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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

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計算工学ナビ・ニュースレター2023年春号「富岳」成果創出加速プログラム 「富岳」を利用した革新的流体性能予測技術の研究開発＜インタビュー＞ 3年間のプロジェクトを振り返る「富岳」
による大規模流体シミュレーションの産業上の効果を実証＜特集＞

実証研究テーマ1～5

研究開発成果の概要

東京大学生産技術研究所 加藤 千幸

日本造船技術センター 西川 達雄、荏原製作所 渡邉 啓悦、九州大学 古川 雅人、神戸大学／理化学研究所 坪倉 誠、豊橋技術科学大学 飯田 明由

計算工学ナビ・特別インタビュー「富岳」成果創出加速プログラム 「富岳」を利用した革新的流体性能予測技術の研究開発

3 年間のプロジェクトを振り返る「富岳」による大規模流体シミュレーションの産業上の効果を実証
文部科学省が実施する「『富岳』成果創出加速プログラム」は、スパコン「富岳」を用いて成果を早期に創出することを目的に、2020年4月から3年間にわたり実施されました。研究開発も終盤を迎えるなか、「『富岳』を利用した革新的流体性能予測技術の研究開発（『富岳』流体予測革新プロジェクト）」の課題責任者である加藤千幸教授に3年間を振り返っていただき、研究開発とその成果についてお話しいただきました。

すべてのテーマで目標をほぼ達成

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 教授・センター長（P. 3～ P. 7）に譲りますが、例えば、長時間の良い方向に向かって進んできました。今回のプ計算が必要で、しかも非常に大きな変動を伴うロジェクトは、あくまで実証研究というフェー

当初の目標は達成できましたか。

されないと成果が出せないテーマ3の「圧縮機りに進んだと思っています。ただし、HPC の効た大規模数値計算による流れの予測技術が、流せるか未知数でした。しかし、かなり早い段階

プロジェクトも、残りわずかとなりましたが、ため計算の安定性・精度・速度のすべてが達成

このプロジェクトは、「富岳」を利用しサージの直接解析」は、当初は十分な成果が出

体機械の性能試験や自動車の風洞試験を完全から性能調整に取り組み、アプリケーション・

加藤に代替し得ることを実証することなどを目的

ソフトウェアの高速化を進め、2021年下期にはとして始まりました。課題推進にあたっては、

マイルドサージを定量的に再現できる目途が立析システム FFB（FrontFlow/blue）、格子ボル

カニズムの解明を進めているなど、目標を上回

Large Eddy Simulation (LES) に基づく流体解

ツマン法（LBM）ベースの流体解析システム

ち、現在ではディープサージも再現できて、メる大きな成果を達成しています。サージの直接ズですが、その意味ではどのテーマも目標どお果が実証されただけで、実際に使われなければ何の意味もありません。得られた成果をどうやって普及させていくかが、これからの大きな課題といえます。

産学連携体制で研究開発を推進
今回のプロジェクトでは、学術界と産業界の連携

FFX（FrontFlow/x）、複雑現象統一シミュレー

予測は、これまで誰も成し遂げていなかった世を重視した実施体制の構築も大きな特長でした。

が開発したターボ機械用DES（Detached Eddy

テーマもあれば、曳航水槽試験を完全に数値シ性能の高精度予測と革新的流体設計分科会」とションフレームワーク CUBE、そして九州大学

界初の成果です。こうしたスムーズに進展した

加藤 ターボ機械関連のターボ機械協会「流体Simulation）圧縮性流れ解析ソフトウェアといミュレーションに代替えできることを実証しよ

自動車関連の「HPC を活用した自動車次世代アを活用しています。実証研究テーマは、ター

きましたが、苦労したおかげで新たなことがわ

ジェクトを実施できたことは、産業的な課題を5つあります（図1）が、5つの課題はほぼ順調

解析による細隙部を含めたポンプの水力性能をな意味がありました。今回のプロジェクトでは、何とかゴールにたどり着こうとしています。自すいということだけでなく、産業界のユーザー

う4本の主要なアプリケーション・ソフトウェうとしたテーマ1は、途中いろいろと苦戦が続

ボ機械関係が3つ、自動車関係が2つ、合わせてかるなど、大きな結果に結びつきました。LESに進捗し、現時点で目標を達成できる、あるい

予測するテーマ2も非常に難しいテーマでしたが、しています。個別のテーマについてはレポート

動車関係の2テーマも途中の苦労はありましたが、は目標以上の成果を挙げることができると実感が直接「富岳」による計算にも携わり、実験検果を挙げることができました。

テーマ
２
テーマ
３

ターボ機械協会﹁流体性能の高精度予測と革新的流体設計分科会﹂

テーマ
１

圧縮機サージの直接解析
実施機関：九州大学、岩手大学

産業界のニーズを吸い上げ、実用化につなげや証でも多大な貢献を果たしてくれたおかげで、

革新的シミュレーション研究センター

細隙部を含めた多段遠心ポンプの内部
流れの Wall-Resolved LES
実施機関：荏原製作所、九州大学、東京大学

直接研究開発に反映するという点で非常に大き限られた研究費のなかで想定を大きく上回る成東京大学生産技術研究所

数値曳航水槽の実現と省エネデバイス
による推進効率の向上
実施機関：日本造船技術センター、東京大学

CAE コンソーシアム」が並走するかたちでプロ

今回のプロジェクトに続く、今後の展望についてお聞かせください。

加藤 今後については、これまでの成果をどのように実用化につなげていくかということに加えて、将来の計算機の発展を考慮してどのように展開していくべきかを考えることが必要です。

これまでは計算機は計算が速くなりながら大きくなるという右肩上がりの性能向上を続けてきましたが、今日のハードウェアの発達状況をみると、より早い計算とより大きな計算を同時に達成することが難しくなっています。そのなかリアルワールド自動車空力性能の予測
実施機関：神戸大学、理化学研究所、
山梨大学

テーマ
５

リアルワールド自動車空力音予測
実施機関：豊橋技術科学大学、神戸大学、
理化学研究所、東京大学

HPCを活用した
自動車次世代CAEコンソーシアム

テーマ
４でコストパフォーマンスも考えながら、いかにして実用化を進めていくかが大きな課題です。
そのためには、HPC を産業界に展開するといった実用化にフォーカスした新たな研究開発の実施体制について議論していかなければならないと考えています。その上で、われわれ研究者には、高度なアプリケーション開発だけでなく、コストパフォーマンスを高めていくハー

ドウェア寄りの研究も必要になるでしょうし、
シミュレーション解析全体を俯瞰できるよう▲ 図1 「富岳」を利用した革新的流体性能予測技術の研究開発
画像提供／日本造船技術センター（テーマ1）、飯田・宮澤他 2018年数値流体力学シンポジウム（テーマ5）

2

計算工学ナビ Vol.24

な新しいプラットフォームの構築も求められるでしょう。

「富岳」成果創出加速プログラム 「富岳」を利用した革新的流体性能予測技術の研究開発

研究開発成果の概要 ◉ 実証研究テーマ ❶数値曳航水槽の実現と省エネデバイスによる推進効率の向上
ために新たにハブに省エネ付加物を装着するこされないという結論が得られ、この結果は今後、

このシミュレーション結果を見て、なぜ、ハブ航船の開発時に活用されるものと思われます。

とも考えられます。しかしながら、われわれは、

一般財団法人日本造船技術センター
技術開発部技術企画課

西川 達雄 課長

渦は左舷下方にきてしまったのかを考えさせらについても尺度影響を調べているところで、こいこともないのですが、シミュレーションで得らとを期待しています。また、将来的にはここ

ろうと思えば実験的に試行錯誤しながらやれなれた全ての流場情報を使って、全体を俯瞰する

れについては更なる新しい知見が得られるこで得られた知見をもとに、何らかの縮約モデ

ルや壁関数などを使った船舶用シミュレーショ

考えたのでした。ここでは誌面の都合上、詳し

ン技術の構築を行い、実船の直接シミュレー

調節することによって、フィンの取り付け角や形

えています。

われわれのグループでは10年以上前から数値

く書けませんが、結果的に、ハブと舵の距離を術に関する研究開発を行っており、その技術は状を変更することなく、また、新たな付加物をほぼ完成しました。コスト的には、まだ数値シミュ

現在は自航要素（プロペラと船体の干渉係数）

れざるを得ませんでした。上述した改良は、やことによる本質的な改良案が得られるはずだと

シミュレーションによる曳航水槽試験の代替技

ゼロエミッション船の開発に関連する低速運取り付けることなく、改良することができること

レーションの方が高くなるため、代替はされてがわかりました。

所、CFD (Computational Fluid Dynamics) ベ

による可視化が、設計を行う上で非常に強力なションにつなげていけることができればと考●●●かなり簡略化した結果のみを示してきました

が、プロジェクト全体ではさまざまな結果が得

今回は、「富岳」を使ったシミュレーションられており、その経験から多くの副産物、すな

武器となることを実証できましたが、全ての設した。例えば、省エネ付加物の繊細な挙動を再実験(曳航水槽試験 )は、基本的には抵抗力なが高いという造船所もあります。そこで、われてこれまで考えられていた以上に厳しい条件を視化を目的とした実験には非常に大きな追加コ

軽に使える RANS (Reynolds-averaged Navier-

た、船型やレイノルズ数によっては、船首船底たLES でなければわからない現象を切り分ける

見、またその再現にはこれまで曖昧にしてきた

効率的にRANSとLES の使い分けができるよう

ウを得ることができました。さらには、上述のいませんが、現在はターボ機械協会や国内造船

ンダと共同でシミュレーションの利点を活かした本技術の活用を進めています。

どの力を求めることが主な目的です。流れの可ストがかかる一方で、シミュレーションは追加

コストなしで全ての流場の情報が手に入ります。

計において「富岳」を利用することはハードル

われは、このテーマを使って、設計現場で気Stokes) 法が再現できる現象と「富岳」を使っこの利点を有効活用するため、われわれは、最ことも行っています。これによって、設計者はマを選びました。

になるものと期待しています。

初のステップとしてはかなりチャレンジングなテー
近年、省エネ付加物はほとんどの船に装備されつつありますが、実験的なアプローチでは、プロペラ後方の複雑な流れのなかにある省エネ

付加物の効果と、その流体力学的メカニズムを理解することは現実的には不可能です。わわれ

われは別途実施している船型研究会において実験的にわかっていた、以下のプロペラ後方の付●●●もう一つのテーマとして、船舶性能の尺度影響に関する調査を行っています。全長が4.4 mと８.1 m の２つの相似模型船を、国内の造船所の２つの曳航水槽で実験しました。これまでは船体抵抗係数 CT=(1+K)CF+CW で表すことがで

わち、シミュレーションのノウハウが得られま現するためには、オーバーセット計算法につい課さなければならないことがわかりました。ま
剥離渦の影響が顕著になるといった物理的な発境界層外層の計算格子の設計法に関するノウハ

乱流遷移を正確に再現するためには、これまで考えていた計算格子の設計法をアップデートする必要があることもわかりました。

われわれはこれらの経験を通じてバーチャル

水槽が物理水槽を越える瞬間を見てきました。

これらの経験から得られた知見は、デジタルツ
インを社会実装する上で有益なものになると思われます。気象・海象や船舶の状態（リアル空加物をテーマとして選びました。舵にバルブをきると考えられており、形状影響係数 K と造波
抵抗係数 CW は相似模型の場合、同じ値で、尺バルブを装着したものは何も装着しないものとました。しかしながら、今回はこの方法では説よび再現されたデータにもとづき、サイバー空のは何も装着しないものより性能が悪化しました。

尺度影響に関する新しい知見が得られるのでは解撤に至るまでの状態把握や仮想条件下での高装着したものとフィンを装着したものを比べると、比べて若干性能が向上し、フィンを装着したもフィンの設計が間違っていたという結論を得る

度影響は摩擦抵抗係数 CF に現れるとされてい明がつかない結果が得られました。われわれはないかと期待しましたが、LES を使ったシミュ間における物理現象）をコンピュータ（サイバー空間）上で精緻に再現するだけでなく、収集お間上で船舶の設計・建造から運航、保守管理、
精度な試計算を可能とする技術が望まれていまことはできるのですが、どのように設計すればレーションによると、乱流遷移の様子が違うのす。このような壮大な構想の実現のためには、りません。もちろん、フィンはそれなりに正当な回は抵抗予測には4.4 m 模型を使うことは推奨重要になると感じています。

良かったのか、何が問題だったのかがよくわか方法で設計されたものでした。

ではないかということがわかってきました。今われわれの地道な研究成果や開発したツールが結果的にスパコン「富岳」を使ったLES (Large

Eddy Simulation) で分かったことは、ハブ渦が左舷側のフィンの性能、特に翼根部の性能を落としていることでした。これは、結構意外な結果で、フィンの設計では一般的に翼根部は軽視されがちです。図１に示すように、ハブ渦（灰色で示す筒状に伸びているもの）が舵の左舷、フィンの下方（圧力面）にきて、これが悪影響を及ぼしていることがわかりました。改良案としては

フィンの取り付け角度や捻じりを加えるなどの形状改良が考えられます。また、ハブ渦を消す▲ 図１ ハブ渦の様子（左：舵バルブ、中：舵フィン、右：付加物なし）

3

「富岳」成果創出加速プログラム 「富岳」を利用した革新的流体性能予測技術の研究開発

研究開発成果の概要 ◉ 実証研究テーマ ❷細隙部を含めた多段遠心ポンプの内部流れの Wall-Resolved LES
荏原製作所
建築・産業カンパニー開発統括部
技術開発部／技術・研究開発・知的財産統括部 技術・研究開発部

渡邉 啓悦 部長

● 解析対象および解析コード、格子規模

回リファインの格子解像度で軸動力・揚程を過大研究分科会において活動を進めてきました多段遠よる軸動力の過大評価（流路断面積が大きく出口

解析対象は、ターボ機械協会内に設置された心ポンプの流体性能の高精度予測に関するワーキ

ンググループで使用した供試ポンプです。本ワー施しています。

を調査していくことにしています。

ルバーである東京大学生産技術研究所で開発さ

図2は20 %設計流量における前面側室部の瞬時流ファイン機能を具備しており、この機能によりリ性能であることはもとより常に安定した運転を保

3回なら512倍）にすることができます。解析は羽証する、高い信頼性が要求されます。高圧多段ポ

度の狭い隙間内の流れや、羽根車や羽根車下流

約440億格子のWall-Resolved LESとする計画と解析モデルを用い、約8,600万格子規模の初期格

格子解像度を高めていき、3回リファイン時にはのディフューザベーン流路内の流れと複雑な干しました。現在は「富岳」の4,096ノードを使用し、流量運転時のスラスト力の予測には、これらのています。

Large Eddy Simulation (LES) は、計算格子の空● 解析結果について

り大きな渦の非定常な挙動を直接計算するため、結果と比較したところ、設計流量における解析

非定常流れ場に起因する羽根車へ作用する非定評価していることがわかりました。また軸動力も間解像度により決定する解像可能なスケールよ非定常の流れ場をより高精度に予測可能であり、常流体力の予測精度向上に対して、その発生メ

カニズムの解明も合わせて大きな力を発揮すると期待されます。

根車周りの断面を示しています。羽根車と前面のケーシングとの間には赤枠で囲まれた前面側室部

前面側室部内の周方向に羽根車１ピッチ分（１流子から解析を始め、前述のリファイン機能により複雑な流れを適切に予測する必要があります。

動状態を示しています。図中左側には、ポンプ羽根車やディフューザベーンといったポンプの主流機構の設計や適切な軸受選定のために重要です。

渉をする羽根車の側室内の流れがあり、特に低次に低流量運転時の流れ状態を調査しました。

があり、この部分の圧力分布が羽根車に作用する部分に加えライナー部隙間や羽根側室部も含めたポンプには、ライナー部とよばれる100μm程

加え、羽根車に流入する乱れおよび偏流の影響

ファインの実行毎に格子数を8倍（2回なら64倍、ンプはその構造から軸方向に大きなスラスト力が発生するため、このスラスト力の予測はバランス

2回リファインの55億格子規模の解析まで完了し

軸方向のスラスト力を決定します。図中右側には、路分）の領域における流れを半径方向速度Cr と羽根車外周の周速度U2の比Cr/U2のコンターで示しています。コンターの色は、紫色は半径方向内向きの流れ、赤色が半径方向外向きの流れです。
この図が示すように、20 %設計流量では羽根側室内の流れは非軸対称的となり、特に羽根車の外周部に近い領域では周方向に大きく乱れた流れ構造になっていることがわかります。青丸で示したディフューザベーンの位置では、ディフュー
ザからの逆流の影響により羽根車外周部とケーシ

2回リファイン時のポンプ性能の予測値と試験ング間の隙間であるGap Aからの強い漏れ流れが結果は実験値よりもポンプ揚程を5 %程度過大に認められます。このような流れ状態において、羽4 %程度過大に評価していました。

ため、羽根車に作用するスラスト力の変動が設計

図1には2回リファイン時の設計流量における羽根車内の壁面近傍の渦構造を示しています。ここ発生し、羽根側室部に渦を発生させていることが根車の回転とともに羽根側室内の流れも変動する

流量運転時よりも大きくなります。今後、流れ解析結果をもとに、非定常的な流動状態の調査とス

本実証研究テーマでは、理化学研究所に設置

で、HUBは羽根車のハブ面、PSとSSはそれぞ

ラスト力変動の定量的な評価を進めていきます。

100 μmの最小渦スケールまで計算格子により作用する仕事を精度良く予測するためには、各羽といった漏れ流れ流路部を含めポンプのLES 解流れやその結果として決まる水力性能（全揚程・ります。図１が示す壁面近傍の渦構造を見ますと、常の流体力の発生に関わる非定常流れの詳細がるとともに、細隙部内部流れの挙動や、それがには縦渦が発達していることが捉えられ、乱流にされているスパコン「富岳」を利用して、30～
直接解析するWall-Resolved LESを実施し、内部

水力トルク・水力効率）の完全な予測を実現す
性能や信頼性に与える影響を明らかにして、ポンプ設計の高度化に貢献することを目的としています。

▲ 図１ 設計流量における羽根車内の渦構造

4れているFrontFlow/blue（FFB）を利用します。

FFBは計算実行時に計算格子を自動細分化するリ

給水や石油化学・生成、二酸化炭素回収・貯留プロセスなどの各プラントの主要機器であり、高揚程の過大評価が可能性として推察されます。この点については、今後、格子解像度の影響度に解析は、LES（Large Eddy Simulation）解析ソ

多段遠心ポンプは、プラント発電設備のボイラー

速度が小さくなるため）、損失の過小評価による

キンググループでは多段ポンプの最終段を取り上げ、実験結果との比較により解析精度の検証を実● 研究の目的

評価する理由として、ブロッケージの過小評価に計算工学ナビ Vol.24

れ羽根の圧力面と負圧面を表します。羽根車が根面上の乱流境界層を適切に解像する必要があ

負圧面および圧力面近傍を除くハブ面の境界層

遷移していることがわかりますが、圧力面にはそのような縦渦は確認できず、乱流に遷移していない様相を示しています。上記の分析結果より、2以上のとおり、ライナーリングや羽根車の側室析を実施することにより、部分流量運転時の非定

わかってきました。本結果は、ポンプの非定常流

体力の計算に役立てることができると考えています。今後さらに研究を進め、ポンプ設計の高度化に貢献したいと考えています。

▲ 図2 20 % 設計流量における前面側室部の瞬時流動状態

「富岳」成果創出加速プログラム 「富岳」を利用した革新的流体性能予測技術の研究開発

研究開発成果の概要 ◉ 実証研究テーマ ❸圧縮機サージの直接解析

九州大学大学院
工学研究院機械工学部門

古川 雅人 教授

▲ 図１
マイルドサージ発生時のリサージュ曲線● 研究の目的について● 圧縮性DES流れ解析コードおよび解析対象について

航空機エンジン用ガスタービンの主要構成要素でから、稠密な計算格子を用いたLES（Large Eddy

圧縮機は産業用および発電用ガスタービン、あり、また石油精製プラント、化学プラント、天然ガスプラント、製鉄プラントなどの各種プラン

トの心臓部としての役割を果たすとともに、空気源やターボ過給機などにも用いられており、圧縮機は工業上極めて重要なターボ機械のひとつであります。一般に、圧縮機を含むシステム（管路系）
では、流量が減少すると流れの不安定現象としてのサージが発生します。サージが発生すると、流速や圧力が管路系全体にわたって大きく変動する

結果、圧縮機の運転が不可能になるだけでなく、管路系を構成する機器に損傷を与えることもあり、サージは回避することが不可欠な現象です。特に、発電用ガスタービン、航空機エンジン用ガスター

ビン、および各種プラントでは、それらシステムの安全性・信頼性が高いレベルで要求されることから、圧縮機サージの予測は極めて重要な技術と位置づけられています。さらにプラントでは、サージを回避するために、必要以上の容量の抽気用バルブを設置せざるを得ないことがあり、圧縮機

サージの予測は信頼性向上の観点のみならず、コスト低減の観点からも重要となっています。

圧縮機サージの予測は工学的に極めて重要な問題ですが、圧縮機サージは圧縮機羽根車での失速現象と配管系まで含めたシステム全体にわたる流体振動現象がカップリングして発生する現象であり、両現象を支配する特性時間のスケールが大きく異なる（時間スケール比が3桁以上異なる）

マルチスケール問題であることから、非定常三次

元数値解析により圧縮機サージを予測することは未だに実現できていませんでした。

以上の観点から、本研究テーマでは、圧縮機本体だけでなく、それが設置される配管系まで含めたシステム全体を計算領域とし、圧縮機羽根車での失速現象を再現できるほど短い時間刻みを▲ 図2
ディープサージ発生時のリサージュ曲線の損失係数Ktを徐々に増加させながらサージ初生を再現しますが、そのKt の値を図１中に示し

圧縮機サージはマルチスケール問題であることています。Kt = 1.8において、逆流を伴わずに流Simulation）解析を実施することは現実的であジの初生が現れました。実験で得られたマイルりません。そこで本研究テーマでは、限られた計算格子数ではく離を伴う複雑な渦流れ場を正確に捉えるために、LES解析とRANS（Reynolds-

量や圧力の長周期変動が発生するマイルドサー

ドサージ初生の発生範囲を図中にグレーの網掛けで示していますが、DES 解析の初生点とよく一致していることがわかります。また、図中に赤Averaged Navier-Stokes）解析の利点を取り入れ

い実線でマイルドサージ発生中における流量と二方程式乱流モデルに基づいた圧縮性DES流れが（図中の下部に拡大図を表示）、流量および圧を中核とするHPCIシステム利用研究課題」におことを別途確認できました。同拡大図中には、Ktありますが、「富岳」で利用するにあたって、高れ青線、緑線および黄線で示しています。さらに、たDES 解析を実施しました。具体的には、k-ω
解析コードを利用しました。当該コードは、「『京』

いて九州大学を中心として既に整備されたもので圧力の変動を表すリサージュ曲線を示しています

力の変動周期と振幅が実験結果と一致している= 1.26, 1.4, 1.6におけるリサージュ曲線をそれぞ

度情報科学技術研究機構（RIST）による高度化

マイルドサージの発生時における非定常現象はジナルコードと比較して「富岳」上で約90倍の高に支配されていることが明らかになりました。

ターボ機械協会内に設置された研究分科会に

係数 Kt をさらに増加させると、Kt = 7.5におい支援を受け、コードのチューニングを行い、オリ速化を達成しています。

圧縮機羽根車先端部での逆流領域の周期的変動
マイルドサージ初生点から流量調整弁の損失

おいて、圧縮機のサージに関する非定常計測をて逆流を伴うディープサージの発生が現れまし

マではその分科会で使用した供試圧縮機と同じ

ジュ曲線を、図２中の赤い実線で示します。図中

圧縮機と配管系まで含めたシステム全体を対象

びDES 解析から得られた時間平均の全体性能を

入口上流の大気開放領域まで含めて計算領域を幅が実験結果とほぼ一致しており、ディープサー

約10年にわたって行ってきましたが、本研究テー
遷音速遠心圧縮機を解析対象としました。当該とし、配管入口が大気開放であることから、配管た。その際の流量と圧力の変動に対応したリサーの黒および緑のシンボルは、それぞれ実験およ
表しています。流量および圧力の変動周期と振設定しました。一方、圧縮機下流側の配管系はジ現象を正しく捉えていることが確認されました。

境界では弁損失モデルを導入し、弁の損失係数

現象を詳細に調べた結果、羽根車先端部の逆流

流量調整弁までを計算領域とするとともに、流出（Kt）を調節することにより流量を制御してサーディープサージサイクル中における非定常流動

領域は周期的に極めて大きく変動し、配管入口

ジ初生を再現しました。計算格子は全てH 型のまで到達すること、竜巻状の大規模なはく離渦数は約９億に設定し、時間刻み幅はDES 解析でとともに羽根車出口側に移動した後に、逆流発構造格子で構成し、計算領域全体の総計算セルあることを考慮して、羽根車の1 回転当たり1,200
ステップとなるように設定しました。

が羽根車の負圧面上から形成され、流量の減少

生の直前にハブ面上に到達し、逆流発生時には複数の翼間において形成されること、サージサ

イクル中においてもディフューザでの旋回失速の設定するとともに、システム全体にわたる長周期● 世界で初めてマイルドおよび
ディープサージの直接計算に成功

プ数にわたってDES（Detached Eddy Simulation）

現した結果を示します。図中において、横軸はしてDES 解析を実施することにより、マイルド上で実施することにより，圧縮機サージの初生（マの四角シンボル付きの実線がDES 結果、黒い破た。これは「富岳」を利用することによって世界に至る非定常流動現象を解明し、圧縮機サージ

れマイルドサージ初生点の流量と全圧比で無次の空力設計技術の向上に大きく貢献できることの流体振動現象を捉え得るほど膨大な時間ステッによる非定常三次元流動解析をスパコン「富岳」
イルドサージ）から、逆流を伴うディープサージの予測技術を確立することを目的としました。

図１は、サージの初生（マイルドサージ）を再質量流量を、縦軸は全圧比を表しており、黄色

線が実験結果です。図中の横軸と縦軸はそれぞ元化されています。本DES 解析では流量調整弁発生が認められること、すなわちサージと旋回失速が共存していることが明らかになりました。

以上のとおり、圧縮機を含む配管系全体に対およびディープサージを再現することができましで初めて得られた成果であり、本成果は圧縮機が期待されます。

5

「富岳」成果創出加速プログラム 「富岳」を利用した革新的流体性能予測技術の研究開発

研究開発成果の概要◉ 実証研究テーマ ❹リアルワールド自動車空力性能

複雑現象統一的解法フレームワークCUBE
による自動車空力性能・空力音予測

から、自動車コンソーシアムの重要な課題として取り上げられていました。シミュレーション

としてのこの問題の難しさは、車体表面の微小なギャップ等から発生することから、実車体に匹敵する各段に高い形状再現性が求められるこ

神戸大学大学院 システム情報学研究科／
理化学研究所 計算科学研究センターとと、気流と音波が連成することで発生することから、広帯域音の予測に汎用的に用いられて

坪倉 誠 教授 / チームリーダー

いる非圧縮性流体と音波の分離解法では予測が不可能であり、圧縮性解法に基づく気流と音

われわれのグループでは、リアルワールド自動車空力シミュレーションと空力音シミュレーションの一部を担当し、研究開発を進めてきました。本課題は理化学研究所および産学連携「HPC を活用した自動車次世代 CAEコンソーシ
アム」の活動の一環として行われました。
●●●

ソフトウェアとしては、理化学研究所計算科

波の直接解析が必要になることです。図2左にに、一様流（風洞を想定）に対して空気抵抗に「京」を用いて空間解像度0.1 mm で解析した結により、ドライバーの修正操舵や変動風を考慮向けて進行する気流が車体表面から剥離し、エどの程度の影響があるかを評価しました。これ

果（変動圧力）を示します。図左下から中央にすることで、空気抵抗が数 % 大きくなることをンジンルーム内の壁に衝突することでフィード

どこに起因するのか、さらには流れとの関係に音の予測には成功しています。しかしながら風明らかにするとともに、その差異が車体表面のついても調査を行いました。変動風モジュールの問題点として、車体設置場所で主流方向に対バックがかかる様子が再現されており、狭帯域

洞実験での対策等から、剥離したせん断層が右上のボンネットの先端に衝突することでフィー学研究センターで2012年より開発を進めている

して圧力勾配が発生することから、その補正方

ドバックがかかることが想定されており、実際、いています。CUBE は階層直交格子をデータ構可能となっています。このようなフレームワー

なっていました。図2右に示す通り、「富岳」を複雑現象統一的解法フレームワークCUBE を用法についても検討し、さらに精度の高い予測が造として採用し、物体壁面を埋め込み境界条件

クを実際の設計開発現場に適用することで、将能とするとともに、スパコン「富岳」での性能チューの実現につながればと思います。

でモデル化することで、超高速な格子生成を可ニングを容易にしています。ここではこのCUBEと、
マルチボディダイナミクスシミュレーションソ

来的には変動風に対してもロバストな低燃費車●●●

リアルワールド空力音予測では、ボンネット

発生する音の周波数は実験とやや異なる結果と用いて解像度をさらに0.05 mmに高めることで、想定した流れ場が再現されていることがわかり

ます。

●●●

以上のようなリアルワールド評価が CADデー

フトProject Chronoをカップリングすることで、と車体の間の微小な隙間から発生する狭帯域音

タの段階で予測できるようになると、自動車の性を含む自動車の複雑な運動を車体周りの空気にその結果を示します。狭帯域音の発生は、自らには空力音といったさまざまな性能に対する試作車が完成する設計開発の最終段階で確認さとコスト削減に大きく寄与するのみならず、そ計画の遅れを引き起こすことから大きな問題とり明らかにすることで、より性能の高い自動車

サスペンションやステアリング機構、タイヤ特の流れと連成させて解析することを可能としま

した。また、支配方程式として流体の圧縮性をに着目し、その予測にチャレンジしました。図2

動車の品質問題の1つとして重要ですが、現状は直接解析する運動方程式を採用することで空力れることが多く、場当たり的な対策による開発

るような問題への対応を可能としました。さらに、なっています。従ってこの課題は「京」の時代

音を直接解析し、これにより気流と音が連成す

リアルワールド評価を実現するために、大気の設計開発の上流段階で、燃費や操縦安定性、さ包括的な最適化が可能となり、開発期間の短縮の物理メカニズムをシミュレーション結果によの開発が可能になると期待されます。

変動風の乱流特性（例えば積分長さや強度）を再現するモジュールを開発しました。変動風については、車体上流に翼列を配置し、翼のピッチ運動を制御することで乱流特性の制御を行っ
ています。

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このフレームワークを用いて、乱流変動風を直進走行する自動車に作用する空力抵抗の予測や、レーンチェンジ時における大気変動風の影

響を明らかにしました。このようなリアルワー▲ 図1 リアルワールド燃費評価の一例（車体周りの流速分布）。ここではドライバーの修正操舵や変動風による車体の運動やホイールの回転等を考慮している。
（左：一様流中、右：変動風中）
協力：本田技術研究所

ルド評価では、車体の六軸自由運動に加えて、ホイールの回転や前輪舵角の変化、さらには仮想的なドライバーを実際に操舵させることで、

直進走行時の修正操舵やレーンチェンジ時のア

クセル・ブレーキ操作も再現しています。対象とした車両は、開発時に用いられる形状データを用いることで、エンジンルームや車体床下等の複雑形状を再現しています。
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図1はその一例として、リアルワールド燃費評

価を示しています。ここでは直進走行する自動車に周囲気流に対して大気乱流を模擬した場合

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計算工学ナビ Vol.24▲ 図2 ボンネットと車体の隙間から発生する狭帯域音予測の例（変動圧力の分布）（左：空間解像度0.1 mm、右：空間解像度0.05 mm）
協力：スズキの予測◉ 実証研究テーマ ❺リアルワールド自動車空力音予測

格子ボルツマン法による空力音響解析ソフト
ウェア FFX による自動車空力音予測ら、本プロジェクトでは、FFX を用いた自動車
周りの空力音響解析を実施しました。FFX は格子ボルツマン法に基づく流体解析アプリケーションであり、FFBとは異なり流れ場と音場を同時解析します。しかし、前述したように自動車の設計開発では流れ場と音場を分離したいという

豊橋技術科学大学 工学部機械工学系

要望もあります。このため、波数・周波数スペ

飯田 明由 教授

クトルを用いた流れ場と音場の分離技術、FFB、
FFB-A の解析結果とFFX の比較が重要な意味を

実証研究テーマ5では，自動車空力騒音の予を行っていましたが、この方法の場合、音源近実証研究テーマ４と同様、産学連携「HPC を活という問題がありました。本プロジェクトでは測に関する研究開発を進めています。本課題は用した自動車次世代 CAEコンソーシアム」の活動の一環として行われました。
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ソフトウェアとしては、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で加持ちます。格子ボルツマン法を自動車空力音解

析に活用するメリットは、直交系アプリケーショ

傍では流れ場と音場を分離することができないンのため、格子生成が容易な点、解析アルゴリ

Lighthill 方程式の圧力変動を流体成分と音響成が律速される傾向の現在の HPC に適した手法

分に分離した Acoustics Perturbation Equation（APE）を用いて車両近 傍の音場のみを抽出
し、構造振動解析の加振源とするシステムを開発しました。図1に APE を用いた解析と従来のズムが単純であり、メモリアクセスに解析時間である点です。格子生成が容易であることは自動車などの設計解析では非常に重要です。FFX

で は、 設 計 用 の STL（Standard Triangulated

Language）があれば簡単なスクリプト処理で

藤千幸教授により開発された有限要素法乱流

Lighthill 音源を用いた解析結果の比較を示しまFrontFlow/blue-ACOUSTICS（FFB-A）及び新た流による変動成分があるのに対して、APE ではなどの細かい部品を含む詳細 STL でも5時間程

解析ソフトウェア FrontFlow/x（FFX）を使用

また、解析によって得られた流れ場、音場の波

アルゴリズムが簡単で解析速度の速い FFX でて多くの実用問題に適用されており、本研究グる流れ場と音場の特徴を抽出するとともに、波車車内騒音の予測を「京」コンピュータを用いりやすい圧力変動やその部位を同定しました。

音場解析ソフトウェア FrotFlow/blue（FFB）、に開発された格子ボルツマン法による空力音響

しています。FFB は大規模乱流解析ソフトとし
ループではスズキと共同で流れに起因する自動て実施した実績があります。
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本課題では本田技術研究所と共同で、車両す。Lighthill 音源を用いた場合は車両近傍に乱音場のみが抽出されていることがわかります。

解析格子を生成することが可能です。流体解析用の車両モデルであれば1時間程度、エンジン
度でメッシュを生成することが可能です。計算

数・周波数スペクトル解析を行い、加振源であは、スパコン「富岳」を使うことにより1,500億

数空間での振動、音響伝播特性から車内音にな

計算では1兆2千億格子の解析が可能なことも確●●●流れに起因する車内騒音の予測では、車両格子程度の解析が簡単に実施できます。テスト

認されました。図2に FFX による自動車から放射される空力音の解析事例を示します。最小格

子サイズは0.4 mm、格子点数は約1,500億です。

周りの流れ場、外部空力音、車体の構造振動、

FFX を使用することにより流れ場と音を同時にた車内騒音予測に取り組んでいます。車両近傍

は、流れ場と外部音の解析は FFB、FFB-A、構なっていたデータ処理部分が簡単になりました。

よって発生した空力音によるものが混在してい

ADVENTURE、車内騒音はFFB-A を使用してい周りの流れにより発生した空力音も加振源としの圧力変動は、流れ場による圧力変動と流れに

車室内音場を解析する必要があります。従来

造振動は東京大学・吉村 忍教授が開発した解析できることから分離解法でボトルネックと格子生成も容易なことからさまざまな問題に適用することが可能なことが確認されています。

ます。流れ場と音場に起因する車内騒音のそれました。FFB、ADVENTURE は時間領域の解析

FFX を活用することにより自動車などの複雑な対策がしやすくなることから、両者を分離する

空力・構造振動・音響強連成解析を用いた車内ことから、多くの設計者に活用していただける

ぞれの伝達経路や寄与を分離できると振動騒音方法が検討されてきています。従来のFFB-A では Lighthill テンソルを音源とした空力音響解析

ですが、FFB-Aは周波数領域の解析です。将来、騒音の完全な再現を実現するためには、すべての解析を時間領域で実施する必要があることか製品の開発が従来よりも簡単に精度良く行えるのではないかと考えています。

◀ 図2
格子ボルツマン法（FFX）を用いた自動車空力音解析結果（格子解像度0.78 mm、1553
億格子、プリ処理時間1時間25分）。
協力：本田技術研究所▲ 図1 自動車から放射される空力音の解析結果（上：Lighthill 音源、下：Acoustic Perturbation Equation）
協力：本田技術研究所▲ 図2 格子ボルツマン法（FFX）を用いた自動車空力音解析結果（格子解像度0.78
mm、1,553億格子、プリ処理時間1時間25分）
協力：本田技術研究所

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今号の表紙

格子ボルツマン法を用いた自動車空力音解析結果「富岳」成果創出加速プログラム「『富岳』を利用した革新的流体性能
予測技術の研究開発」では、格子ボルツマン法に基づく流体解析アプ
リケーション FFX（FrontFlow/x）を研究開発し、自動車空力騒音予測へ適用して、その有用性を実証しています。表紙の画像は、1,500億を超える大規模解析により得られた自動車から放射される空力音の解析事例です（協力：本田技術研究所）。FFX を活用することにより工業製品等の複雑形状周りの流れと音を短時間で予測することができるようになりました。
豊橋技術科学大学工学部機械工学系 教授 飯田 明由

編集後記
今号では、今年度が最終年度となる「『富岳』成果創出加速プログラム」の課題の 1つである「『富岳』を利用した革新的流体性能予測技術の研究開発」の、研究開発の成果を紹介しています。この課題では、スパコン「富岳」の高い計算性能をいち早く成果に結びつけることをめざし、エネルギー産業の心臓部となる「ターボ機械」および輸送産業の中核となる「自動車」を対象とした 5つのテーマに対して実証研究を行ってきました。これまでの 3年間の研究開発で得られた成果の展開により、ものづくりの在り方が抜本的に変革されることが期待されます。

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計算工学ナビ Vo l.24
発行日： 2023年3月1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