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

Vol.

3

Quarterly News Letter Spring 2014

宇宙航空研究開発機構 JAXA

多目的設計探査の新展開
ものづくりの現場から

電力中央研究所

ソフトウェアライブラリ

FrontFlow / red

提供：JAXA/JOE NISHIZAWA

計算工学ナビ・レポート

ものづくりに革新をもたらす
多目的設計探査の新展開
あちらを立てればこちらが立たず……そうした設計上のトレードオフを解決に導く手法として期待されているのが多目的設計探査です。JAXAでは宇宙探査機の軌道設計やロケット発射場の構造物の設計に関する研究にこの手法を取り入れ、計算によって優れた知見を得るノウハウを磨いています。
ロケット打ち上げ時、衛星が納められたフェアリングには大きな振動が伝わる。ジェットやジェットから発生する音が地面

宇宙航空研究開発機構（JAXA）
宇宙科学研究所
宇宙飛翔工学研究系

大山聖 准教授からもっとも適した解を選ぶことになる。図１
大山氏らの研究室では、解の探索は多目的進化計算を使って行う。最初の解の集団の中から性能が優れた個体を選択しに反射して発生する大音響によるものだ。
従 来の射点はジェットを逃がすため単純な斜面になっていて子供集団を作り、性能を評価する。そしてまた優れたものをる。振 動をさらに抑えるためには発 生する音をフェアリングに選ぶという過 程を繰り返すことでより最適 解に近づけていく集中させない形状が望ましい。射点壁面が受ける圧力を小さく手法だ。問題は計算コストである。必要ケース数と目的関数のすることも重要だ。だが、あまり複 雑な形 状にすると建設コス

評 価にかかる時間の積で計算コストは決まる。今回は50 個体トが増す。すなわち相反する設計目的を満たす最適解を探す必の集団で50世代、つまり250 0ケースの計算を行った。各ケー要がある。

スで行う処理はラージ・エディ・シミュレーション（LES）に基

このような問題を「多目的設計最適化問題」といい、求められた最適 解の集合（データベース）から設 計に役 立つ有効なづいた高精度な空力音響解析である。京コンピュータの約7%（6500ノード）を使って約2週間の計算時間となった。

知 見を得ることを「多目的設 計 探 査 」という。今回は「京」を大山氏らは二つの方向で研究を進めている。一つは6目的程使って多目的設計探査を行っているJA X Aの大山聖氏に話を度までの最適化問題を解くこと。もう一つは目的関数の評 価伺った。に必要な時間が大きい問題を解くことである。

トレードオフの関係にある複数の設計目的を満たす解を探

前述の空力音響特性の研究は後者にあたる。多目的設計探すとき、実際に設計可能な領域の限界面をパレート面といい、査の結果、壁面圧力と音圧レベルに関してはトレードオフがなパレート面上の解をパレート最適解という。パレート最適解といこと、そして追加計算も加えて考察したところ、ジェットが衝は、ある目的を改善するためには他の目的で妥協せざるを得な突する付近の斜面形状を少しだけ変えたものが一番静かであい解のことである。実際の設 計はこのパレート最適 解の集合ることが分かった。LESと多目的進化計算により、従来は試行

5040302010世代＝1ロケット射点形状の進化計算のようす。
黒い斜面の曲線がそれぞれ少しずつ異なるのが分かる。Bスプラインで定 義された射点形状の違いによって、発生する音響波がどう変化するのか、ひとつひとつLESによる音響解析を行いデータベース化 する。実 際 の 計 算 は 2 5 0 0ケースなので、ここに並べたケース数の25倍である。

提供： JAXA

詳しい解説ビデオがYouTubeで公開されています。https://www.youtube.com/watch?v=Y2bo5CbXQ3w

1

深宇宙探査技術実験ミッション DESTINYの軌道①イプシロンロケットで打ち上げ④ハロー軌道に投入③月スイングバイ②イオンエンジンで加速

散布図行列可視化ツール「iSPM」
を使うと、インタラクティブに⑤ハロー軌道を離脱

設 計 空 間を可 視 化することができる。W i n d o w s 版が 下 記のページで公開されている。
http://ﬂab.eng.isas.jaxa.jp/monozukuri/mode/

錯誤的にならざるをえなかった空力音響設 計がより効果的に大山氏らは解の優劣を見るときに参照点からの距離などをできること、すなわち騒 音問題における設 計最適化が 可能に使ってランク付けを行うという新しい手法を用いることで計算なったことを示した意義は大きい。

コストを削減し、従来手法では見つけられなかった日陰時間が1時間以下となる解を発見した。この知見は実際の軌道に活か6関数のトレードオフを解くされる予定だ。いまのところ打ち上げ 時期は年末年始の夜中頃になりそうだという。

もう一つ、大山氏らが新たな手法を開発しながら取り組んで2 014 年度からは京を使って、さらに大 規模な人口サイズのいるのが 宇宙機の軌 道 設 計への多目的設 計 探 査の応用であシミュレーションを進める予定だ。今回開発した距離によるラる。具体的には2018年の打ち上げを目標としている深宇宙探

ンク付け手法は並列化にも適しているため、人口サイズを非常査技術実験ミッション「DESTINY」の軌道設計である。に大きくすることも可能だ。

DESTINYはイプシロン・ロケットで打ち上げた後、地球を周回しながらイオンエンジンで加速、月を経由してハロー軌道ツールの提供とさらなる事例の蓄積へ投入される。イオンエンジンは化学エンジンに比べて推力が弱いため、新しい発想の軌道設計が必要だ。バッテリーを軽くJAXAは最適化データベースの目的関数のトレードオフ関係するため、太陽電 池が日陰で発電不能となる時間は短くするなどを調べるための 解 析支 援ツールをネット上で公 開してい必要がある。放射線帯であるヴァン・アレン帯は素早く通り抜る。特に多次元のデータベースを可視化するには目的関 数同けたい。月にも早く到達したい。こうした要求から設 定された士のトレードオフなどが見える散布図行列がわかりやすく使い目的関数は6つあり、そこから最良の設計変数を導くために多やすいという。
大山氏らは他にも、プラズマアクチュエータによる航空機の目的最適化問題を解くことになる。
従 来の多目的最適化問題では、目的関数が増えると、ほと翼の抵抗最小化と揚力最大化、自動車タイヤの表面形状設計んどの解が何かに優れていることになってしまい、最適化が進による車体空気抵抗の削減、高速鉄道車両の騒音を軽減するまなくなる問題があった。そのため4目的以上の問題で満足で設計手法の開発といった問題にも挑んでいる。多目的設計探きる解は求めることが難しかったという。

査を用いることで、従 来の経 験が及びにくい領域でも理論的な設計が可能となる。

演 算性能

図1

実行可能領 域（設計できる）

パレート最 適 解（非 劣解）「多目的探査で日本のものづくりを革新したい」と大山氏は語パレート面

る。多目的設 計 探 査によって得られる理論に裏付けられた知劣解見を設計者にフィードバックすることで革新的なものづくりを実行不可能領域（ 設 計できない）実現したいという。京クラスのコンピュータが企業でも使われる2020年代には、多目的設計探査はより一般的になり、設計の現場でも活用が可能となるだろう。その日に向けて大山氏ら軽量化（モビリティ）の研究開発は進められている。

2

ものづくりの現場から石炭火力発電の明日をささえる
微粉炭乱流燃焼シミュレーション

電力中央研究所

一般財団法人電力中央研究所（電中研）
は1951年に創設された電気事業者の共同研究機関。分野ごとに分かれた8つの研究所に在籍する約700名の研究者がエネルギーと環境の諸課題に取り組んでいます。今回は横須賀のエネルギー技術研究所を訪ね、石炭火力発電の技術開発におけるシミュレーションの貢献について取材しました。
はじめに電中研の成り立ちと活動の方 針について、エネルギー技術研究所の渡邊裕章氏に聞いた。

ることができれば、地球規模の環境問題に対する貢献にも繋がるだろう。

「国内の電力会社が売り上げの0.2%を出し合い、電中研はそれを研究の資金として活動しています。電力会社のニーズ、そ世界初の微粉炭燃焼シミュレーションして社会一般のニーズを調査をしたうえで課題を設定し、優先順 位の高いところから研究開発を進めていきます。研究 施設

それでは、古来より使われているこの燃料にはどういう難しは４つの地区に分かれていて、横 須 賀ではおもに火力発電、さがあるのだろうか。

送電、材料に関する研究が行われています。我々は民間の 研「石炭は反応が遅いのです。木にライターの火を近づければす究機関なので、社会 情勢に大きく左右されるというか、そこにぐに燃えあがりますが、石 炭はいくら火をつけても燃えませ貢献していかないといけません。たとえば、火力でいえば、新ん。そこでまず40ミクロンくらいの大きさに砕きます。そうするしい技術を開発するだけでなく、今ある設備を安定的に安く動と燃えやすくなる。これを微粉炭といいます。微粉炭と空気をかす研究にも力を割いています」

高さ6 0メートル、幅と奥行きが3 0メートルほどのボイラへ、側

渡邊氏の研究テーマは、石炭火力発電で使われる微粉炭燃面に設けられた3 0〜4 0基ほどのバーナーから送り込むと、微焼ボイラーの設 計と運 用にシミュレーションを適 用すること

粉炭はそのなかをぐるぐる回りながら燃えます。上昇した火炎だ。国内の発電量の26%が 石炭火力発電（2013年1月・資源がまたバーナーに戻ってくる循環流という動きを作ることも重エネルギー庁調べ）という状 況にあって、その効率、安定性、要で、バーナー内部の案内羽根による旋回や炉内全 体のバー環境安全性の向上は重要な課題である。

ナー配置などで流れをコントロールして、燃焼の効率を上げて「世界の石炭需要は右肩上がりで、価格も高騰しています。よいきます。ただ、燃焼効率を上げると、燃焼の結果発生する有り安い石炭を、今までと同じ効率で発電に使いたい。しかし、害な窒素酸化物（NOx）も増加します。燃焼効率を上げるには安い 石炭は品質が悪く、燃えにくいだけでなく有害物 質が大温度が 高いほどいいのに対し、NOxを減らすには温度を低く量に出る可能性があります。安い石炭ほど、技術がないと使えするほうがいいという二律背反の関係があるのです」
これまで電力会社やメーカーは経験的な手法でこの問題にないのです」
世界全体における石炭火力発電の比率は40％を超え、中国当たってきた。渡邊氏らの目標は、コンピュータシミュレーショやインドのように 6 0 ％を上 回 る国 も 存 在 する（ 2 0 1 0 年・ンの導入によって手探りの状 態から脱し、最良の設 計を理論OECD調べ）。他国が 避ける低品質な石炭を活用することの的に見つける手段を確立することである。

経済的メリットは大きい。また、そうした技 術を海 外に展開す現在は実 用化が射程に入った段階といえる。10年に及ぶ研実機を対象とする微粉炭の燃焼シミュレーションは世界初の試みです

電力中央研究所
エネルギー技術研究所
渡邊裕章 上席研究員

微粉炭火炎

横須賀にあるマルチバーナー燃焼試験炉3石炭（微粉炭）の燃焼過程

絶対流速と流速ベクトル分布

ガス温度分布

微粉炭を急速加熱
2段燃焼用
空気流入口
揮発

ガス温度[K]

揮発分の燃焼

1913

バーナー

1273

チャーのガス化
バーナー
高さ11メートルの燃焼器

チャー燃焼を想 定したシミュレーショ
ンの 結 果 。バーナーは3
色は温度ではなく流速を表している（赤は15m/s）。

段。右上が排気口。実験

上昇する流れだけでなく、渦を作って下降する流れをとの誤 差は5％程 度と実認めることができる。

用レベルに達している。

究開発は前例のない難問を解くところから始まった。その難しが得られることが望ましい。渡邊氏はエクサスケールの時代にさの根本は、ボイラ内の乱流と微 粉炭 燃 焼という2 種 類の 複入れば産業界の要望に応えられると考えている。

雑な現象を同時に解く点にある。
「まず着目したのがラージ・エディ・シミュレーション（LES）

電力の安定供給に果たす役割という乱流の計算手法です。LESを使えば実用的な計算負荷に抑えながら高い精度を実現できることが分かりました。難し

今後、石炭火力発電の 分野でシミュレーションが貢 献する

いのは、それと微粉炭の燃焼をマッチングさせることです。石

余地は大きい。キーワードはコストと安定性だ。

炭は暖められると熱分解を起こして、可燃性ガスとチャーと呼「電力会社は導入したボイラーを40年から50年、使い続けなばれる固体に分かれます。つまり、ガス燃焼と固気反 応といういといけません。しかし、その間にどんな石炭を使うかは分か2種類の燃焼が共 存する場なのです。さらに、それらは組成がらない。石炭は産地が 違えば性質もまったく異なります。もし一定ではありません。熱の履歴によって組成が変化するので、かしたら、石炭以外の燃料も燃やさないといけないかもしれな

フレキシブルな表現にしておかないと計算がうまくいかなくな

い。でも今は燃やしてみるまで正確な燃 焼 効率や排出物の量る。こうした極めて複雑な現象を表すことができる乱流燃焼モは分からないのです。未知の燃料を使って設計を超えた領域デルを、京都大学の黒瀬良一先生と試行錯誤しながら見つけで運転した結果、装置の調子が悪くなっても現場の勘で対応出しました」

するしかない。コンピュータ上で性能や安定性を評 価できるプ

渡邊氏らがSSFRRM（Scale Similarity Filtered Reaction Rate

ラントシミュレータに興味を持つ電力会社は多いと思います」

Model）と呼ぶ乱流 燃焼モデルの導入によって、はじめて巨大今後、比 率が 高まると予想される再生可能エネルギーを補なボイラ内を乱流状態で飛散する粒子とガスの燃焼過程を記完するために、石炭や天然ガスを燃料とする火力発電 所の技述することが可能になった。

術革新が必要とする見方もある。

実 装 に 当 たっては 、L E S ベースの 流 体 解 析 プ ログラム

「天候や時刻によって発電量が上下する再生可能エネルギー

FrontFlow/red（FFR）にこの乱流燃焼モデルを独自に付加した。

が増えると、同程 度の火力発電 所も必 要になるという議論が「ソースコードがオープンで、東大生研を中心にかなり開発があります。太陽電池が発電を始めたら火力の発電量を減らし、進 んでいたことがFFRを使った理由です。開発は順調だった

太陽が隠れたら増やすといった運 用が必 要になるかもしれなのですが、それでも数年が必要でした。実機を対象に微粉炭燃い。その場合、従来の火力発電所よりも発電量の上げ代・下げ焼のLESを実現したのは世界で最初です」

代が大きい装置が必要となるでしょう。現在の装置でそれをす

現在は電中研が持つ高さ10メートルの試験 用ボイラーを対ると、環 境負荷が 高いモードに入ってしまったり、火が消えて象に検 証が 進められている段階で、実 験データと計算結果はしまったりと、いろいろな問題が考えられます。今後はそうした定性的な一致を示し、モデルの妥当性が確認されている。

運 用にも耐えられるロバストな装置の設 計が求められるはず京を使 用した場 合の計算時間は約1週間。実 用に供するためには、6 0メートル高のボイラーに対しても1週間程度で結果です。我々のシミュレーション技術が貢献する余地はそういったところにもあると考えています」

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シミュレーションソフトウェア・ライブラリ

乱 流 燃 焼 解 析 ソフトウェア

FrontFlow/red の特徴
LES による高レイノルズ数乱流拡散の汎用的で正確な予測
非定常性の適切なモデル化による空力音や構造連成の予測
スケール分離の概念に基づく燃焼、混相などの複雑流の合理的モデル
温度、密度変化を扱う統一的な解法、モデル1億点相当の大規模計算によるCADデータに匹敵する解像精度
非構造型格子と並列計算による実用計算への適用

FrontFlow/red（FFR）はラージ・エディ・シミュレーションいるとは言えません。設計開発のライン上で使われるようには法（L E S）を使って複 雑な流れを予 測するために開 発されたなっていないんですね。その一番の理由は、燃焼を解析するたオープンソースソフトウェアである。同じFrontFlowファミリー

めには、流れ場の計算に加えて、燃料の蒸発や反 応といったのFrontFlow/blueが、物 体周囲の流れの諸問題を計算の速複 雑な現象をより細かい格 子と時間の刻みで 解く必要がある

度と精 度を重 視して解くようデザインされているのに 対し、からです。我々がFFRを拡張して実現しようとしているのは、FFRは高い汎用性と拡張 性を保ちながら高レイノルズ数乱流

燃焼 器のなかで生じる乱流、粒子の飛散、そして燃焼という3の汎用的な予測手段を提供している。

つの異なる現象を十分な精度で計算し、実機の開発に役立て

本誌Vol.1で触れたように、走行中の自動車や飛翔するゴルることです」

フボールといった複雑な現象の空力解析を行う目的で、すでにここでいう粒子とは、燃 焼 器内に噴射された燃料を意味す

多くの企業がFFRを用いており、とくに国内自動車メーカーをる。ジェット燃料であれば液滴、火力発電所などで使われる石中心に組織されたコンソーシアムにおいては次世代空力設 計

炭であれば微粉の形態をとる。そうした粒子が乱流中で分散しシステムの開発と実証に活用されている。

燃 焼する現象を正確に捉えるには、きわめて膨大な計算量が2011年 3月までに約210サイト（過半数が企業）からダウン必要となる。

ロードされ、現在、下 記の ページではバージョン3 .1のソース「もし実際に燃焼器内の液滴を数えたら、数兆個とか数十兆ファイル一式が公開されている。

個になるでしょう。当然そんな量は追えないので、計算 上は1

https://www.eng.hokudai.ac.jp/labo/ﬂuid/download/download.htm

乱流燃焼解析への適用
FFRの利用は空力解析の分野で先行しているが、新たな適ラージ・エディ・シミュレーション
Large Eddy Simulation
乱流を解析する手法のひとつ。非定常現象に対する適用性（再現性）が良いとされている。数値解析では計算領域を多数の計算用分 野に向けた開 発も進められている。その 分 野のひとつがセル（三次元では六面体形状のセルが多く用いられる）に分割す「燃焼」だ。ここからはFFRの燃焼反 応解 析への適 用についる必要がある。より小さな計算セルを用いることで空間分解能がて、京都大学大学院工学研究科の黒瀬良一准教授の話をもとに解説する。
「LESによる高精度な流れの解析は産業界に取り入れられつつあります。しかし、燃焼のシミュレーションはまだ貢献できて5★用語解説

向上し、より詳細に乱流を解析することができるが、一方で計算負荷は増大する。
そこで、計算セルで表現できない小さなスケールの流れ（乱れ成分）はモデル化し、計算セルで表現できる比較的大きなスケールの流れ（渦）は直接計算する手法。
〈日本原子力研究開発機構より〉

ガス温度の等値面

燃料噴霧・ガス温度分布

協力： JAXAJAXA航空エンジン用アニュラー燃焼器。全体の直径は約0.5m、内部圧力は0.74MPa、要素数は約1.2億。
16基のバーナーを同時に解析している。
個の粒子で多数の粒子を代表させ、ラグランジアンで飛ばしま日に向けて現在取り組んでいるのが、さらなる精度の向上だ。

す。これが 粒子のモデルの考え方。燃 焼については空間のスケールが流れ場よりもずっと小さいだけでなく、数百の化学種燃焼シミュレーションが設計を変えるについて数千ステップの反 応が生じます。こちらも通常の方法で計算できる量ではありません。そこで我々が導入したのがフ航空エンジンや産業用ガスタービンといった燃焼器の内部レームレット法と呼ばれるデータベースを用いる方法です。燃ではどのような現象が起きているのか？

料と空 気の反 応 特 性をあらかじめ1次 元空間で 計算してこのことは本質的に難しく、実験も容易ではない。一方で、発電やデータベースに入れておき、LESの空間から参照します。本来輸送手段のエネルギー効率を改善し、窒素酸 化物（NOx）に3次元の反 応を1次元の式で表わすことにより、計算量を劇的代表される汚染物質の発生を抑制することは社会的にも重要に削減できます」

度の高い課題となっている。

それを詳細に知る

フレームレット法の導入によって、流れ場だけを解く場 合と「燃料を可能な限り使い切り、排出される煤やNOxは最少とほとんど変わらない計算量で燃焼反 応を処 理できるようにななる設計が求められているのですが、これまでは費用のかかるり、京による計算が可能となった。1億格子・1万並列の規模で実 験 の 繰り返しだけが 手がかりでした。シミュレーションに計算時間は1週間から10日である。

よって実験を減らすことができれば、それが産業界への貢献とエクサスケールの世代、つまり今後5年ほどで燃焼シミュレーなるでしょう。現在、実 験とシミュレーションの間の誤 差は、ションは実用段階に入るだろうと黒瀬准教授は予測する。その燃焼温度については5％程度です。一方、NOx排出量についてはまだ誤差が大きいので、今後の課 題となっています。目標は誤差30％以内。実験を担当する燃焼計測の専門家、大阪大学の赤松史光教授に協力頂きながら研究を進めています」

京都大学大学院工学研究科
黒瀬良一 准教授

現在このプロジェクトはHPCI戦略プログラム分野4「次世代ものづくり」の一部として、京都大学、大阪大学、電中研の3者が中心となって進められている※1。産業界からは川崎重工業、三菱重工業、IHI、日立製作所、東芝が参画し、そこにJA X Aが加わって多様な事例が生まれつつある。また、プログラムの開発にあたってはFFRに精通するしている数値フローデザイン社が協力している。産官学共同でものづくり分野の革 新を目指す試みとしても注目に値するプロジェクトと言えるだろう。
※1関連サイト http://www.fluid.me.kyoto-u.ac.jp/members/kurose/hpci.html

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今号の表紙
イプシロンロケット試験機の打ち上げ
2013年09月14日に内之浦宇宙空間観測所LS桟橋より撮影されたイプシロンロケットの発射風景。爆音が伝わってくるような迫力ある連続写真です。記事では、その「 音 」がペイロードに及ぼす影響を軽減する射点設計の最適化と、イプシロンロケットによる2018年の打ち上げを目指している深宇宙探査技術実験ミッションDESTINYの軌道設計について紹介しています。

提供：JAXA/JOE NISHIZAWA

編集後記
取材のため相模原のJAXAへ行くと建物の中が少しざわざわしていました。翌日未明のH-IIAロケット23号機打ち上げに向けてパブリックビューイングの準備をしていたようです。立ち働く人々の顔は明るく、宇 宙 開 発の熱 気に触れることができた気がして我々も元気が出ました。打ち上げは無事成功し、GPM主衛星と大学7校が作った副衛星が軌道に乗りました。
（F）

計算工学ナビ オフィシャルサイト
本 誌のダウンロードや、ソフトウェアライブラリ、その他の読み物を提 供しているオフィシャルW e bサイト

http://www.cenav.org/

計算工学ナビ Vol.3
発行日： 2014年3月31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