※一部、当日発表資料と異なる部分がございます

移動物体対応流体解析ソルバ
FaSTAR-Moveの紹介
保江 かな子, 南部 太介
宇宙航空研究開発機構 (JAXA) 航空技術部門
航空機ライフサイクルイノベーションハブ

2021年度将来回転翼機研究会／回転翼解析技術交流会, 2022/3/16

航空機設計開発におけるCFD活用••

CFD (Computational Fluid Dynamics) の発展に伴い, 航空機設計開発段階においてCFDが多用されるようになっている
近年では, より複雑な形状の解析や物体の運動を伴う解析等への適用に対する需要が高まっているüファン, タービン, 圧縮機等の航空エンジンのターボ機械要素
üヘリコプタやeVTOL等の回転翼機
航空機におけるCFDの活用

冷却孔付き翼列

eVTOL
Wingless (Multicopter)

Lift + Cruise

https://evtol.news/volocopter-volocity/ https://evtol.news/ehang-vt30

イメージ図（caeses.com）

Vectored ThrustElectric Rotorcraft

https://evtol.news/bell-air-taxi

https://evtol.news/sikorsky-firefly/

Spalart et al., The Aeronautical Journal, vol.120, No. 1223, pp. 209 – 232, 20162

本研究の目的・手段
目的• 運動や回転, 変形を伴う複雑形状の物体周りの流体解析を可能とする,非常に高速な流体解析ソルバを構築する
手段• JAXAで開発してきた世界最高速レベルのCFDソルバ『FaSTAR※』に、移動重合格子機能, 変形格子機能, スライディング格子機能等を追加することで, 複雑形状かつ動きを伴う解析を可能とする
FaSTARの高速性

FaSTARの解析範囲

2min 4min

15min※FaSTAR: FaST Aerodynamic Routineの略。 1000コア＠JAXA Supercomputer System generation 2 (JSS2)で、航空機空力解析を2分で実行可能

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FaSTAR-Moveの研究開発
解析対象• 高揚力装置周りの解析や, 運動連成解析• ヘリやeVTOL等の回転翼機周りの流体解析• フラッタ等, 構造振動を伴う流体解析（流体構造連成）• ファン, 圧縮機, タービン等エンジン内部解析
FaSTAR-Moveの特徴• 複雑形状周りの解析が可能• 物体の移動・変形・回転等の動きを模擬可能• 世界最先端レベルの精度• 世界最高レベルの高速性

FaSTAR-Moveの構成

移動物体・回転翼解析モジュール
移動重合格子機能を用いて、搭載物分離、回転翼などの移動物体・回転物体解析を可能にする

変形物体・構造連成解析モジュール
変形格子機能を用いて、流体構造連成解析を可能にする

エンジン解析モジュール
スライディング格子機能を用いて、ファン、圧縮機、タービンなどのエンジン内部解析を可能にする

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複雑な形状を解析する方法
構造格⼦

⾮構造格⼦

【FaSTAR/FaSTAR-Move/TAS】

特徴• 六⾯体の計算セルで構成• 計算セルが規則的に並んでいる格⼦

特徴
5• 多⾯体（六⾯体、四⾯体、プリズム、3ピラミッドなど）の計算セルで構成• 計算セルが不規則に並んでいる格⼦ 1

j = 1, 2, 3, …

【UPACS/rFlow3D】

2

4

i = 1, 2, 3, …
メリット
• 計算セルが規則的に並んでいるため、コード実装が容易

メリット• 複雑な形状でも, 容易に計算格⼦を⽣成可能

デメリット• 複雑な形状に対しては、計算格⼦の⽣成の難易度⾼デメリット• 計算セルが不規則に並んでいるため、コード実装の難易度⾼
Ito, 2013

Ito, 2013

Takagi, 2001

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物体の運動を伴う解析の方法
単⼀格⼦【FaSTAR】

固定翼機解析の⽅法• 物体の周りを覆う単⼀の計算格⼦を⽤いて流体計算を実施

単⼀格⼦

スライディング格⼦

移動重合格⼦【FaSTAR-Move エンジン】【FaSTAR-Move 回転翼】

固定翼機解析との主な違い• 計算格⼦を特定の界⾯に沿ってスライドさせることで物体移動を伴う解析を実施
課題• 内部流解析で重要となる流量を100%保持したまま解析（保存則の保証）するには, 複雑な処理が必要

固定翼機解析との主な違い• 移動する物体, 固定物体, その周りを取り囲む領域に対して別々の計算格⼦を⽤意し, 重ねて解析
課題• 複数格⼦間の情報授受のために必要な処理（ホールカット処理）が⾮常に⾼負荷

計算格⼦1
（動く）

計算格⼦2
（動かない）

物体格⼦1 物体格⼦2（動かない） （動く）

回転

回転
回転

背景格⼦

静⽌
スライディング⾯

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FaSTAR-Moveの研究開発
解析対象• 高揚力装置周りの解析や, 運動連成解析• ヘリやeVTOL等の回転翼機周りの流体解析• フラッタ等, 構造振動を伴う流体解析（流体構造連成）• ファン, 圧縮機, タービン等エンジン内部解析
FaSTAR-Moveの特徴• 複雑形状周りの解析が可能• 物体の移動・変形・回転等の動きを模擬可能• 世界最先端レベルの精度（エンジン解析を例に）• 世界最高レベルの高速性（回転翼解析を例に）

FaSTAR-Moveの構成

移動物体・回転翼解析モジュール移動重合格子機能を用いて、搭載物分離、回転翼などの移動物体・回転物体解析を可能にする

変形物体・構造連成解析モジュール
変形格子機能を用いて、流体構造連成解析を可能にする

エンジン解析モジュール
スライディング格子機能を用いて、ファン、圧縮機、タービンなどのエンジン内部解析を可能にする

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最先端レベルの計算精度実現に向けて（1/2）
スライディング格⼦【FaSTAR-Move エンジン】

スライディング面における数値流束計算方法

固定翼機解析との主な違い• 計算格⼦を特定の界⾯に沿ってスライドさせることで物体移動を伴う解析を実施
課題• 内部流解析で重要となる流量を100%保持したまま解析（保存則の保証）するには, 複雑な処理が必要
計算格⼦1（動く）

内挿型のスライディング格子法
ü Sliding面を介して相手側のセル境界の値は相手側のセルの値から内挿ü 実装は容易だが,保存性は低下
ü 他のほとんどの非構造格子ソルバで使用

計算格⼦2（動かない）

回転回転

FaSTAR-Moveでは, Flux共有型を実装することで, スライディング面での流量100%保存を実現

Flux共有型のスライディング格子法
ü Sliding面を介したセル境界同士の重合面を検出し, その面を分割・再構築して, 新たなセル境界を再定義
ü 保存性は保証されるが, 実装が複雑
スライディング面
Grid1

内挿型イメージ図

Flux共有型イメージ図

Grid2

静⽌スライディング⾯

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最先端レベルの計算精度実現に向けて（2/2）••

さまざまな解析を実施し, 精度の良い妥当な解を得られることを確認
実績のあるコードや、実験データ等との比較検証を実施中
冷却孔付き直線翼列解析

圧縮機動静翼列解析

ü 翼面に冷却孔を持つ直線翼列(T106A）の解析 ü 動静翼列（stage37）の解析
ü 微細な形状を含み、低速部と高速部が共存する ü 周期境界角度40deg格子を用いて解析流れ場でも安定的に解析可能であることを確認 ü スライディング面での保存性を損なわずü 翼面のCp分布は実験と良好な一致
安定的に解析できることを確認
計算格子

計算格子

Stator:5枚Rotor:4枚計算結果

計算結果

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世界最高レベルの高速性（1/2）
移動重合格⼦【FaSTAR-Move 回転翼】

固定翼機解析との主な違い• 移動する物体, 固定物体, その周りを取り囲む領域に対して別々の計算格⼦を⽤意し, 重ねて解析
課題• 複数格⼦間の情報授受のために必要な処理（ホールカット処理）が⾮常に⾼負荷
背景格⼦

物体格⼦1 物体格⼦2（動かない） （動く）

ホールカット処理削減方法
独自の高速化手法を実装することで, 実用に足るレベルの計算速度を実現
ホールカット処理
ü 格子同士の重なりを判定し, 流体計算をするセル（緑色）か, 物体内部の計算しないセル（黄色）か, 別の格子から値を補間するセル（青/水色）かのラベリング等をする処理ü 毎ステップ処理する必要があるため, 高負荷高速化方法
ü 前ステップのラベリング情報を最大限利用することで処理を削減
ラベリング情報

回転高速化アルゴリズム

Background grid

補間点
非計算点

計算点

ホールカット処理を実行しホールカット情報を更新
Calculation cells
Interpolation cells 1
Interpolation cells 2

前ステップのホールカット情報を使用

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世界最高レベルの高速性（2/2）••

海外ソルバや商用ソルバとの比較検証を実施
計算時間に関する公開されている情報を見る限りでは, 世界最高速の計算速度を実現
S-76ロータによる妥当性検証および高速化効果確認

ü Rotor Hover Prediction Workshop (AIAA) にて検証問題として取り上げられたロータ空力性能比較において, 実験値との良い一致を示すと共に, 海外ソルバと同等の計算精度で解が得られることを確認ü 高速化手法（前頁で紹介した方法以外の高速化も組み合わせている）を実装することにより,非構造ベースの移動重合格子ソルバとして世界を牽引しているFUN3D（NASA）より約3倍高速10周分の計算時間比較（1億セル規模, 2048並列）

空力性能比較
約3倍高速11

回転翼解析例①
ヘリコプタロータ（UH-60A）のトリム解析•••

NASAにて風洞試験が実施されたUH-60Aブレードのみの解析
ロータ推力およびモーメントが平衡となるようにピッチ角を制御
トリム解析機能を用いた解析を実施し, 回転翼解析で実績のあるrFlow3Dと同等の結果が得られることを確認
前進⾶⾏時の解析結果（5000万セル規模、6.6⽇／10周＠ JSS3-2048コア）

Thomas R. Norman et al., Full-Scale Wind Tunnel Testof the UH-60A Airloads Rotor, American Helicopter
Society 67th Annual Forum Pro-ceedings, 2011.

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回転翼解析例②
胴体／ロータ干渉（JMRTS）解析••

JAXAにて風洞試験を実施※したJMRTS形状での胴体／ロータ干渉解析
ロータ制御機能（フェザリング、フラッピング、リード・ラグ）を模擬した解析を実施し、回転翼解析で実績のあるrFlow3Dと同等の結果が得られることを確認

JAXA Multi-purpose Rotor Test System

前進⾶⾏時の解析結果※rFlow3DはEulerの結果※田辺 et al., ロータと胴体の干渉流れ場に関する実験的研究, JAXA-RR-10-003, 2010.

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まとめ•••

高速な非構造格子流体解析ソルバFaSTARに移動物体の解析に必要となる機能を追加したFaSTAR-Moveの概要と最新の研究成果を紹介した
現在, エンジン解析および回転翼解析に必要な機能の実装や妥当性検証解析を実施しており, 高精度な結果を, 高速に得られること確認している
今後, さらなる機能拡張を進めていき, 非常に複雑な形状であっても高速に解析可能な移動物体対応流体解析ソルバを完成させる予定である
caeses.com

Ohrle et al., VFS 75th Annual Forum, 2019

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参考•

•

南部太介, 上島啓司, 布施亮祐, 林謙司, 保江かな子, “非構造格子ソルバ
FaSTAR-MoveにおけるSliding mesh法およびMixing plane法の研究開発,”
第53回流体力学講演会/第39回航空宇宙数値シミュレーション技術シンポジウム論文集, 2021.
保江かな子, 布施亮祐, 菱田学 , 菅原瑛明, 田辺安忠, “非構造格子ソルバ
FaSTAR-Moveにおける移動重合格子法の研究開発, “ 第53回流体力学講演会/第39回航空宇宙数値シミュレーション技術シンポジウム論文集, 2021.

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