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: R25JEG60100

利用分野: 研究開発

PDF(準備中)

• 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

極超音速境界層遷移は, 大気圏再突入機や極超音速巡航機の設計において極めて重要な現象である. レイノルズ数が十分に高くなると, 境界層は層流から乱流へと遷移する. 乱流境界層における壁面熱流束および摩擦抵抗は, 層流境界層におけるそれらと比較して数倍に増加する可能性があるため, 遷移位置の正確な予測と制御則の確立は, 熱防護システム（TPS）および機体形状設計において極めて重要である. しかしながら, 従来の線形予測ツールでは, 極超音速遷移に特徴的な比較的長い非線形過程を捉えることが困難であり, 現在, 設計目的に対して十分に信頼できる予測ツールは確立されていない. 遷移予測および制御則の確立には, 極超音速境界層における遷移メカニズムの根本的理解が不可欠である. 本事業の目的は, 数値シミュレーションを通じて, 極超音速境界層における遷移メカニズムを解明することである.

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

極超音速境界層遷移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

本研究では, よどみ点エンタルピ9.4 MJ/kgの高エンタルピ条件下において, 半頂角7°の円錐周りの擾乱成長過程を調べるため, 二次元軸対称数値シミュレーションを実施した. 自由流組成がMackのsecondモード不安定性の成長に及ぼす影響を評価するため, 空気に加え, 自由流中の酸素原子質量分率を1%, 5%, 10%, 23%とした4条件について計算を行った. 図1には, 密度および密度勾配の大きさの瞬時分布を示す. 流れの下流領域においては, 大振幅のsecondモードに対応するロープ状構造が観察される. 図2は, 5種類の自由流組成条件に対する密度変動のパワースペクトル密度（PSD）を示したものである. 密度変動は, 各流れ方向位置において, 円錐表面から壁面法線方向に1 mm離れた位置でサンプリングした. その結果, 自由流中の酸素原子分率の増加に伴い, secondモードのパワースペクトル密度（PSD）が著しく減少することが明らかとなった. このことは, 酸素原子の存在が擾乱増幅を抑制し, 遷移に対して安定化効果を及ぼす可能性を示唆するものである.

図1: 異なる流れ方向 𝑥 座標および 4 種類の自由流組成条件における密度擾乱のパワースペクトル密度

図2: 密度および密度勾配の大きさの瞬時値

成果の公表

-口頭発表

1) 高温衝撃風洞の自由流に含まれる酸素原子が極超音速境界層遷移に与える影響, 八柳秀門, 丹野英幸, 第63回 飛行機シンポジウム 2025年

-ポスター

1) Shuto Yatsuyanagi, Hideyuki Tanno, Influence of Atomic Oxygen in the Freestream on Hypersonic Boundary Layer Transition, Asia Pacific International Symposium On Aerospace Technology (APISAT 2025), Seoul, Korea.

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(%): 0.59

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)