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 / SP R I N G 2 016『次世代ものづくり』プロジェクトの成果

東京大学 加藤千幸

FrontFlow/violet Cartesian

東京大学 鵜沢 憲

新しい流体制御技術の開発とその可能性

東京理科大学 青野 光

VO L .

10

計算工学ナビ・レポート『次世代ものづくり』プロジェクト終了
その成果と HPC のさらなる可能性
東京大学生産技術研究所、日本原子力研究開発機構、宇宙航空研究開発機構 (JAXA) の3機関が中心となって進められてきた、文部科学省 HPCI 戦略プログラム分野４『次世代ものづくり』がこの３月末に完了します。スパコンの威力をものづくりのイノベーショ
ンに活かす革新的な取り組みはどのような成果をあげ、また、その成果はどう発展していくのでしょうか。プロジェクトの統括責任者、加藤千幸教授に聞きました。

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

加藤千幸 センター長・教授

長期に渡ったこのプロジェクトは、どのよ

ションだけではなく、それ以外の ABINIT-となっています。そこでは HPC の産業利

うな取り組みだったのでしょうか？

MP[1]、FrontISTR[2]、FrontCOMP[3] といっ

用に関する戦略等を議論する講座も開催さたHPC 向けのアプリケーションを整備して、れ、延べ300人の参加がありました。

本格的にプロジェクトがスタートしたのユーザーにとって使いやすい環境を整備しこうした活動によって HPC 利用者の拡は2011年度で、準備研究期間を入れるとてきました。使いやすさを形にするソフト

大とレベルアップに貢献することができた

トータル６年間のプロジェクトでした。京ウェア開発の取り組みとしては HPC プラッと考えています。

コンピュータの運用開始が2012年の9月末

トフォーム【図2】を挙げることができるとですから、12年度の後半からが本格的に思います。

それでは、ここからは５つの研究開発課題

さらに、解析のナビゲーションや解析事について、順番にお話を聞かせてください。

5つの研究開発課題を設定して、ものづく

例のインデクスによる参照といった機能

まず課題１は「輸送機器・流体機器の流体り分野において革新的な成果を創出するとを備えたプラットフォーム [4] を開発して、制御による革新的高効率化・低騒音化に関ともに、その成果を広く普及させるために計

アプリケーションソフトウェアの提供だけする研究開発」というテーマです。

算科学推進体制の構築を推進してきたといでなく、実際に行った計算の事例を蓄積しうのがプロジェクトの全体像です【図1】。単てきました。

京を使った取り組みの期間です。

これは JAXA が中心となって進めてきた課題で、プラズマアクチュエータ [5] を使っなる大規模計算のプロジェクトではなく、産業界におけるプロジェクト終了５年後の実用アウトリーチ活動や人材育成事業にも注力たマイクロデバイスを実用化するのが最終化を目指して実証研究を進めてきました。

してきましたね。

的な目的です。
流体機械にはストール ( 失速 ) という現５つの研究開発課題の内容と成果について

代表的な活動は計6回開催した「次世代象が付きもので、過度な条件になると翼がは、後ほど個別に詳しくうかがいたいと思ものづくりシンポジウム」です。そのほか

翼として機能しなくなります。当初狙ったいます。先に「計算科学技術推進体制の構にも、ユーザーが実際にアプリケーションのは、プラズマアクチュエータを使って、築」について概要と成果を教えてください。

を動かしながら学べるハンズオンセミナー

ストールの問題を抜本的に解決することやワークショップを定期的に開催しました。

だったのですが、実はそれだけでなく、ス

参加者は延べ3000人以上になります。

トールしていない状況や単純な形状の翼でその目的は、研究開発の成果を産業界に展開して、より使いやすい HPC 環境を提供することにあります。
研究開発課題で使ったキーアプリケー［図1］プロジェク

トの２本の柱

人材育成事業としては、スーパーコン

あっても、流体制御によって性能を上げら

ピューティング技術産業応用協議会と共同れるということを見出したのが本プロジェで行った「HPC 産業利用スクール」が柱クトの大きな成果と言えるでしょう。

５つの研究開発課題

課題１

輸送機器・流体機器の流体制御による革新的高効率化・低騒音化に関する研究開発

課題２

次世代半導体集積素子におけるカーボン系ナノ構造
プロセスシミュレーションに関する研究開発

課題３

乱流の直接計算に基づく次世代流体設計システムの研究開発

課題４ 多目的設計探査による設計手法の革新に関する研究開発
課題５ 原子力施設等の大型プラントの次世代耐震シミュレーションに関する研究開発
2

計算工学ナビ Vol.10

｝
｝

プロダクト
イノベーション

プロセス
イノベーション

｝安全・安心社会の構築

計算科学技術推進体制の構築
１. 成果を使いやすくするための事業
２. 成果を知ってもらうための事業
３. 成果を活用できる人材育成事業
４. 成果を実際に使ってもらうための事業

[1] 本誌 Vol.5に関連記事[2] 本紙 Vol.4、Vol.9に関連記事[3] 本紙 Vol.1、Vol.8に関連記事[4] 計算工学ナビ・解析事例データベース http://www.cenav.org/kdb/[5] 本紙 Vol.6、Vol.10に関連記事

かなり大規模なケーススタディーを、例［図2］HPC プラットフォーム

ポータル GUI の表示例。国プロア

えば何千万格子という規模のモデルに対しプリを利用した解析ワークフローて何百ケースも繰り返し、限られたケースを Web ブラウザ上で簡単に実行することができる。

スタディーでは見いだせなかった主要なメカニズムを含め、マイクロデバイスによる流体制御に実は複数のメカニズムが存在することを明らかにしました【図3】。
さらに、メカニズム解明の知見に基づい

実はプロジェクト開始当初のターゲットたデバイスの利用やデザインガイダンスをはグラフェンでした。ところが、グラフェ

NIMS の大野隆央先生を中心とするチー示すことで、実用問題への利用を促進し、ンはまだすぐに実用化されることはないと

ムは、東芝との共同研究において、この問いくつかの企業と共同研究を進めてきましいう産業界の意見があったので、それを重題に対して第一原理分子動力学計算を実た。東芝の例をあげると、小型風車の気流視してもう少し近い将来を見据えたター

施し、界面に特異なカーボンクラスタ (CCを制御するシミュレーションや風洞試験をゲットに変更したといういきさつがありま

結合 ) が現れることを見出しました【図4】。

行った結果、トルクが20％向上できるとす。

これは世界で初めてと言っていいと思いま

いった顕著な効果が得られることがわかりました。

いうのが研究開発のモチベーションです。

これからはパワーエレクトロニクスが非す。これまでも可能性は指摘されていたの常に重要です。自動車も電気で動くようにですが、シミュレーションによって確かに

この課題を通じて、概念・初期設計段階

なってきました。従来の半導体は情報の制

そういう構造が現れることを確認したのはにおける高度な数値シミュレーションの有御に使われてきましたが、今後は電力制御

今回が初めてで、特に実際のプロセスで用効性を実証できたと考えています。

のための半導体がさらに重要となるでしょ

いられる摂氏800度から1000度という、分う。そこで問題になるのが電子の移動度な子の動きが大きい温度でシミュレーション

課題２の「次世代半導体集積素子におけるんですね。情報制御が目的の半導体ではスを実現した点が、革新的な成果であると考カーボン系ナノ構造プロセスシミュレー

イッチング速度が重視されるのに対し、パ

えています。本件については東芝と一緒にションに関する研究開発」は物質・材料研

ワエレでは移動度が重要で、現在、高移動特許出願も終えている状況です。

究機構（NIMS）によって進められてきま

度のデバイスを作る材料として期待されした。

ているのがシリコンカーバイド（SiC）で

課題３は「乱流の直接計算に基づく次世代す。ただ、この SiC 半導体のゲート絶縁膜

流体設計システムの研究開発」。多様な機器が対象です。

これはミクロスコーピックなシュミレー(SiO2) の酸化プロセスがまだよく分からな

ションによる材料設計によって、材料の飛い。よくわかっていないので、どうしても躍的な高機能化、高性能化を図ることが目

その界面の構造に欠陥ができてしまうのでこの課題の対象は、自動車、燃焼器、ター的で、課題１と同じくプロダクトイノベー

す。界面の欠陥は移動度に直接的に影響す

ボ機械、船などの設計システムで、プロセションを目指す取り組みです。

るため、この欠陥の発生を最小化したいとスイノベーションがテーマです。製品設計の手段として大規模計算を利用する方法
を、シミュレータだけでなくプリポスト処理を含めたシステムとして確立することを目標としました。
まず、自動車については神戸大学の坪倉誠先生を中心にコンソーシアムを組織して、風洞実験をシミュレーションで代替する技術の開発を進めてきました。従来の技術では空気抵抗の予測精度が７％くらいだったのに対し、本プロジェクトでは実用的な予［図3］200ケースを超える大規模パラメトリックスタディ
JAXA の流体解析ソフトウエア LANS3D と京を用いて大規模なパラメトリックスタ
ディーを行い、
プラズマアクチュエータによる流体制御の現象理解と知識基盤の構築を行った。

測精度である２％程度を実現するという世界初の成果があがっています【図5】。その他にも、自動車の実際の運動状態におけるシミュレーションや車内騒音の予測が可能
3

計算工学ナビ・レポート●シリコン (Si)

●酸素 (O)●炭素 (C)［図4］シリコンカーバイト (SiC) デバ
イスに関する新知見
従来予想と異なる新たな界面構造と酸化過程を見出し、欠陥の少ない酸化膜
界面を作製する指針を提供することができるようになった。

横浜ゴムの例をもう少し詳しく説明しま
しょう。タイヤ側面の突起形状とその位置の最適化によってクルマの空力性能を向上させることが目的です。普通、クルマの揚力と抗力は相反する関係にあって、両方を同時に小さくすることはできませんでした。
しかし、この設計探査手法を京を用いて実行することで、揚力と抗力を同時に低減できる革新的な知見を得ることに成功したのであることを実証するなど、多くの目標が標で、すでに目処は立っています。あとはです。この知見を利用した試作品は2015年

達成されました。

計算コストの低減ですね。おそらく今後３の東京モーターショーに展示されました【図8】。

燃焼器に関しては、実機や小型実験炉を対象に、目標とした予測精度である温度

年くらいで実用化できるのではないかと考えています。

10％、窒素酸化物濃度30％を実現しましの大型プラントの次世代耐震シミュレー

た【図6】。これは京都大学の黒瀬良一先生

課題４の「多目的設計探査による設計手法

を中心に達成された成果で、重工メーカーの革新に関する研究開発」もプロセスイノ

各社、電力中央研究所などと共同研究を進ベーションを目指す取り組みですね。

めてきました。今後、この技術を燃焼器の設計や運転条件の割り出しに適用していき最後となる５つ目の課題は「原子力施設等
ションに関する研究開発」です。
安全安心社会の実現に貢献するという大きな枠組みのなかで、建屋および機械構造

JAXA の大山聖先生を中心に進めた課題

物の耐震設計を抜本的に高度化するというで、大規模な設計最適化問題の解決に利取り組みです。日本原子力研究開発機構

ターボ機械と船は我々のグループが担当

用できる多目的設計探査手法を開発し、(JAEA) の中島憲宏氏を中心に進められたしました。まず、ターボ機械についてです

JAXA だけでなく分野４の他課題や企業がこの実証研究では、JAEA が開発してきたが、これは一般社団法人ターボ機械協会に抱える問題に適用してその有効性を実証す

FIESTA[7] というコードが使われました。

民間14社からなる「ターボ機械 HPC プロ

ることが目的です [6]。

ます。

FIESTA の大きな特徴は、部品点数が非ジェクト」を発足させて進めたプロジェク

幅広い分野のものづくりに適用するため常に多い場合でも組み合わせ解析ができる

ト内のプロジェクトです。ファン騒音の定

多くの企業と共同研究を進めました。たと点にあります。大型プラントの構造解析、

量的予測、水車のドラフトチューブ内の非

えば、マツダ、富士通、日本自動車工業会

特に耐震シミュレーションをやろうとする定常運動の予測といった６つのサブテーマとは車両の重量最小化と共通部品点数最大と、その部品点数は数十万というオーダーについて、高い予測精度とこの技術の有用化のトレードオフ探査、JR 東海とは高速になるのですが、そのモデル化を行うと膨性を実証しました。

鉄道車両の車内騒音と空気抵抗の低減、横大な計算量が必要となってしまう。そこで船については造船技術センターと一緒に

浜ゴムとはタイヤの空力設計の最適化と従来は計算資源削減のためモデルを簡略化進めてきました【図7】。曳航水槽試験を完いったテーマを設定して、いくつかの画期していたわけですが、それでは局所的には全にシミュレーションで代替することが目的な成果が得られています。

十分な予測精度が得られませんでした。

従来の3500万要素解析［図5］対風洞実験誤差２％を実現した大規模解析

京で実現した23億要素解析

4

計算工学ナビ Vol.10

従来の3500万要素解析では誤差７％だったのに対して、京を使って実現した23億要素の解析では、誤差２％と風洞実験の代替が可能なレベルまで精度が向上した。 協力：スズキ

[6] 本紙 Vol.3に関連記事[7] Finite Element Analysis for Structure of Assembly[8] 本紙 Vol.6に関連記事

この問題に対して、今回は部品ひとつひ
とつを直接そのままシミュレーションしています。キーとなったのは、非常に多くの部品点数に対して統合解析できる技術です
ね。JAEA の高温工学試験研究炉（HTTR）
を対象に解析を行いました。過去の地震波に対して建屋と機器がどう揺れたかというデータがありますから、それと比較することで解析の精度を評価しました。その結果、→→→

きちんとシミュレーションできていること［図6］マルチバーナ試験炉内の石炭の燃焼がわかったことが成果です。

京 (1万並列 ) を用いて行った石炭燃焼の解析によって当初目標の精度（温度10%、
窒素酸化物濃度30%）を実現した。 協力：電力中央研究所

さら に、 他 の 研 究 開 発 課 題 と 同 様 に、
JAEA の他部門のプロジェクトに加えて、
千代田化工建設、荏原製作所といった企業な企業との連携による実用化の推進。もうれだけではダメなんです。さらにソフトの一部署との共同研究も進めていただきま

ひとつは計算コストの抜本的な削減です。

ウェア的な知恵を使って、高速化を実現すした。その成果として、従来は不可能だっコストの問題について、少し説明しましょることが必要です。ハードウェアと計算手

た詳細な耐震裕度の俯瞰的な評価が可能とう。先ほどあげた課題３の船のケースを例

法による高速化で100倍、モデリング手法

なる技術が開発されています。

に取ると、京の3万ノードを使って、300で100倍、あわせて１万倍と考えています。

億格子の計算を行えば、水槽実験と同等の１万倍が実現できれば、現在１万ノード

各課題から多くの成果が上がっていること

精度を得られることがわかりました。でもを使っている計算が１ノードでできてしまがわかりました。今後、これらの成果をど精度だけでなく、コストの問題も解決しな

うことになります。もちろん、一朝一夕にのように展開していくのでしょうか？

いと製品開発にはなかなか使えません。現は行かないのですが、100倍の高速化に対実問題として数千とか数万ノードの計算機

してはもうある程度目処が立っていて、あもっとも重要なのはこれらの成果を実用がそんな簡単に使えるかというと、まだそと数年でできると思っています。100倍で化するということです。このプロジェクトれは難しいからです。このため抜本的に計も、現在３万ノードを使っている計算が300の目的は実証研究ですから、直接的には実算コストを下げる必要があります。

ノードでできるようになります。ラック数で用化とは関係しないという見方も可能かも

いうと３ラックか４ラックくらいです。実用化しれません。しかし、次世代のものづくり

抜本的というと、どのくらい下げることをに取り組んでいる我々としては、産業界が考えているのでしょうか？

使えるよう実用段階に持って行くことがとても重要だと考えています。

に向けての大きな前進となるでしょう。
１万倍の目標は「ポスト京」のプロジェ
クト [8] が終わる2019年度末までには実現

我々は最近、トータルのコストを１万分したいですね。本当にできるかどうかはわ

実用化のために、私は２つの柱が必要にの１にしようと言い始めています。そのたからないのですが、なんとかやり遂げたいなると考えています。ひとつはさらに強力

めにハードウェアの進歩は必須ですが、そと思っています。

［図7］船体まわりの渦構造の可視化
320億格子による準直接計算により、水槽試験に対し誤差１％以下で推進抵抗の予測をすることができた。
協力：日本造船技術センター［図8］東京モーターショー2015で展示された試作品
横浜ゴムとの共同研究により、タイヤ側面の突起形状とその位置の設計探査を実施。研究開発課題3で開発され た FrontFlow/red を 利用 し、抵抗と同時に揚力も低減できる形状に関する革新的な知見を得ることに成功した。

5計算工学ナビ・レポート

目指すは全自動高速シミュレーション
FrontFlow/violet Cartesian
FrontFlow/violet Cartesian(FFV-C) は HPCI 戦略プログラム分野４で整備されてきた三次元非定常熱流体ソルバーです。京コンピュータの全ノードを使いきる90％の並列実行効率、自動格子生成、オープンソースライセンスに基づく公開といった特長を備えています。この記事では、開発に携わってきた東京大学生産技術研究所の鵜沢憲さんに、
FFV-C の特徴と今後の開発の方向性について聞きました。

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

鵜沢 憲

鵜沢さんと FFV-C の関わりはどのようにいろいろな大きさの渦があります。DNSて LES で必要となる量を全部計算できる始まったのでしょうか。

では一番小さな渦を解像できるほど格子を乱流モデルです。

細かく切ってしまうのです。その結果、非これまでに、簡単な検証例題として矩形

私が FFV-C の開発に関わったのは、京常に高い計算精度が得られますが、弊害と状の空間の中の流れや、一様等方性乱流との運用開始後1年くらい経ってからで、おして計算規模が大きくなるため、現状ではいう開いた空間での乱流を対象にモデルのもに乱流モデルの実装とその基礎的な検証

計算精度と計算コストのトレードオフで正しさを検証しました。

に携わってきました。

LES[1] と呼ばれる手法が主流です。

当時の FFV-C は乱流モデルが実装され乱流の渦は、小さくなっていくと等方的な"Cartesian" は デ カ ル ト 座 標 系 あ る い はていなかったのです。そこでまず、京の規性質を持ってきます。そういう統計的性質を

直交座標系のことですよね。この言葉が模の計算にふさわしい乱流モデルとはどう使って、十分小さい渦はモデル化して大きな

FFV-C の特長を表していると想像するのいうものかをリサーチするところから始め渦だけ解くのが LES の考え方です。計算精ですが、ユーザーからみたときの FFV-Cました。既に FFV-C は京向けのチューニ

度を DNS とほぼ同程度に保ちつつ格子数の最大の特長はなんでしょうか。

ングが進んでいて、90% くらいのウイークを削減できるので、合理的な方法ですね。

スケーリング性能を実現していましたから、

ただ、LES モデルの中には並列性能を劣FFV-C の計算格子は3辺が直交するサイ

それを低下させないように乱流モデルを組化させる要因であるノード間の通信を必要

コロ型です。これを直交格子とよびます。

み立てなくてはいけませんでした。

とするモデルがあるため、京を使い倒すた

FFV-C は必要な直交格子を計算の始まりのめには、大域的な通信を必要としないモデ

1ステップ目で、形状データから非常に短ルが好ましいと言えます【図1】。とは言っ

時間に並列自動生成してしまうんですね。

採用した乱流モデルについて教えてください。

ても、計算速度に気をとられて、必要以上

これが他の市販ソフトウェアやオープン

当時の FFV-C は直接数値計算（DNS）とに渦のモデルを簡素化し過ぎてもいけま

ソースソフトウェアにない大きな特長です。

よばれる乱流解析手法を採用していました。

せん。そうして行き着いたのが局所 SGS[2]近年の流体解析では、コンピュータの性乱流の中には大きな渦から小さな渦までモデルといって、ノード内の格子だけを使っ能向上に伴ってますます複雑な形状を扱え［図1］FFV-C で計算した自動車
まわりの渦

FFV-Cで京を「使い倒す」
ことにより、
約300億格子の大規模計算が可能であることを示す例。 協力：スズキ

6

計算工学ナビ Vol.10

[1] Large Eddy Simulation[2] Subgrid scale[3] Immersed Boundary Method[4] FFV は修正 BSD ライセンスで公開されている。

従来 : 小規模・簡易形状

FFV によるプリ処理の削減［図2］流体解析の処
理時間の比率

直交格子の自動生成

プリ処理 ( 格子生成 )、計算、
ポスト処理 ( 可視プリ

るようになってきましたが、その一方で、

現状 : 大規模・複雑形状

計算

ポスト

プリ

計算

ポスト

その結果、計算量が膨大になります。

プリ

計算

ポスト

化 ) の比率を模式的に示したグラフ。

私 が FFV-C を 通 じ て 実 現 し た い の は、計算やポスト処理に比べてプリ処理にかか

そこで、FFV-C から派生した FFV-HC（囲精度は超高精度と言えなくとも、ある程度る時間が圧倒的に長くなってしまっているみ記事参照）では、必要な所だけサイコロを十分な精度を確保した上で、誰でも、ものという現状があります。今後、この傾向は小さくする階層型格子を用いることでこのすごく手軽に計算できる環境です。究極的どんどん顕著になってくるはずで、いかに問題に対処しています。

な理想はシミュレーションしたいと思った

してプリ処理の工数を削減するかが、産業界で実用化する上で重要でしょう。

一方で、私が担当する FFV-C では、サら全自動で数秒の内に全解析プロセスが終イコロの各辺の幅を変えたり、幅は同じでわるようなシステムですね。まだまだ先はプリ処理の工数が増える原因のひとつがも大きなサイコロのまま渦の性質をうまく長いですが、もしそれが実現したら、日本

格子生成の大変さです。複雑形状に対する捉えられる理論モデルを入れることで、精のものづくりプロセスを劇的に効率化でき格子生成のどういう所が大変かと言うと、度を維持しながら計算コストの削減を進めるのではないかと思います。

例えば自動車の格子を生成する時に、複雑ています。なお、後者については、LES でな形状を忠実に再現する非構造格子を自動必要な格子数を数桁減らすことができるこ

鵜沢さんはこれまでもオープンソースソフ

生成しようとすると、計算が上手くいかなとから、工学的に極めて重要な課題です。

トウェアに携わってきましたね。

い格子ができてしまう場合があるのです。

現在、既存の理論モデルの洗い直しを含め

そういう時は、結局、職人が手で編集すてモデルの検討を開始したところですが、前職の日本原子力研究開発機構ではることになります。人の手に頼る部分は、

なんとか頑張ってポスト京のプロジェクト"OpenFOAM" を使っていました。個別の形状が複雑になればなるほど工数が多くなの間に形にしたいと考えています。

原子力課題に特化したコードを開発するのるので、ボトルネックになってしまうのです。

また、直交格子は非構造格子と比較してではなく、オープンな技術を活用して、広くこの問題をFFV-C による直交格子の自動生形状再現性が劣ります。このため、従来の原子力課題全般に適用可能な計算技術を提成によって解決しようと考えています【図2】。

IBM[3] を改良し、さらなる計算精度の向上

供しようという試みに、取り組んでいました。

に努力したいと考えています。
格子生成のためのプリ処理が必要ないとい

FFV-C も同じオープンソース [4] ですが、OpenFOAM のような汎用のソフトウェア

う FFV-C の大きな利点がよくわかりまし鵜沢さんが描く FFV-C のこれからはどんとは方向性に違いがありますね。国プロのた。一方で課題もあるのでしょうか。

なものでしょうか。

アプリは良い意味で尖っています。この点については他のソフトに負けない、という

たとえば自動車の空力性能を評価する上FFV はものづくりの設計上流での使用を作り方がされている。国プロに携わる者がで必要な渦の大きさは、1mm より遙かに念頭に置いて開発・改良されている、世界受ける最大の恩恵の一つは、このようなハ小さくなります。FFV-C の格子は3辺の長的にも類を見ないコードです。これまでに

イリスク・ハイリターンのチャレンジング

さが全部同じなので、ボディーから遠く離製造機械や生産技術分野を中心に展開されな研究も進めることができる点なのではな

れた物理的に意味の無い所まで全部最小のてきた実績がありますので、今後さらにユー

いかと思います。

渦サイズの格子で切ることになってしまい、

ザの裾野を広げていければと思っています。

( 参考文献リストを10ページに掲載しました )FrontFlow/violet の派生版と関連ソフトウェア
FFV は理化学研究所 計算科学研究機構の小野謙二博士が1990年代半ばに開発を始めたコードが基になっている ( 本誌
Vol.5に関連記事 )。設計上流での活用を想定し、短時間で解析プロセスを実行するための様々なアプローチが採用されFFV-HC は空間解像度を局所的に密にする制御ができ、

FFV-C よりも少ない格子点数で計算が可能となっている。
さらに、現在、実験段階にある派生バージョンとして"FFV-OCT"（Octree、八分木版）がある。

ている次世代のものづくりを見据えたソフトウエアである。

また、FFV は「HPC プラットフォーム」(HPC/PF) の機

現在、データ構造の異なるいくつかの派生版が存在し、能を十分活用できるように、連携して開発が行われている。

並行して開発が進められている。
ひとつは本稿で紹介した "FFV-Cartesian"。もうひとつは階層的な直交格子を用いる "FFV-Hierarchical Cartesian"( 本HPC/PF は各種ものづくり系解析ソフトウェアをスパコン上で簡単に使えるようにする基盤ソフトウェアである ( 本誌
Vol.5に関連記事 )。

誌 Vol.7に関連記事 ) である。

7

計算工学ナビ・レポート

大きな翼から小さな羽まで
新しい流体制御技術の開発とその可能性
HPCI 戦略プログラム分野４の研究開発課題1『輸送機器・流体機器の流体制御による革新的高効率化・低騒音化に関する研究開発』では、大規模流体制御解析ソフトウェアの整備とプラズマアクチュエータを用いた流体制御技術の有効性を実証する研究が進められてきました。この課題に初期から参加している青野光さんに、開発の経緯と現在の状況、そして青野さんご自身の専門分野である「羽ばたき」について聞きました。

東京理科大学
工学部第一部機械工学科 助教

青野 光

青野さんは昨年度まで JAXA に所属していしていないと実行できなかったのです。最と JAXA の多目的設計探査のフレームワー

ましたが、そこで分野4のプロジェクトに

初は数千ノードから始まり、約半年ごとにク [2] によって可能になった成果で、とて参加することになったいきさつから話を聞

1万ノード、2万ノードと増えていったのも効果的なツールです。

かせてください。

ですが、その段階ごとにテストを繰り返し

ミシガン大学でポスドクをしていたとき、学会でお会いした JAXA の大山先生からこて、京の上で LANS3D のプロダクトラン

このプロジェクトを通じて、プラズマアクチュができる状態まで持って行くことが私の仕エータをどう評価するようになりましたか？

事でした。

のプロジェクトが始まることをうかがいま

原理は、以前、藤井先生がおっしゃった

した。
「メンバーを探しているので、どう？」

京の正式運用開始後に本格的なパラメト

とおりです [3]。他のメリットとしては、簡とお誘いを頂いて「ぜひ」と応えたのが始リックスタディーが始まりましたね。

単に作れる、という点をあげたいですね。

まりです。京を使って新しいことができると聞いて「魅力的な話」と感じました。
米国でのポスドク時代はどんな研究を？

触ってみると柔らかくて、身近に感じられ
約25,000ノードの並列テストを行った後、るデバイスです。

翼まわりの計算を本格的に始めました。最

材料を変えると性能も変わるので、材料

初はレイノルズ数が10の4乗の計算を300

分野の人も興味を持っています。今は流体ケース弱くらい。それを稼働後1年くらい制御という使い方に絞っていますが、発生

羽ばたき飛行の研究です。流体構造連成

やって、その後、レイノルズ数を1桁上げするオゾンを使ってウイルスを殺すといっのシミュレーションと実験をやっていました10の5乗の計算を数十ケースについて実た使い方も考えられています。

た。博士課程は今の分野とまったく違う昆行しました。

虫飛行のシミュレーションがテーマです。

京を使うことで、このようにたくさんの企業との共同研究も進められています。

ケースを調べて良い解を見つけることがで「羽ばたき」については後ほど改めてうか

きるわけですが、パラメータの設定を人間

東芝との実証研究が最初に始まりました。

がいたいと思います。京を使い始めた頃のがやったのでは、全部の組み合わせを見る

詳細については東芝の論文 (10ページ参考文

仕事はどんな内容でしたか？

ことはできません。今回はグリッドサーチ

献 C) をぜひ読んでいただきたいのですが、

JAXA の宇宙研に赴任したのは京が正式に動き始める前の2011年で、まず取り組んだのは LANS3D[1] を京に対応させるためのスカラーチューニングです。富士通の方々と2週間に1回くらい綿密なミーティ
ングをして、どこまでプログラムの性能を出せるかを調べていきました。それを京の正式運用が始まる前の半年間くらいやりましたね。
今はおそらく違うのですが、当時は京でプロダクトランをするには厳しい条件がありました。ノード内の実行効率と、ノード間の並列化効率がどちらもその条件を満た
8

計算工学ナビ Vol.10

プラズマアクチュエータ OFF

プラズマアクチュエータ ON［図1］小型風車に適用したプラズマアクチュエータの効果１

前縁に取り付けた間欠的駆動中のプラズマアクチュエータが剥離せん断層に影響を及ぼし、翼端部分では剥離を抑制し、
翼端渦の崩壊なども抑制する。ブレード中心部から翼端側での制御効果が確認できる。

［図3］青野さんらが[1] JAXA 藤井研究室で開発された流体解析プログラム[2] 本誌 Vol.3に関連記事[3] 本誌 Vol.6に関連記事[4] 本誌 Vol.8に関連記事

試作した羽ばたき機

回転直径1.56メートルの小さい風車を使っいて、設計の周速域で回っているのであれ

た風洞実験【図1、2】 から２メガワット級

ば、剥離点はあまり動かないのですが、現の大型風車までを対象にしています。

実には翼まわりの気流角が断面によって変小さい風車の実験では、回転しない状態

わってしまうんですね。そして剥離の程度でもプラズマアクチュエータのスイッチをがスパン方向の位置によって変化するので、一番揚力抗力比が高いところをさらにアク入れると自分で回転し始めるので、ひと目剥離点もスパン方向に対して変わりますし、

チュエータを使って良くするという使い方

で効果を確認できます。毎分40回転くら翼が回転しているので迎え角が変化し、そを想定しています。

いのゆっくりした回転が、スイッチを入れれによっても剥離点の位置は変わります。

LANS3D は高解像度で高精度なプログると徐々に回転速度が上がり、最終的にはそれを回避するためには、例えば、どこラムですから、ポスト京を使って、翼まわ

約８倍の300回転になります。

で剥離するかをセンシングしたり、フィー

りの現象をきちんと捉えたシミュレーショ

レイノルズ数が大きくなると効果は見づ

ドバック制御をかける方法があるかもしれンをしたいと思っています。

らくなるのですが、屋外の大型風車の実験ません。あるいは、剥離点が多少動いてもでは、最も適した形状の場合で発電量が対応できるよう、複数のアクチュエータをそれでは羽ばたきの研究について聞かせて10％程度向上します。

設置するとか……ただ、そうすると電源もください。昆虫の羽とプラズマアクチュ

複数必要になるので、実装の工夫が必要にエータを装着した翼に共通点はあるので顕著な効果ですね。残している課題もある

なってきます。これらの点については課題

しょうか？

のでしょうか？

１で現在検討が進んでいますが今後解決しなければならない問題だと認識しています。

昆虫は羽で前縁から流れを剥離させて渦止まっている翼に関しては、アクチュエー

200ケース以上のパラメータスタディーを作ります。一方、今回の研究は剥離を抑

タをどこに設置して、どう使えばいいかとを行ったことで、駆動条件は理解できてい制することが目的です。対照的ですが、流いう指針が得られていて、これは既に実現ますから、それを基に動的な翼にも対応し体制御という観点では同じ問題です。

したイノベーションであると思っています。

ていけると考えています。

飛行機や風車の翼は剥離しない設計にしかし、風車などの設計に適用するには、なっています。その設計指針で昆虫のよう動的な翼についての設計指針や運用の条件

ポスト京のプロジェクトでも、プラズマアな羽ばたくものを説明しようとしてもできを知ることが必要でしょう。

クチュエータの風力発電への応用が試されないんですね。大きな翼では抑制すべき剥ることになっていますね [4]。

離なのに、小さな昆虫ではそれを使わない

静的な翼と動的な翼の違いはなんですか？

と飛ぶことができない。大きさによって流
ポスト京の課題において、プラズマアク

体力学的なパラメータが異なる、あるいは、静的な翼の場合、剥離点が流れ場条件でチュエータはウインドファームを実現する

レイノルズ数によって使うべきメカニズム

ある程度決まるのですが、翼が動いている

要素技術のひとつという位置づけです。

が変わってくると言えます。

と剥離点も動いてしまいます。このデバイ

これまでは簡単な翼型について調べてきスは剥離を対象にしているので、剥離点のたのですが、風車の翼型は特徴的なので、移動は難敵なんですね。

それに適した剥離制御の方法を見つけるこ

風車を例に取ると、流れがまっすぐ来てとと、そもそも風車の翼は性能がいいので、最近の論文は「羽音」がテーマですね。
羽ばたきロボットを作って自然調査に使いたいのです【図3】。そのためには羽音のプラズマアクチュエータ OFF

プラズマアクチュエータ ON

翼端

静かな羽ばたき機が必要ですよね。アマゾ
ンの森林へぽんといれた時に、機械的な羽音を出していたらそこの生態は変わってしまいます。非常に数は少ないですが、これまでに作られた羽ばたき機はそこまで考慮されていません。羽音をうまく制御することで蝶に近い静音性を持たせかつ羽ばたきの本来の高い空力性能を維持したい。そう［図2］小型風車に適用したプラズマアクチュエータの効果２

間欠的駆動中のプラズマアクチュエータが剥離せん断層に影響を及ぼし、翼端部分では剥離を抑制し、スパン方向に軸を持つ渦構造（矢印）があることが確認できる。

すればその自然に近い状態で生態調査ができると思っています。
( 参考文献リストを10ページに掲載しました )9■参考文献（6〜7ページ）
1. Kenji Ono, Shuichi Chiba, Shunsuke Inoue and Kazuo Minami, "Low byte/
flop implementation of iterative solver for sparse matrices derived from stencil
computations", High Performance Computing for Computational Science VECPAR 2014, Vol. 8969 of Lecture Notes in Computer Science, pp.192-205,
2015.
2. Kenji Ono, Yasuhiro Kawashima and Tomohiro Kawanabe, "Data centric
framework for large-scale high-performance parallel computation", Procedia
Computer Science, Vol. 29, pp.2336-2350, 2014.
3. 磯部光基 , 木村祐介, 木村真也 , 世良俊博 , 横田秀夫 , 小野謙二 , 田中学 , "鼻腔内熱流動ボクセル解析における横断面医療画像二次元補間の有効性 ", 生体医工学 ,Vol. 53, No. 3, pp.160-167, 2015.

4. 水谷崇志 , 磯部光基 , 田中学 , 世良俊博 , 小野謙二 , " 医療画像に基づく鼻腔内熱流動のボクセルシミュレーション ", 生体医工学, Vol. 52, No. 1, pp.33-41, 2014.
5. Ken Uzawa, Kenji Ono and Takanori Uchida, "Validation of local SGS models
for high Reynolds number flow", 11th World Congress on Computational
Mechanics, Barcelona SPAIN, July 2014.
6. Ken UZAWA and Kenji ONO, "Validation of local SGS models implemented
in high-performance CFD solver:FFV-C", ASME-JSME-KSME Joint Fluids
Engineering Conference 2015, Seoul KOREA, July 2015.
7. 鵜沢憲 , 小野謙二 , " 壁法則に基づく動的な LES モデルの検討 ", 第29回数値流体
力学シンポジウム , 福岡 , 2015年12月.

■参考文献（8〜9ページ）
A. 翼まわりのパラメトリック解析（抜粋）

B. 小型風車の計算 ( 抜粋 )1. M. Sato, H. Aono, A. Yakeno, T. Nonomura, K. Fujii, K. Okada, K. Asada
Multifactorial Effects of Operating Conditions of DBD Plasma Actuator on
Laminar-Separated-Flow Control,
AIAA Journal, Vol. 53, No. 9, pp. 2544-2559 (2015).

1. H. Aono, Y. Abe, M. Sato, A. Yakeno, K. Okada, T. Nonomura, K. Fujii
Flow Control Using a DBD Plasma Actuator for Horizontal-axis Wind Turbine
Blades of Simple Experimental Model,
WCCM XI, ECCM V, ECFD VI, Barcelona SPAIN, July 2014.

2. M. Sato, T. Nonomura, K. Okada, K. Asada, H. Aono, A. Yakeno, Y. Abe, K.
Fujii
Mechanisms for Laminar Separated-Flow Control using DBD Plasma Actuator
at Low Reynolds Number,
Physics of Fluids, Vol. 27 117101 (2015).

2. H. Aono, Y. Abe, K. Okada, M. Sato, A. Yakeno, T. Nonomura, K. Fujii
Large-eddy Simulations of a Two-meter, Three-bladed Simple Wind Turbine
Model Controlled by a Plasma Actuator,
Eleventh International Conference on Flow Dynamics, Sendai JAPAN, October
2014.

3. H. Aono, K. Okada, T. Nonomura, S. Kawai, M. Sato, A. Yakeno, K. Fujii
Effects of Burst Frequency and Momentum Coefficient of DBD actuator on
Control of Deep-stall Flow around NACA0015 at Rec=2.6x105
AIAA SciTech 2014, National Harbor USA, January 2014, AIAA-2014-0776.

C. 東芝のプラズマ気流制御（抜粋）

4. T. Watanabe, T. Tatsukawa, A.L. Jaimes, H. Aono, T. Nonomura, A. Oyama, K.
Fujii
Many-objective Evolutionary Computation for Optimization of Separated-flow
Control using a DBD Plasma Actuator,
IEEE WCCI 2014, Beijing CHANA, July 2014, E-14777.
5. T. Watanabe, H. Aono, T. Tatsukawa, T. Nonomura, A. Oyama, K. Fujii
Design Exploration of a DBD Plasma Actuator for Massive Separation Control,
53rd AIAA Aerospace Sciences Meeting, AIAA 2015-0307.

10

計算工学ナビ Vol.10

1. 松田 , 田中, 雨森 , 野村, 大迫 , 風車性能に及ぼすプラズマ気流制御の影響, 日本機
械学会2012年度年次大会 , S056041.
2. 田中, 松田 , 雨森 , 志村, 安井, 大迫 , 前田 , 鎌田 , プラズマ気流制御によるトルク増
大効果のフィールド研究 , 風力エネルギー利用シンポジウム2012予稿集 .
3. 田中, 大迫 , 松田 , 山崎 , 志村, 浅山 , 近藤 , 川上 , 尾立 , 吉田 , プラズマ気流制御による大型風車の出力向上 , 風力エネルギー利用シンポジウム2013予稿集 .

ニュースレター総目次

過去のニュースレターはすべてPDFフォーマットで下記のURL からダウンロードできます。
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Vol. 1 (2013年10月発行 )Vol. 6 (2015年3月発行 )創刊に寄せて「ものづくりとシミュレーション」

非線形現象の理解からはじまるプロダクトイノ
ベーション

住友ゴム工業株式会社
ソフトウェアライブラリ FrontCOMP

ポスト「京」時代のものづくり
次世代並列可視化システム HIVE
Maker ムーブメントとものづくりのコンピューティング

Vol. 2 (2014年1月発行 )Vol. 7 (2015年6月発行 )核融合炉の閉じ込め性能を解明するプラズマ
乱流シミュレーション

電極の超大規模解析による燃料電池設計プロセ
スの高度化

ソニー 先端マテリアル研究所

熱流体解析システム FrontFlow/violet-HC

ソフトウェアライブラリ PHASE

オープンソース遠隔可視化ソフトウェア PBVR

Vol. 3 (2014年3月発行 )Vol. 8 (2015年9月発行 )多目的設計探査の新展開

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

電力中央研究所
ソフトウェアライブラリ FrontFlow/red

高圧水素容器の合理的設計法を求めて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

Vol. 4 (2014年9月発行 )Vol. 9 (2015年12月発行 )自動車のプロセスイノベーション

流体解析ソフトウェア FrontFlow/blue

計算科学振興財団 FOCUS

第一原理電子状態計算プログラム PHASE/0

ソフトウェアライブラリ FrontISTR

構造解析ソフトウェア FrontISTR

Vol. 5 (2014年11月発行 )Vol.10 (2016年3月発行 )創薬からものづくりへ広がる ABINIT-MP の可能性『次世代ものづくり』プロジェクトの成果

HPCI 戦略プログラム分野4における 成果公開・普及促進活動の状況

FrontFlow/violet Cartesian
新しい流体制御技術の開発とその可能性

ソフトウェアライブラリ FrontFlow/violet

11今号の表紙

FrontFlow/violet-Hierarchical Cartesian(FFV-HC) による大規模
流れ解析

京コンピュータ上で FFV-HC により計算したオープンカーまわりの瞬時速度場 ( 表紙 )。FFV では、計算開始時にロバストな計算格子を並列自動生成
することで、格子生成に費やす時間を飛躍的に削減することが可能。32億の階層型直交格子 ( 上図 ) を京コンピュータ上で約3.5分で生成することに成功した。
東京大学生産技術研究所 鵜沢 憲

編集後記

HPCI 戦略プログラム分野４『次世代ものづくり』のアウトリーチ活動の一環として発行されてきた本誌も、この Vol.10で一区切りです。締めくくりとなる本号では、加藤千幸教授へのインタビューを基に、プロジェクト
全体の成果をまとめる記事 (2〜5ページ ) を掲載しました。註として過去の関連記事へのリンクも用意しましたのでご活用ください。
（F）

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計算工学ナビ Vol.10
発行日： 2016年3月23日
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