JAXA スーパーコンピュータシステム利用成果報告

(1)

セキュリティ・情報化推進部

JAXA スーパーコンピュータシステム利用成果報告

（2019年 4月〜 2020 年 3月）

ISSN 000-0000(Online) JAXA-SP-00-000

セキュリティ・情報化推進部国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構

ISSN 2433-2232(Online)

JAXA-SP-20-002

(2)

⽬次

JSS2 ⼤学共同利⽤ ...

1

CMB 偏光観測衛星 LiteBIRD の光学要求解析 ... 2

DBD プラズマアクチュエータを⽤いたフィードバック流れ制御技術に関する研究 ... 6

DNS 解析に基づく⾼マッハ数混相乱流 LES モデルの構築 ... 11

ナノ秒パルス放電を利⽤したプラズマアクチュエータの放電・流れの連成解析 ... 15

ビーム推進機の⾶⾏性能改善に向けた電離構造及び衝撃波伝搬の数値的研究 ... 18

ロケットエンジンおよび超⾳速⾶翔体⽤エンジンに関する燃焼流体の研究 ... 20

圧縮性境界層における層流-乱流遷移後期過程の⾮線形渦動⼒学の解明 ... 23

圧縮性熱乱流境界層の物理とモデリングに関する研究 ... 26

圧縮性乱流の⾼精度数値シミュレーションに関する研究 ... 30

宇宙空間物理素過程のプラズマシミュレーション研究 ... 35

⽕星ヘリコプターのローター空⼒特性に関する数値的研究 ... 38

⽕星探査航空機に関する空⼒解析, 及び流れ場に関する研究 ... 43

解適合格⼦法を⽤いた燃焼流の数値研究 ... 47

機械学習による流体運動の予測と最適化 ... 50

⾦星⼤気の雲対流構造に関する数値的研究 ... 53

細⻑物体空⼒特性についての数値解析 ... 56

細⻑物体空⼒特性に対するレイノルズ数効果 ... 61

衝撃波⼲渉を伴う⾶翔体の超⾳速・極超⾳速空⼒特性 ... 65

⼤規模 CFD 解析におけるポスト処理効率化のためのデータステージング技術に関する研究 ... 69

超⾳速ボルテックスジェネレータ周り流れの理解に向けた直接数値解析... 72

直交格⼦法を⽤いた移動物体を含む混相流の解析コードの開発と応⽤ ... 76

低レイノルズ数領域における翼性能向上に関する数値解析 ... 80

爆轟波伝播に関する基礎的数値解析 ... 84

発達した乱流の⼤規模数値シミュレーション研究 ... 88

複雑形状まわりの圧縮性乱流および空⼒⾳響の⾼精度数値解析に関する研究 ... 92

宇宙科学 ...

96

サンプルリターンカプセルの研究開発 ... 97

⾼速流体⼒学に関する学術研究 ... 101

先端的宇宙機推進機のプラズマ流れの数値解析 ... 105

電気推進のプラズマ計算 ... 108

⾮線形フォースフリー磁場計算による「ひので」観測に基づく太陽コロナ磁場推定 ... 110

宇宙技術 ...

113

ALOS/PALSAR 全数処理... 114

GCOM-C 衛星管制運⽤およびミッション運⽤ ... 117

GOSAT-2 プロジェクト ... 119

－i－

(3)

GOSAT-2 利⽤研究 ... 122

GPM/DPR のデータ受信処理 ... 126

GPM 全球降⽔マップのデータ同化⼿法の研究 ... 129

H3 ロケットプロジェクト ... 139

JSS2 における MADOCA を⽤いた⾼精度軌道決定 ... 141

ターボポンプに関する設計解析 ... 144

温室効果ガス観測技術衛星(GOSAT)運⽤事業 ... 146

改良型⾼性能マイクロ波放射計(AMSR-E)運⽤事業(⾼次処理試⾏) ... 149

海洋衛星データ同化システムの構築検討 ... 151

降⽔観測ミッション利⽤研究 ... 155

⼤気環境物質監視シミュレーション ... 161

地球観測衛星エアロゾルプロダクト導出アルゴリズムの AI を⽤いた⾼速化 ... 165

宇宙探査 ...

170

システムレベル技術検討に必要な着陸候補地点の解析 ... 171

⽉極域探査ミッション検討 ... 173

技術習得⽅式 ...

175

Embedded LES に関する研究 ... 176

インテークに関する研究 ... 179

コンパウンド・ヘリコプタ模型の数値解析 ... 183

ラムジェットエンジンの燃焼数値解析⼿法の技術習得 ... 187

格⼦ボルツマン法に関する研究 ... 190

⾼速回転翼機技術研修 ... 193

再突⼊カプセルの遷⾳速不安定に関する研究 ... 197

静粛超⾳速機技術の基礎研究 ... 199

低速バフェットに関する研究 ... 202

抵抗低減機体設計技術の研究 ... 205

燃焼器解析に関する研究 ... 208

⾵⾞周りの CFD 解析 ... 211

複数ロータの前進⾶⾏性能に関する研究 ... 214

乱流燃焼場を対象とした化学反応計算⼿法に関する研究 ... 217

競争的資⾦ ...

220

ImPACT ドローン受託研究 ... 221

JAXA-SUBARU 共同研究(回転翼) ... 225

ポスト京重点課題 8-D「航空機の設計・運⽤⾰新を実現するコア技術の研究開発」 ... 228

ロータブレードの最適化 ... 231

回転爆轟波の詳細構造の解明 ... 234

極超⾳速⾶⾏に向けた流体・燃焼の基礎研究 ... 239

普遍的な LES を実現する SGS 応⼒⽅程式型モデリングの研究 ... 246

－ii－

(4)

GOSAT-2 利⽤研究 ... 122

GPM/DPR のデータ受信処理 ... 126

GPM 全球降⽔マップのデータ同化⼿法の研究 ... 129

H3 ロケットプロジェクト ... 139

JSS2 における MADOCA を⽤いた⾼精度軌道決定 ... 141

ターボポンプに関する設計解析 ... 144

温室効果ガス観測技術衛星(GOSAT)運⽤事業 ... 146

改良型⾼性能マイクロ波放射計(AMSR-E)運⽤事業(⾼次処理試⾏) ... 149

海洋衛星データ同化システムの構築検討 ... 151

降⽔観測ミッション利⽤研究 ... 155

⼤気環境物質監視シミュレーション ... 161

地球観測衛星エアロゾルプロダクト導出アルゴリズムの AI を⽤いた⾼速化 ... 165

宇宙探査 ...

170

システムレベル技術検討に必要な着陸候補地点の解析 ... 171

⽉極域探査ミッション検討 ... 173

技術習得⽅式 ...

175

Embedded LES に関する研究 ... 176

インテークに関する研究 ... 179

コンパウンド・ヘリコプタ模型の数値解析 ... 183

ラムジェットエンジンの燃焼数値解析⼿法の技術習得 ... 187

格⼦ボルツマン法に関する研究 ... 190

⾼速回転翼機技術研修 ... 193

再突⼊カプセルの遷⾳速不安定に関する研究 ... 197

静粛超⾳速機技術の基礎研究 ... 199

低速バフェットに関する研究 ... 202

抵抗低減機体設計技術の研究 ... 205

燃焼器解析に関する研究 ... 208

⾵⾞周りの CFD 解析 ... 211

複数ロータの前進⾶⾏性能に関する研究 ... 214

乱流燃焼場を対象とした化学反応計算⼿法に関する研究 ... 217

競争的資⾦ ...

220

ImPACT ドローン受託研究 ... 221

JAXA-SUBARU 共同研究(回転翼) ... 225

ポスト京重点課題 8-D「航空機の設計・運⽤⾰新を実現するコア技術の研究開発」 ... 228

ロータブレードの最適化 ... 231

回転爆轟波の詳細構造の解明 ... 234

極超⾳速⾶⾏に向けた流体・燃焼の基礎研究 ... 239

普遍的な LES を実現する SGS 応⼒⽅程式型モデリングの研究 ... 246

研究開発 ...

249

システム安全・運⽤評価技術 ... 250

ターボポンプ解析技術 ... 253

デブリ推移モデルによる⻑期軌道上デブリ環境予測 ... 256

プロジェクト課題対応 ... 259

液体推進システム解析技術 ... 261

⾳響解析技術 ... 264

将来輸送システムの研究(空気吸い込み式輸送システム) ... 267

植⽣ライダーの研究 ... 272

超⾼層天気予報 ... 274

燃焼解析技術 ... 276

放射線防護技術に関する研究 ... 279

航空技術 ...

283

3 次元⾮定常空⼒現象の兆候検出(AEROSENS) ... 284

aFJR 実⽤化促進事業 ... 286

En-Core プロジェクト⽤燃焼器の内部流れに関する研究 ... 290

エコウィング技術の研究開発(空⼒システム設計技術) ... 294

エコウィング技術の研究開発(将来システム設計基盤技術解析ツール改修) ... 297

エコウィング技術の研究開発(将来システム設計基盤技術) ... 299

エコウィング技術の研究開発(表⾯摩擦抵抗低減コーティング技術) ... 303

デジタルタフト ... 305

ハイブリッド⾵洞の維持運営 ... 308

プラズマアクチュエータによる能動的空⼒制御 ... 311

フルフライトエンベロープの予測を⽬指した⾮定常流体解析に関する研究 ... 313

マルチフィジックス解析技術に関する研究 ... 317

回転機械内部流れのシミュレーション⾼度化 ... 320

機体騒⾳低減技術の研究開発(FQUROH+)に関する共同研究(1) ... 323

機体騒⾳低減技術の研究開発(FQUROH+)に関する共同研究(2) ... 326

機体騒⾳低減技術の研究開発(FQUROH+)空⼒解析 ... 329

機体騒⾳低減技術の研究開発(FQUROH+)低騒⾳化設計研究 ... 332

機体動揺低減技術の⾶⾏実証 ... 336

吸⾳ライナー解析技術の研究 ... 338

共同研究:遷⾳速⽤第 2 制限関数による⾼解像度・⾼効率 CFD ⼿法 ... 341

共同研究:⾮構造 CFD コードによる⾮定常流体解析 ... 345

極超⾳速推進技術の⾶⾏環境実証 ... 348

空⼒モデル構築・⽐較の効率化 ... 352

空⼒モデル構築・⽐較の効率化(間接レイノルズ数効果の調査) ... 354

空⼒構造連成解析技術に関する研究 ... 357

現象解明とモデリングにもとづく燃焼器解析システムの研究 ... 359

－iii－

(5)

構造・複合材技術に関する研究 ... 363

航空機開発の⾼速化を実現する基盤応⽤技術の研究開発(共通基盤空⼒解析ツール) ... 366

航空機開発の⾼速化を実現する基盤応⽤技術の研究開発(最適化) ... 369

航空⽤エンジン複雑形状の内部流解析技術向上のための研究 ... 372

航空⽤実形状燃焼器の設計⽀援 CFD 技術 ... 376

⾼機能軽量構造研究 ... 379

⾼速回転翼機技術研究 ... 381

再突⼊カプセル空⼒試験技術 ... 385

次世代ジェットエンジンの設計解析技術開発/⾼性能圧縮機技術, 性能予測解析 ... 388

次世代ジェットエンジンの設計解析技術開発/低騒⾳化技術 ... 390

実機形状燃料ノズルの性能向上に関する研究 ... 394

受託研究:⾃動⾞エンジン燃焼室 3 次元 CFD コアソフトの構築 ... 397

静粛超⾳速機技術の研究開発 ... 400

前提知識を必要としないホリスティックな現象のモデル化⼿法開発の試み ... 404

全機抵抗低減を⽬的とした境界層吸い込みの研究 ... 408

多次元時系列データ解析⼿法に関する研究 ... 411

燃料ノズルの微粒化・噴霧燃焼解析 ... 413

事業共通 ...

416

S&MA 基盤「品質⼯学ツール(JIANT)」の構築・維持 ... 417

流体解析ソフトウェア UPACS を活⽤したターボ機械分野向け流体解析システム開発 ... 422

連携⼤学院 ...

425

宇宙機のダイナミクスに関する研究 ... 426

航空機機体騒⾳発⽣メカニズムに関する基礎的研究 ... 429

重⼒的に不安定な原始惑星系円盤における惑星軌道の変化 ... 432

JSS2 の利⽤概要 ...

437

2019 年度 JSS2 利⽤状況 ... 438

表紙に⽤いられている図版は、本報告内の以下から採ったものです。

報告書番号題名

R19JCMP06 ポスト京重点課題 8-D「航空機の設計・運⽤⾰新を実現するコア技術の研究開発」

R19JCMP17 ImPACT ドローン受託研究 R19JG3214 ターボポンプ解析技術

R19JA0601 エコウィング技術の研究開発(空⼒システム設計技術)

－iv－

(6)

空力構造連成解析技術に関する研究 ... 357

現象解明とモデリングにもとづく燃焼器解析システムの研究 ... 359

構造・複合材技術に関する研究 ... 363

航空機開発の高速化を実現する基盤応用技術の研究開発(共通基盤空力解析ツール) ... 366

航空機開発の高速化を実現する基盤応用技術の研究開発(最適化) ... 369

航空用エンジン複雑形状の内部流解析技術向上のための研究 ... 372

航空用実形状燃焼器の設計支援

CFD

技術 ... 376

高機能軽量構造研究 ... 379

高速回転翼機技術研究 ... 381

再突入カプセル空力試験技術 ... 385

次世代ジェットエンジンの設計解析技術開発/高性能圧縮機技術, 性能予測解析 ... 388

次世代ジェットエンジンの設計解析技術開発/低騒音化技術 ... 390

実機形状燃料ノズルの性能向上に関する研究 ... 394

受託研究:自動車エンジン燃焼室

3

次元

CFD

コアソフトの構築 ... 397

静粛超音速機技術の研究開発 ... 400

前提知識を必要としないホリスティックな現象のモデル化手法開発の試み ... 404

全機抵抗低減を目的とした境界層吸い込みの研究 ... 408

多次元時系列データ解析手法に関する研究 ... 411

燃料ノズルの微粒化・噴霧燃焼解析 ... 413

事業共通 ...

416 S&MA

基盤「品質工学ツール(JIANT)」の構築・維持 ... 417

流体解析ソフトウェア

UPACS

を活用したターボ機械分野向け流体解析システム開発 ... 422

連携大学院 ...

425

宇宙機のダイナミクスに関する研究 ... 426

航空機機体騒音発生メカニズムに関する基礎的研究 ... 429

重力的に不安定な原始惑星系円盤における惑星軌道の変化 ... 432

JSS2

の利用概要 ... 437

2019

年度 JSS2利用状況 ... 438

表紙に用いられている図版は、本報告内の以下から採ったものです。

報告書番号題名

R19JCMP06

ポスト京重点課題

8-D「航空機の設計・運用革新を実現するコア技術の研究開発」

R19JCMP17 ImPACT

ドローン受託研究

R19JG3214

ターボポンプ解析技術

R19JA0601

エコウィング技術の研究開発(空力システム設計技術)

-$;$

スーパーコンピュータシステム利用成果報告年

月～年

月

-66 大学共同利用

－1－

(7)

JAXA

スーパーコンピュータシステム利用成果報告(2019年

4

月～2020年

3

月)

- 6 -

報告書番号：R19JACA34 利用分野：JSS2大学共同利用

URL：https://www.jss.jaxa.jp/ar/j2019/11413/

責任者

永田竜, 高エネルギー加速器研究機構

問い合せ先

永田竜([email protected])

メンバ

永田竜

事業概要

原始背景重力波の存在はインフレーション理論に通有の予言であり, その波の強度は「インフレーションのエネルギースケール」の指標である. 宇宙科学研究所戦略的中型衛星 2 号機 LiteBIRD は, 偏光地図の奇パリティ成分に刻印された原始重力波の信号検出を目的としたマイクロ波背景輻射偏光の観測衛星である. 原始重力波に由来する偏光信号は, 既に観測で確認されている密度揺らぎ由来の偏光成分に比較して極めて微弱な信号であると考えられており, その検出に向けた取り組みにおいては, 徹底した系統誤差の理解と克服が必要不可欠な要素である.

本年度は低周波望遠鏡 (LFT) 1/4 スケールモデルで測定されたビームパターンを使ってビーム特性の評価シミュレーションを行い, 実測データに基づいた望遠鏡概念設計の検証を行った. 性能試験において望遠鏡本来の光学特性を同定するには, 測定誤差の振る舞いを理解することが不可欠である.

ビーム畳込みのフルシミュレーションを行うことで, 測定データに含まれる不規則なビーム構造が観測に与える影響を定量化し, 測定系の改善に関するフィードバックを行った.

参考

URL: http://litebird.jp/

JAXA

スーパーコンピュータを使用する理由と利点

偏光の全天地図を作成するため LiteBIRD は走査観測を行う. そのため, ビーム畳込み計算はサンプリングレートである約 20 Hz の頻度で一年間分繰り返される. 1/4 スケールモデルで測定されたビーム関数は分角スケールの分解能で数千平方度にわたって広がっており, サンプリング毎に数百万グリッド点で評価される. 積分とそれに伴う座標変換の繰り返しは莫大な計算量を要求するため, 高性能の数値計算資源を必要とする.

LiteBIRD

は宇宙科学研究所戦略的中型衛星 2 号機に選定されており, 本共同利用課題において

達成された検討成果は光学設計の根幹をなす要素としてプロジェクトの推進に大いに寄与している.

CMB 偏光観測衛星 LiteBIRD の光学要求解析

－2－

宇宙航空研究開発機構特別資料　JAXA-SP-20-002

(8)

JAXA

4

月～2020年

3

月)

- 6 -

URL：https://www.jss.jaxa.jp/ar/j2019/11413/

責任者

永田竜, 高エネルギー加速器研究機構

問い合せ先

永田竜([email protected])

メンバ

永田竜

事業概要

原始背景重力波の存在はインフレーション理論に通有の予言であり, その波の強度は「インフレーションのエネルギースケール」の指標である. 宇宙科学研究所戦略的中型衛星 2 号機 LiteBIRD は, 偏光地図の奇パリティ成分に刻印された原始重力波の信号検出を目的としたマイクロ波背景輻射偏光の観測衛星である. 原始重力波に由来する偏光信号は, 既に観測で確認されている密度揺らぎ由来の偏光成分に比較して極めて微弱な信号であると考えられており, その検出に向けた取り組みにおいては, 徹底した系統誤差の理解と克服が必要不可欠な要素である.

本年度は低周波望遠鏡 (LFT) 1/4 スケールモデルで測定されたビームパターンを使ってビーム特性の評価シミュレーションを行い, 実測データに基づいた望遠鏡概念設計の検証を行った. 性能試験において望遠鏡本来の光学特性を同定するには, 測定誤差の振る舞いを理解することが不可欠である.

ビーム畳込みのフルシミュレーションを行うことで, 測定データに含まれる不規則なビーム構造が観測に与える影響を定量化し, 測定系の改善に関するフィードバックを行った.

参考

URL: http://litebird.jp/

JAXA

偏光の全天地図を作成するため LiteBIRD は走査観測を行う. そのため, ビーム畳込み計算はサンプリングレートである約 20 Hz の頻度で一年間分繰り返される. 1/4 スケールモデルで測定されたビーム関数は分角スケールの分解能で数千平方度にわたって広がっており, サンプリング毎に数百万グリッド点で評価される. 積分とそれに伴う座標変換の繰り返しは莫大な計算量を要求するため, 高性能の数値計算資源を必要とする.

LiteBIRD

は宇宙科学研究所戦略的中型衛星 2 号機に選定されており, 本共同利用課題において

達成された検討成果は光学設計の根幹をなす要素としてプロジェクトの推進に大いに寄与している.

CMB 偏光観測衛星 LiteBIRD の光学要求解析

-$;$

月～年

月

今年度の成果

/)7

スケールモデルで測定されたビームパターンを用いて走査観測ビーム畳込み偏光地図作成からなる一連のシミュレーションを実行し測定データに含まれる不規則な構造が観測に与える影響を評価した

図は *+]

帯における直交する偏波のビーム関数の差分である図左上の測定系にて評価されたそれらのビームパターンは概ね設計値に則した振る舞いを見せる一方でフィード由来の交差偏波ビーム重心のズレスキャンノイズ等の誤差をも含んでいる図はビームのミスマッチとマイクロ波背景輻射の温度非一様性が結合することで生じた偽偏光の角度パワースペクトルであるメインビーム領域においては交差偏波に由来する効果としてビーム楕円率のミスマッチにして相当の偽偏光が認められた極近傍サイドローブ領域においては個々の偏波でビームの重心が秒角程度ズレていることによる汚染が見られたファーサイドローブにかけてはスキャンノイズを含む測定誤差によって偏光地図の大角度相関が大きく汚染されることが示唆されたこれらの評価結果によってスケールモデル測定系の更新に際し定量的な要求に基づいた具体的な指針を設けることができた

図

/LWH%,5'/)7

スケールモデル左上枠内で測定された

*+]

帯の差分ビームパターン+7DNDNXUDHWDO,(((767YRO

LVVXH

－3－

(9)

JAXA

4

月～2020年

3

月)

- 8 -

図

2:

ビームパターンのミスマッチに由来する信号汚染の角度パワースペクトル

成果の公表

-査読なし論文

LiteBIRD: an all-sky cosmic microwave background probe of inflation: Bulletin of the American Astronomical Society 51, 7, 286 (2019)

-口頭発表

永田竜, "CMB偏光観測衛星

LiteBIRD

における系統誤差の研究 XIII", 日本天文学会

2019

年秋季年会

-Web

http://litebird.jp/

JSS2

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

32

１ケースあたりの経過時間

2.5

時間

－4－

(10)

JAXA

4

月～2020年

3

月)

- 8 -

図

2:

ビームパターンのミスマッチに由来する信号汚染の角度パワースペクトル

成果の公表

-査読なし論文

LiteBIRD: an all-sky cosmic microwave background probe of inflation: Bulletin of the American Astronomical Society 51, 7, 286 (2019)

-口頭発表

永田竜, "CMB偏光観測衛星

LiteBIRD

における系統誤差の研究 XIII", 日本天文学会

2019

年秋季年会

-Web

http://litebird.jp/

JSS2

利用状況



計算情報

MPI

OpenMP

32

2.5

時間

-$;$

月～年

月

⚫

利用量

総資源に占める利用割合^※

：

内訳

計算資源

計算システム名コア時間コア

・ K

資源の利用割合^※

625$0$

625$33

625$/0

625$733

ファイルシステム資源

ファイルシステム名ストレージ割当量*L% 資源の利用割合^※

KRPH

GDWD

OWPS

アーカイバ資源

アーカイバシステム名利用量7L% 資源の利用割合^※

-63$&(

※総資源に占める利用割合：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

※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

－5－

(11)

JAXA

4

月～2020年

3

月)

- 10 -

URL：https://www.jss.jaxa.jp/ar/j2019/11410/

責任者

浅田健吾, 東京理科大学

問い合せ先

浅田健吾([email protected])

メンバ

浅田健吾, 小川拓人

事業概要

ロケットや航空機, 自動車といった様々な輸送機周りの流れを, プラズマ放電を利用した

DBD

プラズマアクチュエータと呼ばれるデバイスを用いることで制御し, 高効率で堅牢な輸送機システム開発を実現する. 時々刻々と変化する流れに対応するため, 本事業では

3

次元非定常流れのシミュレーションを行い, フィードバック制御手法の開発・実証を行う.

JAXA

大規模な

3

次元非定常流れシミュレーションを

JAXA

スーパーコンピュータで計算実績が豊富な圧縮性流体解析ソルバ

LANS3D

を用いて実施可能なため.

今年度の成果

DBD

プラズマアクチュエータ(以下

PA)を用いた NACA0015

翼周り流れ(レイノルズ数:63,000)下における高忠実度ラージエディシミュレーションを実施し, 本事業のこれまでの成果として制御効果が確認されているフィードバック制御モデルの低迎角での性能実証を行った. 検討するフィードバック制御モデル(図

1)は,

翼面上に配置された圧力センサーで計測した圧力値の急激な低下を渦の通過と仮定し, 渦の通過に応じて翼前縁付近に配置されたアクチュエータの

ON/OFF

を切り替えるものである.

昨年度までに, 我々は失速後の迎角(12 度以降)における制御モデルの有効性の検証を行ってきた.

提案する制御モデルはより幅広い条件での利用を想定しているために, 本年度は失速以前の迎角(4, 6,

8

度)において提案する制御則が有効であるかどうか検討を行った.

図

2

に, 各迎角における各制御手法を適用した際の揚抗比(L/D)を示す. 本制御モデル(Feedback)は非制御時(Baseline)と比較して高い揚抗比を与える. また, 過去の研究で有効性が示されているバース

DBD プラズマアクチュエータを用いたフィードバック流れ制御技術に関する研究

－6－

(12)

JAXA

4

月～2020年

3

月)

- 10 -

URL：https://www.jss.jaxa.jp/ar/j2019/11410/

責任者

浅田健吾, 東京理科大学

問い合せ先

浅田健吾([email protected])

メンバ

浅田健吾, 小川拓人

事業概要

ロケットや航空機, 自動車といった様々な輸送機周りの流れを, プラズマ放電を利用した

DBD

プラズマアクチュエータと呼ばれるデバイスを用いることで制御し, 高効率で堅牢な輸送機システム開発を実現する. 時々刻々と変化する流れに対応するため, 本事業では

3

次元非定常流れのシミュレーションを行い, フィードバック制御手法の開発・実証を行う.

JAXA

大規模な

3

次元非定常流れシミュレーションを

JAXA

スーパーコンピュータで計算実績が豊富な圧縮性流体解析ソルバ

LANS3D

を用いて実施可能なため.

今年度の成果

DBD

プラズマアクチュエータ(以下

PA)を用いた NACA0015

翼周り流れ(レイノルズ数:63,000)下における高忠実度ラージエディシミュレーションを実施し, 本事業のこれまでの成果として制御効果が確認されているフィードバック制御モデルの低迎角での性能実証を行った. 検討するフィードバック制御モデル(図

1)は,

翼面上に配置された圧力センサーで計測した圧力値の急激な低下を渦の通過と仮定し, 渦の通過に応じて翼前縁付近に配置されたアクチュエータの

ON/OFF

を切り替えるものである.

昨年度までに, 我々は失速後の迎角(12 度以降)における制御モデルの有効性の検証を行ってきた.

提案する制御モデルはより幅広い条件での利用を想定しているために, 本年度は失速以前の迎角(4, 6,

8

度)において提案する制御則が有効であるかどうか検討を行った.

図

2

に, 各迎角における各制御手法を適用した際の揚抗比(L/D)を示す. 本制御モデル(Feedback)は非制御時(Baseline)と比較して高い揚抗比を与える. また, 過去の研究で有効性が示されているバース

DBD プラズマアクチュエータを用いたフィードバック流れ制御技術に関する研究

-$;$

月～年

月

ト駆動212))を一定周期で切り替える駆動方式%XUVWと同等もしくはそれ以上の揚抗比を与えることがわかるバースト駆動は駆動周波数などの制御パラメータを事前に適切な値に設定する必要があるが提案する制御モデルは自動的に

3$

の

212))

を切り替えることで揚抗比を向上させることに成功している

図

に迎角

度の

1$&$

翼周り流れに制御モデル)HHGEDFNと非制御%DVHOLQHを適用した際の速度勾配テンソルの第二不変量の等値面を主流方向速度で色付けしたものを示す非制御のケースでは前縁から層流剥離した流れが乱流遷移し付着しているのに対して制御モデルのケースでは

次元的な渦構造が移流しているこれらの渦構造は

3$

が

212))

を

回繰り返す毎に

つ生成されており本制御モデルが渦の移流を整えることで流れ制御を達成していることがわかった

図

提案する翼流れフィードバック剥離制御モデル

－7－

(13)

-$;$

月～年

月

図

1$&$

翼周り流れに各制御手法を適用した際の揚抗比/'

図

迎角

度の

1$&$

翼周り流れに非制御%DVHOLQHを適用した

際の瞬間流れ場

－8－

(14)

-$;$

月～年

月

図

1$&$

翼周り流れに各制御手法を適用した際の揚抗比/'

図

迎角

度の

1$&$

翼周り流れに非制御%DVHOLQHを適用した

際の瞬間流れ場

-$;$

月～年

月

図

迎角

度の

1$&$

翼周り流れに制御モデル)HHGEDFNを適用

した際の瞬間流れ場

成果の公表

査読なし論文

2JDZD7$VDGD.7DWVXNDZD7DQG)XMLL.&RPSXWDWLRQDO$QDO\VLVRIWKH&RQWURO$XWKRULW\

RI3ODVPD$FWXDWRUVIRU$LUIRLO)ORZVDW/RZ$QJOHRI$WWDFN$,$$6FLWHFK2UODQG)ORULGD86$-DQ

小川拓人浅田健吾立川智章藤井孝藏'%' プラズマアクチュエータによる巡航迎角翼性能改善に向けた

/(6

日本機械学会

年度年次大会秋田年

月

㻶㻿㻿㻞利用状況

⚫

計算情報

03,

2SHQ03

時間

－9－

(15)

-$;$

月～年

月

⚫

利用量

：

内訳

計算資源

・ K

625$0$

625$33

625$/0

625$733

KRPH

GDWD

OWPS

-63$&(

－10－

(16)

-$;$

月～年

月

⚫

利用量

：

内訳

計算資源

・ K

625$0$

625$33

625$/0

625$733

KRPH

GDWD

OWPS

-63$&(

JAXA

4

月～2020年

3

月)

- 15 -

URL：https://www.jss.jaxa.jp/ar/j2019/11401/

責任者

福田紘大, 東海大学

問い合せ先

福田紘大, 准教授, 東海大学([email protected])

メンバ

福田紘大, 野々村拓

事業概要

超音速混相乱流の

LES

モデル構築に向けて, 高

Mach

数・低

Reynolds

数の球周り流れの直接解析

(DNS)を行い,

データベースを構築するとともに現象把握を行う.

JAXA

本事業では境界適合格子を用いた高

Mach

数・低

Reynolds

数流れにおける球周り流れの

DNS

により球周り流れのデータベース構築を行う. 計算コストの高い

DNS

によりデータベースを構築するには大規模解析を多数の条件で実施する必要があるため, 本事業においてスパコンの演算能力は必須である.

今年度の成果

3

次元

Navier-Stokes

方程式の直接数値解析により

Reynolds

数

1,000

以下の遷音速域における静止

球周り流れの解析を行った. 流れの様相, 流れ構造, 抵抗係数などの基礎特性に対する

Mach

数効果を調査した. その結果, (1) 遷音速領域において流れ場が安定化されること, (2) Mach数の増加による抵抗係数の増加分は連続流れの領域では

Reynolds

数に関係なく整理されること, (3) Mach数による圧力抵抗係数と粘性抵抗係数の増加分はそれぞれ高亜音速以下では

Prandtl-Glauert

変換と剥離点位置の移動量でおよそ整理できること, などを明らかにした.

DNS 解析に基づく高マッハ数混相乱流 LES モデルの構築

－11－

(17)

-$;$

月～年

月

図

単体静止球の後流渦構造に対する

0DFK

数と

5H\QROGV

数の影響密

度勾配の絶対値分布

図

圧縮性低

5H\QROGV

数流れにおける静止球周りの流れの様相の分布

－12－

(18)

-$;$

月～年

月

図

単体静止球の後流渦構造に対する

0DFK

数と

5H\QROGV

数の影響密

度勾配の絶対値分布

図

圧縮性低

5H\QROGV

数流れにおける静止球周りの流れの様相の分布

-$;$

月～年

月

図

抵抗係数に対する

0DFK

数と

5H\QROGV

数の影響

成果の公表

口頭発表

永田貴之野々村拓高橋俊福田紘大5H\QROGV数

の遷音速微小粒子周りの流れ場と抵抗係数に対する

0DFK

数・5H\QROGV数効果の考察第

回流体力学講演会第

回航空宇宙数値シミュレーション技術シンポジウム( 東京月

その他

第

回流体力学講演会回航空宇宙シミュレーション技術シンポジウム優秀発表賞 5H\QROGV数

の遷音速微小粒子周りの流れ場と抵抗係数に対する

0DFK

数・5H\QROGV数効果の考察年

月

⚫

計算情報

03,

2SHQ03

時間

－13－

(19)

-$;$

月～年

月

⚫

利用量

：

内訳

計算資源

・ K

625$0$

625$33

625$/0

625$733

KRPH

GDWD

OWPS

-63$&(

－14－

(20)

-$;$

月～年

月

⚫

利用量

：

内訳

計算資源

・ K

625$0$

625$33

625$/0

625$733

KRPH

GDWD

OWPS

-63$&(

JAXA

4

月～2020年

3

月)

- 19 -

URL：https://www.jss.jaxa.jp/ar/j2019/11405/

責任者

大西直文, 東北大学

問い合せ先

大西直文([email protected])

メンバ

大西直文, 佐藤慎太郎

事業概要

大気圧放電を利用した革新的な流体制御デバイスとして, DBD (Dielectric Barrier Discharge) プラズマアクチュエータが注目されている. 本事業では, 高速気流中での剥離制御効果が期待されているナノ秒パルス駆動プラズマアクチュエータによる剥離流れ制御メカニズム解明を目的として, 放電現象と流体現象を統合的に扱う数値計算を実施する.

参考

URL: http://www.rhd.mech.tohoku.ac.jp/

JAXA

放電過程の数値計算は荷電粒子の運動と同時に電場を解く必要があり, 計算負荷の大きい Poisson 方程式をタイムステップ毎に解かなければならない. さらに, 時間スケールがナノ秒オーダーの放電過程とミリ秒以上の流体現象を同時に取り扱うため, 本事業で実施する計算にはスーパーコンピュータの使用が必要不可欠である.

今年度の成果

本年度では, 低電圧駆動に適したナノ秒パルス駆動プラズマアクチュエータの放電過程に関する数値解析を実施した. 正の

DC

電圧に負極性パルスを重畳した計算と負の DC 電圧に正極性パルスを重畳した計算を行い, 誘電体表面の電荷分布や生成される電気流体力への影響を調査した. その結果, 放電の様子, 面電荷分布および電気流体力は印加される電圧波形に大きく依存することを明らかにした (図 1). 今後は, 放電過程の数値計算によって得られた結果を用いて放電が流れに及ぼす影響について調査する予定である.

ナノ秒パルス放電を利用したプラズマアクチュエータの放電・流れの連成解析

－15－

(21)

-$;$

月～年

月

図

パルス電圧印加後の正イオンの数密度分布D正の

'&

電圧に負極

性パルスを重畳E負の

'&

電圧に正極性パルスを重畳

成果の公表

査読付き論文

66DWR+)XUXNDZD$.RPXUR07DNDKDVKLDQG12KQLVKL6XFFHVVLYHO\DFFHOHUDWHGLRQLF ZLQGZLWKLQWHJUDWHGGLHOHFWULFEDUULHUGLVFKDUJHSODVPDDFWXDWRUIRUORZYROWDJHRSHUDWLRQ6LFHQWLILF 5HSRUWV

66DWR+)XUXNDZD07DNDKDVKLDQG12KQLVKL&RPSXWDWLRQDOVWXG\RIGLVFKDUJHSURFHVVLQ SODVPD DFWXDWRU IRU HQKDQFHG HOHFWURK\GURG\QDPLF IRUFH JHQHUDWLRQ WRZDUG ORZYROWDJH RSHUDWLRQ 7UDQVDFWLRQVRIWKH-DSDQ6RFLHW\IRU$HURQDXWLFDODQG6SDFH6LFHQFHV$HURVSDFH7HFKQRORJ\-DSDQ DFFHSWHG

口頭発表

66DWR+)XUXNDZD07DNDKDVKLDQG12KQLVKL3URSRVDORIDSODVPDDFWXDWRUIRUHQKDQFHG HOHFWURK\GURG\QDPLFIRUFHJHQHUDWLRQWRZDUGORZYROWDJHRSHUDWLRQQG,QWHUQDWLRQDO6\PSRVLXPRQ 6SDFH7HFKQRORJ\DQG6FLHQFH WK1DQR6DWHOOLWH6\PSRVLXP)XNXL-XQH

佐藤慎太郎古川晴基小室淳史高橋聖幸大西直文低電圧化に向けた高集積プラズマアクチュエータの検討日本機械学会

年度年次大会秋田大学手形キャンパス年月

－16－

(22)

-$;$

月～年

月

図

パルス電圧印加後の正イオンの数密度分布D正の

'&

電圧に負極

性パルスを重畳E負の

'&

電圧に正極性パルスを重畳

成果の公表

査読付き論文

66DWR+)XUXNDZD$.RPXUR07DNDKDVKLDQG12KQLVKL6XFFHVVLYHO\DFFHOHUDWHGLRQLF ZLQGZLWKLQWHJUDWHGGLHOHFWULFEDUULHUGLVFKDUJHSODVPDDFWXDWRUIRUORZYROWDJHRSHUDWLRQ6LFHQWLILF 5HSRUWV

66DWR+)XUXNDZD07DNDKDVKLDQG12KQLVKL&RPSXWDWLRQDOVWXG\RIGLVFKDUJHSURFHVVLQ SODVPD DFWXDWRU IRU HQKDQFHG HOHFWURK\GURG\QDPLF IRUFH JHQHUDWLRQ WRZDUG ORZYROWDJH RSHUDWLRQ 7UDQVDFWLRQVRIWKH-DSDQ6RFLHW\IRU$HURQDXWLFDODQG6SDFH6LFHQFHV$HURVSDFH7HFKQRORJ\-DSDQ DFFHSWHG

口頭発表

66DWR+)XUXNDZD07DNDKDVKLDQG12KQLVKL3URSRVDORIDSODVPDDFWXDWRUIRUHQKDQFHG HOHFWURK\GURG\QDPLFIRUFHJHQHUDWLRQWRZDUGORZYROWDJHRSHUDWLRQQG,QWHUQDWLRQDO6\PSRVLXPRQ 6SDFH7HFKQRORJ\DQG6FLHQFH WK1DQR6DWHOOLWH6\PSRVLXP)XNXL-XQH

佐藤慎太郎古川晴基小室淳史高橋聖幸大西直文低電圧化に向けた高集積プラズマアクチュエータの検討日本機械学会

年度年次大会秋田大学手形キャンパス年月

-$;$

月～年

月

⚫

計算情報

⚫

利用量

：

内訳

計算資源

・ K

625$0$

625$33

625$/0

625$733

KRPH

GDWD

OWPS

-63$&(

03,

スレッド並列手法非該当

時間

－17－

(23)

JAXA

4

月～2020年

3

月)

- 22 -

URL：https://www.jss.jaxa.jp/ar/j2019/11406/

責任者

高橋聖幸, 東北大学

問い合せ先

高橋聖幸([email protected])

メンバ

高橋聖幸

事業概要

新しいビーム推進システムとして管内駆動型マイクロ波加速機を提案し, 放電と衝撃波伝搬の数値計算を実施し, 従来システムとの比較を行った.

JAXA

プラズマ移流拡散と中性粒子の圧縮膨張, 電磁波伝搬といった異なるスケールの物理過程をシミュレートする必要がある為, 計算コストが高く, JAXA スーパーコンピュータの利用が必須である.

今年度の成果

マイクロ波管内駆動加速機内部の電磁波伝搬, プラズマ移流拡散, 衝撃波伝搬を数値的に再現したところ, 機体後部で電磁波を集光する事が出来, プラズマが形成可能である事が示された. プラズマが中性粒子にエネルギーを輸送する事で, 衝撃波を駆動出来, 推力を獲得出来た. 推進性能は従来システムよりも良く, マイクロ波管内駆動加速機は有望な輸送システムであると言える.

成果の公表

-査読付き論文

Masayuki Takahashi and Naofumi Ohnishi, "Gas Propellant Dependency of Plasma Structure and Thrust Performance of Microwave Rocket," Journal of Applied Physics, Vol. 125, 163303 (2019).

ビーム推進機の飛行性能改善に向けた電離構造及び衝撃波伝搬の数値的研究

－18－

(24)

JAXA

4

月～2020年

3

月)

- 22 -

URL：https://www.jss.jaxa.jp/ar/j2019/11406/

責任者

高橋聖幸, 東北大学

問い合せ先

高橋聖幸([email protected])

メンバ

高橋聖幸

事業概要

新しいビーム推進システムとして管内駆動型マイクロ波加速機を提案し, 放電と衝撃波伝搬の数値計算を実施し, 従来システムとの比較を行った.

JAXA

プラズマ移流拡散と中性粒子の圧縮膨張, 電磁波伝搬といった異なるスケールの物理過程をシミュレートする必要がある為, 計算コストが高く, JAXA スーパーコンピュータの利用が必須である.

今年度の成果

マイクロ波管内駆動加速機内部の電磁波伝搬, プラズマ移流拡散, 衝撃波伝搬を数値的に再現したところ, 機体後部で電磁波を集光する事が出来, プラズマが形成可能である事が示された. プラズマが中性粒子にエネルギーを輸送する事で, 衝撃波を駆動出来, 推力を獲得出来た. 推進性能は従来システムよりも良く, マイクロ波管内駆動加速機は有望な輸送システムであると言える.

成果の公表

-査読付き論文

Masayuki Takahashi and Naofumi Ohnishi, "Gas Propellant Dependency of Plasma Structure and Thrust Performance of Microwave Rocket," Journal of Applied Physics, Vol. 125, 163303 (2019).

ビーム推進機の飛行性能改善に向けた電離構造及び衝撃波伝搬の数値的研究

-$;$

月～年

月

⚫

計算情報

⚫

利用量

：

内訳

計算資源

・ K

625$0$

625$33

625$/0

625$733

KRPH

GDWD

OWPS

-63$&(

03,

スレッド並列手法非該当

時間

－19－

(25)

JAXA

4

月～2020年

3

月)

- 24 -

URL：https://www.jss.jaxa.jp/ar/j2019/11398/

責任者

坪井伸幸, 九州工業大学

問い合せ先

坪井伸幸([email protected])

メンバ

坪井伸幸, 小澤晃平, 荒木天秀, 岩佐聡洋, Nicolas H. Jourdaine, 後藤祥太, 下村洸乃, 吉野拓郎, 渡部友裕, 天野泰嗣, 岩﨑幹太, 栗田暢皓, 竹島直己, Darshan Manjunath

事業概要

国産ロケットエンジンおよび超音速エンジンの開発において, ノズルや燃焼器に関する評価やそれに関連する基礎研究を数値解析により実施する.

JAXA

国産ロケットエンジンおよび超音速エンジンの開発において, 学術的・実用的に重要な流体燃焼現象を明らかにし, 効率的な数値計算手法を開発する.

今年度の成果

超音速流れにおける噴流混合を調査する数値解析コードの検証を目的に円形ヘリウム噴流の

LES/RANS

ハイブリッド解析を行った. その結果, 噴流近傍での衝撃波や渦構造を捉えることができ

た(図

1).

また数値解析コードが時間平均場における噴流の混合を正しく再現できていることを確認した(図

2).

ロケットエンジンおよび超音速飛翔体用エンジンに関する燃焼流体の研究

－20－

(26)

JAXA

4

月～2020年

3

月)

- 24 -

URL：https://www.jss.jaxa.jp/ar/j2019/11398/

責任者

坪井伸幸, 九州工業大学

問い合せ先

坪井伸幸([email protected])

メンバ

坪井伸幸, 小澤晃平, 荒木天秀, 岩佐聡洋, Nicolas H. Jourdaine, 後藤祥太, 下村洸乃, 吉野拓郎, 渡部友裕, 天野泰嗣, 岩﨑幹太, 栗田暢皓, 竹島直己, Darshan Manjunath

事業概要

国産ロケットエンジンおよび超音速エンジンの開発において, ノズルや燃焼器に関する評価やそれに関連する基礎研究を数値解析により実施する.

JAXA

国産ロケットエンジンおよび超音速エンジンの開発において, 学術的・実用的に重要な流体燃焼現象を明らかにし, 効率的な数値計算手法を開発する.

今年度の成果

超音速流れにおける噴流混合を調査する数値解析コードの検証を目的に円形ヘリウム噴流の

LES/RANS

ハイブリッド解析を行った. その結果, 噴流近傍での衝撃波や渦構造を捉えることができ

た(図

1).

また数値解析コードが時間平均場における噴流の混合を正しく再現できていることを確認した(図

2).

ロケットエンジンおよび超音速飛翔体用エンジンに関する燃焼流体の研究

-$;$

月～年

月

図

時間平均マッハ数分布及び流線

図

時間平均ヘリウム質量分率分布

成果の公表

なし

－21－

(27)

-$;$

月～年

月

⚫

計算情報

⚫

利用量

：

内訳

計算資源

・ K

625$0$

625$33

625$/0

625$733

KRPH

GDWD

OWPS

-63$&(

03,

2SHQ03

時間

－22－

(28)

-$;$

月～年

月

⚫

計算情報

⚫

利用量

：

内訳

計算資源

・ K

625$0$

625$33

625$/0

625$733

KRPH

GDWD

OWPS

-63$&(

03,

2SHQ03

時間

JAXA

4

月～2020年

3

月)

- 27 -

URL：https://www.jss.jaxa.jp/ar/j2019/11403/

責任者

松浦一雄, 愛媛大学大学院理工学研究科生産環境工学専攻

問い合せ先

松浦一雄([email protected])

メンバ

松浦一雄

事業概要

音速の

5

倍以上の速さを有する極超音速流れが物体回りに形成する粘性境界層流れにおける層流から乱流への遷移過程は, 我々が普段経験する低速流れの遷移と比較して, 境界層の内部で音速より遅い領域と音速以上の領域が混在するなど密度変動や温度変動といった複雑因子が多く, それらの相互作用も多彩となるため, その渦動力学に関する詳細解明の発展が期待されている. 本研究では, 極超音速流れで見られる圧縮性境界層における層流―乱流遷移の直接シミュレーションを実施し, 後期過程における非線形渦動力学を解明することが目的である. 同時に, 後期過程を担う渦を直接的に誘起する方法論の開発およびその数値計算法の開発を行っている.

JAXA

極超音速流れにおける境界層遷移は, 風洞自体による擾乱環境が存在し実験計測が困難であるため遷移現象の解明のためには数値シミュレーションが中心的な研究手段となる. 一方で, 境界層遷移は擾乱に敏感であり, また極超音速流れの強い圧縮性によって遷移が起こりにくくなるため, 高精度な大規模計算を短期間で可能にする最新鋭のスパコンが研究のフロンティアを牽引する役割を担っている

今年度の成果

主流乱れ下にある境界層遷移の過程で作られるヘアピン渦(図

1)の動力学を解明するため,

スケルトン化, 数式項の分解および主要項の再統合によってヘアピン渦周りの主要動力学を評価する新たな手法を提案した. 本方法は, ヘアピン渦の発展に伴う局所動力学を支配する主要数式項集合の変化の機械的発見と分類を可能にする.

圧縮性境界層における層流-乱流遷移後期過程の非線形渦動力学の解明

－23－

(29)

-$;$

月～年

月

図

スケルトン点および速度勾配テンソルの第二普遍量によって表され

たヘアピン渦およびサテライト渦青点の時間発展主流乱れ度

等値面上の色はマッハ数. (a) t=258.0δin/u∞ (b) t=281.5δin/u∞ (c)

t=305.0δin/u∞

成果の公表

査読付き論文

.D]XR0DWVXXUD$OJRULWKPLF([SORUDWLRQRI'RPLQDQW7HUPV$URXQG+DLUSLQ9RUWLFHV*HQHUDWHG 'XULQJ%RXQGDU\/D\HU7UDQVLWLRQ8QGHU)UHH6WUHDP7XUEXOHQFH,QW-(QYLURQ,PSDFWV9RO 1R

査読なし論文

松浦一雄福本康秀「遷移境界層におけるヘアピン渦クラスタリングの研究」第

回日本流体力学会中四国・九州支部講演会SS

⚫

計算情報

03,

スレッド並列手法自動並列

時間

－24－

(30)

-$;$

月～年

月

図

スケルトン点および速度勾配テンソルの第二普遍量によって表され

たヘアピン渦およびサテライト渦青点の時間発展主流乱れ度

等値面上の色はマッハ数. (a) t=258.0δin/u∞ (b) t=281.5δin/u∞ (c)

t=305.0δin/u∞

成果の公表

査読付き論文

.D]XR0DWVXXUD$OJRULWKPLF([SORUDWLRQRI'RPLQDQW7HUPV$URXQG+DLUSLQ9RUWLFHV*HQHUDWHG 'XULQJ%RXQGDU\/D\HU7UDQVLWLRQ8QGHU)UHH6WUHDP7XUEXOHQFH,QW-(QYLURQ,PSDFWV9RO 1R

査読なし論文

松浦一雄福本康秀「遷移境界層におけるヘアピン渦クラスタリングの研究」第

回日本流体力学会中四国・九州支部講演会SS

⚫

計算情報

03,

スレッド並列手法自動並列

時間

-$;$

月～年

月

⚫

利用量

：

内訳

計算資源

JAXA スーパーコンピュータシステム利用成果報告

セキュリティ・情報化推進部