 本研究の目的は, CFDによる数値シミュレーションを実施し, 熱音響現象における音響質量流と管内温度分布への影響, ひいては熱輸送特性への影響を明らかにしていく.

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

本研究で実施される流体の数値シミュレーションは非定常圧縮性流体を対象としており, 非定常振動音場と熱輸送の相互作用を再現する必要があるため, メッシュ規模は比較的小規模ながら, 必然的に高精度かつ長時間スケール（熱輸送時間スケールで最低数秒から数十秒）でのシミュレーションとなる. また, 解析結果のデータベース構築のためには多岐にわたる計算ケースも必要となり, 総合的に大規模, 長時間のシミュレーション規模となる. このような規模のシミュレーションを実施するためには, 複数シミュレーションの長時間稼働が実現できるJAXAスパコンの利用は不可欠である.

今年度の成果

熱音響機関に発生する音響質量流（ゲデオン流）の発生およびその影響を把握することは熱音響機関を開発する上で重要な課題である. そこで, 図1に示すような熱音響機関を模擬した流れ場の数値シミュレーションを行い, 音響質量流（ゲデオン流）の発生およびその影響の評価を行った. 作動流体は, 大気圧室温（1気圧, 293.15K）の空気とし, 高温熱交換器に与える温度を457Kと607Kに変化させ, 線形理論解析の結果と比較した. 音響パワー分布を図２に示す. 図２に示す通り, 線形解析とCFDは定性的に一致しており, CFDは自励振動を再現していることが分かる. 一方で, CFD解析結果と線形理論解析結果の差異は高温熱交換器に与える温度が高いほうが大きくなっていることが分かる. CFD解析結果を周波数分析した結果を図３に示す. 線形解析では考慮していない周波数のピークが見られることが分かる. 図４は, Unit部分の蓄熱器と熱交換器の径が変化する箇所の時間平均流速に対する渦の生成の状況を示したものである. このような渦の生成は線形解析では考慮されていないため, CFD解析結果では, 線形理論解析結果とは異なる周波数のピークが現れたと考えられる. これらの関係は定量的な分析を含めてより今後詳細な検討が必要である.

図1: 計算領域の概略

図2: 音響パワー分布

図3: 周波数解析結果

図4: 時間平均流速場に基づく流線比較

成果の公表

なし

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: OpenMP
• プロセス並列数: 1 - 7
• 1ケースあたりの経過時間: 700 時間

JSS3利用量

総資源に占める利用割合※1(%): 0.00

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)