ものづくりに HPC を活用するためのツールとケーススタディーQ U A RTE R LY N E WSLE TTE R / FA LL 2015

©Google, RIAM-COMPACT

洋上・陸上ウインドファームを最適化する
大型風車の最適配置設計ツールの開発 九州大学 内田孝紀
高圧水素容器の合理的設計法を求めて東京大学 針谷耕太

全体俯瞰設計と製品設計の着想を支援する
東京大学 川鍋友宏
ワークスペースの研究開発

VO L .

8

計算工学ナビ・レポート

洋上・陸上ウインドファームを最適化する
大型風車の最適配置設計ツールの開発
ポスト京に向けた研究開発が進められています。重点課題６『革新的クリーンエネルギーシステムの実用化』（本誌 Vol.6参照）のサブ課題のひとつとして設定されたのが、『高効率風力発電システム構築のための大規模数値解析』というテーマで、風力発電所の設計と運用に革新的なコンピュータシミュレーションの成果を導入する試みです。このプロジェクトで数値風況シミュレーションソフトウェアの研究開発を担当している九州大学応用力学研究所の内田孝紀准教授に話を聞きました。

九州大学応用力学研究所
新エネルギー力学部門 風工学分野

内田孝紀 准教授

風力発電にとってコンピュータシミュレーを設置する前に、15年間壊さずに運用でレータ RIAM-COMPACT[2] シリーズのションはどのように役立つのでしょう？

きる場所を見つける必要があり、そのため開発を通じて、そうした課題に取り組んで台風が来ても壊れない風車を作るといったには日常的な乱流も含めて風が及ぼす影響きました。

目的なのでしょうか？

を精度良く予測できるシミュレーションの技術が不可欠です。

地形に起因する風の非定常な挙動を数値掴み所の無い自然の風を相手にするのはまた、事業者によっては採算性の評価を的に捉えるためには、どうしても LES[3]

難しいことですが、台風や爆弾低気圧が相行うために発電量を正確に予測したいとい

モ デ ル が 必 要 で し た。 そ れ が RIAM-

手なら、気象庁の予報を見て事前に風車をうニーズを持っています。実際の地形や気COMPACT を開発した動機です。

止めることもできますし、強い風で壊れる候のデータに基づいて、発電量が最大にな

我々は「流れを見る」ということを重視ことを避ける設計も当然されています。そる風車の配置を見つける技術が求められてしています。風車が壊れる原因となる見落

れよりもやっかいなのは、日々の風によっいます。としがちな乱流を見つけるには、日常の感て地形や植生から生じる乱流なんですね。
そうした日常的な乱流が風車に悪さをし、覚で見るのが一番いいのです。また、計測
内田先生は20年間に渡る数値風況シミュ

ボディーブローのようにダメージを与えることがあるんです。
風力発電所を新設するには数百億円の予算が必要で、メガワット級の風車は1基1億円以上します。それを15年くらい運用しないといけない。しかし、その運用期間中に風車が壊れる事故がすでに発生しています [1]。事業を成り立たせるには、風車［図1］北九州市響灘地区の響灘風力発電所

RIAM-COMPACT を用いて響灘風力発電所 ( 写真上 )における風の流れを可視化し、Google Earth の GUI に投影した事例。右上は沖合の白島（男島、女島）を含む9×16×1.2km の領域（1500万点）の風況を評価したもの。右下は発電所をカバーする4.6×3.5×0.2km の領域(1億点 )における風車後流( ウエイク)の相互干渉を調査したもの。

2

計算工学ナビ Vol.8をするにしても、その前に流れを見なけれ[1] 内田 孝紀 , 太鼓山風力発電所のナセル落下事故に対する数値流体力学的アプローチによる一考察 http://www.riam.
kyushu-u.ac.jp/windeng/img/aboutus_detail_image/JWEA_Taikoyama_2015.pdf[2] Research Institute for Applied Mechanics, Kyushu University, COMputational Prediction of Airflow overComplex Terrain[3] Large-Eddy Simulation

ばどこに計測機器をつければいいかわかり

それよりも「ここに風車を建てて大丈夫

細かいスケールで見る計算があり得ます。

ません。時々刻々と大小の渦が入り交じりなのか、本当に壊れないのか」という疑問

ただし、風車のブレードの大きさからながら流れていく様を見ることが大事です。に答えることのほうが重要だとする事業者

20km のウインドファームの規模に至る

また、事業者の方と話していて思うのは、も少なくありません。この課題には現在の空間スケールは100億メッシュでも同時誰でも理解できるように可視化することの技術でも十分対応できると考えています。には解像しきれないので、個別の要素を重要性です。我々は Google Earth を使っ

たとえば、あるエリアに10基の風車をRIAM-COMPACT 以外のソフトウェアでて3次元の地図の上に計算結果を投影する設置するとしたら、その10基を相対的に解析した上で粗過程を明らかにし、最終的システムを開発しました。これを使うと見比較します。ある方向から風が吹いてきたに RIAM-COMPACT が風車の最適な配置

慣れた地図の上で色んな角度から自由に計ときに、どの風車のリスクが高いかを調べ案を支援する形にしたいと考えています。

算結果を眺めることができます。[ 図1]る。この方法であれば、実際の気象条件をユーザーには大規模な HPC を意識しな与えなくても、風洞実験をやっているよういで使ってもらいたい。そのためにはソルなイメージで計算して構いません。

バだけでなくプリとポストが重要になる

RIAM-COMPACT は 様 々 な プ ラ ッ ト
フォームで動作していますが、ハイエンド数値的な風洞実験を大規模に精度よくでだろうと感じています。ただし、これはの領域では京コンピュータに対するチューきることこそが事業を進めるかどうかの判

CFD の知識がまったくない人を対象にすニングが進行中ですね。さらに、ポスト京断に必要です。5年後に予定されているポるという話ではなく、ターゲットユーザープロジェクトの「重点課題6 高効率風力発

スト京の完成を待たずに、スピード感を持っはあくまで専門家です。業務で忙しい専門

電システム構築のための大規模数値解析」て、京の段階から風力発電所の建設を計画家の皆さんに、凄いことを簡単にやってもに採択されました。

している事業者に使ってもらいたいと思っらいたいという意味です。ています。
RIAM-COMPACT を京、そしてポスト現在、風力業界は洋上という分野で日本の新しい技術的独自性を出そうと力を入れ計算の規模について教えてください。どの京で活用するアイデアに触れた事業者の反ています。我々もポスト京に向けて、まずくらいの大きさのエリアを対象に計算する応はいかがですか？

洋上の風力発電の事業性評価をターゲットのですか？にします。その一方で、陸上の風車が今抱皆さんすごく関心が高いです。自分たちえている問題も同時に解決しないといけな大規模な計算をしてほしいというニーズの計画にすぐ使いたいとおっしゃっている。

い。洋上風力発電所を成功させるためにも、が増えてきました。20km 四方くらいは平我々が研究開発を成功させるためにも、産陸上と洋上の課題を同時に解決したいと考気でやります。メッシュ数は我々の計算機業界の声を聞くことは重要なんですね。
「こえています。

を使う場合1億くらいが多いですね。京でこの機能を充実させてほしい」とか「ここは10億メッシュの計算が可能です。事業の精度を上げてほしい」といった要望は実性の判断には十分な規模でしょう。

際に使ってからでないと出てこないので、陸地には凹凸があるのに対し、海面は平らです。素人目には洋上のほうが簡単そうに

ポ ス ト 京 で は100億 メ ッ シ ュ の 計 算

できるだけ早く使ってもらうほうがいいと思えますが、洋上固有の難しさはあるのでを考えていますが、メッシュの刻み幅は思います。そして、コンピュータシミュレー

しょうか？

10m のまま領域を広げる方法と、領域はションを使って様々な事業性の判断をする

変えずに刻み幅を数十 cm 程度にしてより意義について理解を深めて欲しいです。

洋上ではたくさんの風車を並べようとしています。当然、ある風車の後ろにはまた別の風車があって、前の風車が回っていることによる影響を受けます。これをウェークロスと言うのですが、そうした風車の相互作用をきちんと反映する技術を作る必要があります。
この技術を基に、洋上ウインドファーム全体の日々の発電量を数パーセントくらいの誤差で予測したいという要望が事業者にはあって、実現するとインパクトは大きいのですが一番難しい究極の課題と言えます。

［図2］複雑地形上の風車ウェイクの可視化 ( 動画より )RIAM-COMPACT による、様々な流れの可視化映像が下記のページで公開されている。
http://www.riam.kyushu-u.ac.jp/windeng/aboutus_detail03.html

3計算工学ナビ・レポート

燃料電池自動車の普及に欠かせない高圧水素容器の合理的設計法を求めて東大生研・吉川研究室は複合材料強度信頼性評価シミュレータ FrontCOMP の開発を進めています ( 本誌 Vol.1)。その主な用途は燃料電池自動車に不可欠な高圧水素容器の強度評価。特に炭素繊維強化プラスチック (CFRP) の層を合理的に設計するための知見を得ることが求められています。FrontCOMP の中心的開発者として同研究室に所属する針谷耕太氏に開発の状況と今後の展望を聞きました。

東京大学 生産技術研究所
基礎系部門 技術職員

針谷耕太

針谷さんが燃料電池自動車に使われる水素素ステーションの蓄圧器は1000気圧と非1回の試行につきこれだけの時間がかか容器の強度評価というテーマに携わってど常に圧が高いため、もっと詳細に評価したるので、2回、3回と試そうとすると果てのくらいになりますか？

いという要望が企業側にはありました。

しない……。当然、開発の過程ではバグもこの課題を解決するため、平均化するの出ます。そのバグフィクスにも300時間

今年は自分にとって10年の節目でした。

ではなく、繊維束を1本1本明確にモデルかかってしまう。苦労したのはこういうと水素燃料を貯蔵する CFRP 容器の強度評化する技術を FrontCOMP[ 図1] をベースころですね。

価という研究の対象は変わっていないのでに開発することが後半の5年の研究テーマすが、前半の5年と後半の5年では解析のとなりました。

試行とは、色んな巻き方を試すということでしょうか？

手法が大きく変化しました。
前半の5年はどういうことをやっていたかというと、きし麺のように平たい帯状のモデルが精密になると計算量は増大しますね。

繊維束をちゃんとモデル化するのではなく、はい。この2つの画像 [ 図3] は、どちらも繊維束を48回巻いて繊維方向の歪みの層ごとに平均化して強度評価するという方4千万〜5千万要素の解析規模となるの分布を示したものです。違うのは交差のパ法でやっていました。そのメリットは解析でノートパソコンでできるかというと難しターンで、それにより歪みの状況はかなり規模が小さいこと。普通のノートパソコンいでしょう。FX-10や京のようなスパコ違います。この例の場合、実際には6パターでも計算できる解析規模でした。

ンが使えるようになったからできるようにン計算して比較しました。

しかし、この方法では詳細な強度評価はなった解析です。

できなかったんですね。CFRP 容器を作る1本1本モデル化するということは、繊300時間×6回ということはメッシュ分割には、繊維束にエポキシ樹脂を含浸させな維束を適当な多角形とか多面体で分割してに1800時間……、気の遠くなるような時がら巻いていくのですが、この２つの材料から解くということです。このメッシュ分間です。そうした労力を投入する理由はな

特性は全然違うので、平均化してしまうと割の処理だけでスパコンを使っても300んでしょう？

定性的には合っているけれど定量的には違時間かかります。その次の領域分割の処理ているのですか？

うということが分かっていました。に1日。解析は比較的短くて3.5時間くら一方で、自動車の容器は700気圧、水いです ( 弾性解析の場合 )。

FrontCOMP̲mold
賦型プロセスシミュレータ

製品をどう良くしようとし炭素繊維は非常に高価なので、強度を下製造ナレッジ、材料、損傷モデルなどのデータベース

複雑な繊維束構造と樹脂システムをメゾスケールモデル化

FrontCOMP̲cure
硬化プロセスシミュレータ
樹脂硬化プロセスで発生する初期欠陥の評価

FrontCOMP̲damage
損傷発展シミュレータ

損傷シミュレーションによる強度信頼性評価

4

計算工学ナビ Vol.8［図1］FrontCOMP のシステム構成

３つのシミュレータと GUI によって構成され、複合

FrontCOMP̲GUI
複合材料統合化シミュレーションプラットフォーム

材料を使った様々な製品の強度信頼性評価に活用できる。記事ではおもに FrontCOMP_mold を CFRP容器に適用するケースについて解説しているが、FrontCOMP_cure を用いて CFRP の樹脂硬化プロセスを評価することも行われている。

ライナー

CFRP
［図2］一般的な CFRP 容器の断面

アルミニウムやステンレス鋼などの金属製ライナーの外側に、エポキシ樹脂を含浸させた炭素繊維束を巻きつけ固めることで、高圧に耐える構造を実現している。

げずに使用量を極力減らしたいのです。現

くしないといけません。まずメッシュ分割合っていたら我々のソフトウェアの強度

在の蓄圧器は500kg と重く、クレーンでに必要な時間を100分の1にするのが目標

評価はちゃんとできているということです。

吊り上げています。もっと軽い容器が必要です。

これがまず大きなハードルですね。

です。企業にとっては材料コストの低減が一番のメリットですね。
それから、無駄のない設計を実現することで製造時間を短縮することも求められて第2のハードルは最適設計の探索で、こ「100分の1」としたのは、京の100倍とれはなかなか難しいのですが、自分のやる言われるポスト京の計算能力を当てにしてことだと考えています。のことですか？

います。現在、水素ステーション用の蓄圧こうした研究と並行して、ソフトをもっと多くの企業に使って頂けるよう、使いや器は1個作るのに３〜４週間かかっていま

今後ポスト京は関係してくるはずですが、すくしていきます。特に解析結果を検索しす。ステーションを1000カ所作るとして、100分の1と言ったのはメソドロジーの話やすくするための、データベースの拡充が1カ所につき蓄圧器を10本置くとしたら1です。アルゴリズムの開発によって実現し必要と思っています。

万本が必要になりますね。1本に3〜4週たい。もちろん計算機の速さも必要ですが、間かかっていたら、いつできあがるのかわ

新しいアルゴリズムを考えていかないとダ世界的に見て、類似の研究は存在するのでからない。ではどうしてそんなに時間がかメだと思っています。

しょうか？

かっているかというと、CFRP 容器のことがまだよくわかっていないんです。わから最初の5年、そして次の5年についてお話手前味噌になるかもしれませんが、繊維ないから限界を狙っていない。設計者の勘を伺いました。では、これからの5年はど束1本1本をモデル化して解く手法を大学と経験で作っている。

んな研究になるでしょう？

で研究しているのは吉川研だけだと思いま

わかるには実際に作って壊すのが簡単なす。のですが、それには時間がかかるので、試まずは強度評価をやり遂げる必要がありただし、今はまだ V&V（検証と妥当性

作レスあるいは試験を加速させるソフトをます。小さいタンクから始めて、最終的に確認）が終わっていないので、我々の手法作ることができれば、ものづくりに貢献ではクルマ用のタンクや蓄圧器のレベルで実がいいのか悪いのかわかるのはこれからできると考えています。

験して、その結果が計算と合っていることす。頂上があると信じて、登っていきます。

もちろん、そのためにはもっと計算を速を確認します。
［図3］繊維束の巻き方を変えて強度を比較した例

巻き数は一定だが繊維束の交差のパターンが異なる複数のモデルを用意し、繊維方向歪みの分布を可視化している。
この例では胴部の歪みの状態が大きく違っていることがわかる。

5

ソフトウェアライブラリ

戦略的イノベーション創造プログラム

SIP / 革新的設計生産技術

全体俯瞰設計と製品設計の着想を支援する
ワークスペースの研究開発
東京大学生産技術研究所
革新的シミュレーション研究センター特任研究員

内閣府 総合科学技術・イノベーション

いうアプローチで解決することを試みてい会議が府省・分野の枠を超えて、基礎研究ます。つまり、多種多様なデータの中からから出口（実用化・事業化）までを見据え、必要十分なものを選択、理解しやすい形で規制・制度改革を含めた取り組みとして、ユーザに提示し、ユーザの思考速度や深化イスを追加できるため、必要に応じてピク平成26年度にスタートした戦略的イノベーに追随するよう、要求に応じてデータを速セル空間の拡縮が可能です。

ション創造プログラム（略称 SIP）。理化

やかに提示、あるいは見せ方を変えていく

表示空間のコントロールはネットワーク学研究所、神戸大学が中心となり応募し採ことで、大量のデータの中から「気付き」を介して行われるので、全ディスプレイが択されたテーマ「全体俯瞰設計と製品設計を促し、新たな着想や意思決定を支援する一箇所に集まっている必要はありません。の着想を支援するワークスペースの研究開システムの開発です。

例えば遠隔地にある各ディスプレイ全体で川鍋友宏

発」について、HPCI 戦略分野４「次世代SIP の本テーマでは、上述のソフトウェ１つの巨大ピクセル空間を構成することもものづくり」との関係を含め、その概要をアシステムを開発し、実際の製品開発現場可能ですし、各拠点で同じピクセル空間を紹介します。

での実証利用と技術展開を行い、その有効共有することも可能な仕組みになっていま性を検証します。

す。[ 図2,3,4]

プロジェクトの概要

このタイルドディスプレイシステム上で製品開発の超上流、つまり製品コンセプトを検討する段階においては、市場動向、実現可能な性能の予測、デザイナーの主張、システムの特徴表示されるアプリケーションには、協調動作機能が実装されます。例えばシミュレー

本テーマで開発するシステムの概要を図1に示します。

ション結果の可視化アプリケーションが表示しているデータの物理量や、スライス断製造コストなどの多様な情報を迅速かつ的超上流設計に必要な各種データ群を効率面位置、時間ステップなどをユーザが変更確に把握し、加えて法令などの社会的制約よく収集・格納するデータベースシステム

した場合、変更情報が協調動作する他のア条件も考慮して意思決定する必要がありまを中核に、多様なデータ分析モジュールをプリケーションに通知され、関連情報が連す。これら多種多様なデータは、コンセプ用意し、データを加工します。それをタイ動して変更されます。[ 図5,6]

ト立案において有益な情報となり得るはず

ルドディスプレイシステムが実現する広大このような仕組みで様々なデータを効率ですが、その多様性や量に圧倒されると凡なピクセル空間に表示します。このタイル的に提示し、ユーザに新たな発想を促し、庸なコンセプトが創出されかねない、諸刃ドディスプレイシステムは PC だけでなく、競争力の高いコンセプト立案を可能にするの剣です。

タブレットなど様々なデバイスを表示対象ことを目的にシステムを開発しています。

我々はこの問題を、「全体俯瞰設計」ととすることができ、かつアドホックにデバ［図1］

Web ベースの設計空間の把握・分析ツール

開発システム概要

全体俯瞰による意思決定支援
設計アイデアの着想

設計解析業務に利用する解析アプリ (HPCI4)
レビュー数と口コミ評価の分析

構造解析
シミュレータCAD データ等

ウェブ

流体解析
シミュレータ

グリッド
サーチ

最適化設計
アルゴリズムマルチモーダル
分析

解析結果
ウェブ
マイニング

ラフ集合分析
データベース

市場観測
データ

統計解析

実験・観測データ
制約条件
データ

データ生成部

6

計算工学ナビ Vol.8

法規、コスト等

インタラクティブ解空間探査
タイルド・ディスプレイ機能
アプリケーション
連携機能

可視化
ツール

データ分析部

データ提示部

S1
S2のパネルは3Dグラフィクスに割り当てられ、PCクラ
スタでイメージを生成［図2］異なるデバイスを束ねたタイルドディスプレイの実現

S2

S2

S2

S2

S3

Technology:
HTML5, WebGL,
JavaScript

複数のディスプレイ

S1とS2をユーザーAが利用し、S3をユーザーBが利用している

Static Mapping

ディスプレイデバイス

１PCで複数のディスプレイ
を駆動する場合もある

マスター
デバイス

Dynamic Mapping

S1［図3］複数 PC による同一タイルドディスプレイの制御

HPCI 戦略分野4との連携
HPCI 戦略分野４「次世代ものづくり」
で開発している解析シミュレータの実行環

S2

Source Devices

Sp

ソースデバイス：PC, Tablet

ソース（ユーザー）
は動的に表示パネルを選択・解除し、動的な切り替えが可能［図4］タイルドディスプレイシステム概念図

では成し得ない、設計者の閃きや直感を考プンソースとして公開します。開発状況

慮した最適化ワークフローを本システム上は 本 テ ー マ の Web サ イ ト（http://www.

で実行し、HPCI 戦略分野４のさらなる成swov.info）や、本誌の Web サイト（http://果創出を狙います。

www.cenav.org）で随時ご覧ください。

境である HPC/PF やその他のアプリケーションを、全体俯瞰アプリケーションの1つとして本テーマで利用します。

おわりにまた、本テーマで開発するシステムの実ものづくりの現場において CAE は無く証事例の1つとして、本テーマの研究開発てはならない存在ですが、その積極的な利成果を HPCI 戦略分野4の研究課題3「乱流用はものづくりの中・下流工程に限られての直接計算に基づく次世代流体設計システいました。我々は CAE の適用を一歩進め、ムの研究開発」へ適用します。具体的には、超上流の工程まで適用可能な CAE システ

自動車の HVAC 性能評価ワークフローのムを開発することで、イノベーティブでス効率化や、エンジンルーム熱設計におけるピード感のあるものづくりに貢献したいとキーオフ時熱害予測とそれに伴う部品配置考えています。の最適化に本システムを適用します。[ 図7]

本テーマで開発するソフトウェアは広くブラックボックス的な最適化設計ツール

産業界に使ってもらうことを目的にオー

displayWebbrowser

C/C++
app

display

JavaScriptappclientserverREST(HTTP)
WebSocket

masterimage(JPEG)

ミュレーションの例

数値シミュレーション実行環境
スパコンを利用した数値解析を実行、多目的最適化設計機能などを有する。解空間表示機能が協調動作に対応。 ( 文科省 HPCI プロジェクト成果の応用 )プレイと各協調動作ア
プリケーションの例

数値シミュレーション
結果の可視化ツール
ユーザが視点や分析対象データを変更すると、連動して他ツールも協調動作する。

commandKVS,
queue text
etc.

redis/mongoDB［図5］協調動作の概念図［図6］タイルドディス［図7］自動車エンジンルームの熱害シ

データ分析ツール
ウェブマイニングやクラスター分析、ラフ集合分析など、主に非数値的分析を行う。対象データ種別に応じて協調動作。

データ分析ツール
数値シミュレーション結果などの数値的分析を行う。分析対象データ種別に応じて協調動作。

7

ｖっｖ v

今号の表紙

RIAM-COMPACT® による響灘風力発電所の数値風況調査

北九州市響灘地区を対象に、数値風況シミュレータ RIAM-COMPACT を用いて行われた一連の数値風況調査の結果を示しています。左の画像は沖合の島からの風を可視化したもの、右は風力発電所内の風況を可視化したもので、どちらも Google Earth へ解析結果を投影することで、わかりやすいプレゼンテーションを実現しています。
（本誌2ページに関連記事）

編集後記

取材のため、九州大学・筑紫キャンパスを訪ねました。敷地の一角には様々な形状の風車が設置され、日々実験が行われています。特に印象的だったのは、透明な塔の根元に風車が水平に置かれている風力発電システムでした。煙突効果を利用しているのでしょうか？

新しいアイデアが試されている現場を目撃することができて元気が出ました。（F）

計算工学ナビ オフィシャルサイト
本誌の PDF 版やソフトウェアライブラリ、ニュースなどのコンテンツを提供している Web サイトは下記の URL からアクセスできます

http://www.cenav.org/

計算工学ナビ Vol.8
発行日：2015年9月25日
発

行：東京大学生産技術研究所
革新的シミュレーション研究センター〒153-8505 東京都目黒区駒場4-6-1
office@ciss.iis.u-tokyo.ac.jp