VOL.

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2022年春号■計算工学ナビ・特別インタビュー

燃料電池等利用の飛躍的拡大に向けた共通課題解決型産学官連携研究開発事業

CFRP 製高圧水素タンクのメゾスケール解析を推進し、水素貯蔵技術の高度化をめざす
東京大学生産技術研究所「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」

吉川 暢宏「富岳」の計算性能を最大限に引き出し、ものづくり分野の複雑な流体現象を解明■計算工学ナビ・レポート

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「富岳」を利用した圧縮機サージの直接解析
スーパーコンピュータ「富岳」
上での実用アプリケーションの動作検証

加藤 千幸

トヨタ自動車株式会社 大神 敦幸

株式会社本田技術研究所

宮澤 真史

九州大学

古川 雅人

富士通株式会社

稲垣 和久・戸田 皓陽

計算工学ナビ・特別インタビュー

燃料電池等利用の飛躍的拡大に向けた共通課題解決型産学官連携研究開発事業

CFRP 製高圧水素タンクのメゾスケール解析を推進し、水素貯蔵技術の高度化をめざす
国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）
は、経済産業省の水素・燃料電池戦略協議会が策定した「水素・燃料電池技術開発戦略」に基づいて産業界の共通課題を解決し、2030年以降燃料電池を飛躍的に普及拡大させるため、2020年度から燃料電池システムに関する大規模な研究開発事業「燃料電池等利用の飛躍的拡大に向けた共通課題解決型産学官連携研究開発事業」
を実施しています。その課題の1つとして、
燃料電池自動車（FCV）に搭載される革新的水素貯蔵システムの実現を
めざし、
CFRP
（炭素繊維強化プラスチック）
製水素タンクの設計・評価解析技術、
低コ
ストと高性能を両立した製造技術、
高圧水素適合性高分子材料評価技術などの研究開発が進められています。今回は、東京大学生産技術研究所の吉川暢宏教授と、燃料電池技術の研究開発と普及促進に向けた活動を推進する燃料電池実用化推進協議会

東京大学生産技術研究所

吉川暢宏 教授（FCCJ）に参画するトヨタ自動車の大神敦幸主幹に、
高圧水素タンクに関する研究開発の取り組みや進捗状況などについてお話しいただきました。

CFRP 製高圧水素タンクのモデル開発
CFRP 製高圧水素タンクのモデル開発について、その取り組みの全体像をご説明ください。

大神 カーボンニュートラルの実現に向けて、燃料電池自動車（FCV）の開発推進が求められ

軽量・コンパクト化、低コスト化を達成した類に分けられます。タイプ1は、CFRP で補強つくられています。巻き付ける際に繊維束が重吉川

ちなみに、FCV の高圧水素タンクは4種しない一般の金属製容器、タイプ2は、金属容器（一般には鋼製）の直胴部に周方向に炭素繊維を数万本単位で束ねた炭素繊維束を巻きつけ電装置であり、回転などの運動エネルギーを介けて補強したもの、タイプ4は、樹脂製容器とギー効率を発揮するとともに、発電時に二酸化維束を巻きつけて補強したものです。

炭素を発生しないことから、環境負荷を減らす

上でもFCVの普及が必要不可欠といわれていま

圧タンクは、強度を最大限に引き出すためフィラメントワインディング法（樹脂を含浸させたて補強したもの、タイプ3は、金属製容器（一する従来型の発電装置より本質的に高いエネル

大神 敦幸

りするための研究開発に取り組んでいます。

ています。燃料電池は、水素など燃料の化学的エネルギーを直接電気エネルギーに変換する発

燃料電池実用化推進協議会（FCCJ）
要素・基盤技術WG（トヨタ自動車株式会社トヨタＺＥＶファクトリー
ＦＣ事業領域商用ＺＥＶ製品開発部
水素貯蔵システム開発室 主幹）

般にはアルミ合金）全体に炭素繊維束を巻きつ
金属製の口金を組み合わせた容器全体に炭素繊

大神

私たちが取り組んでいるタイプ4の高圧水素タンクは、ガスバリアとなる樹脂ライナー、

炭素繊維を型に巻き付ける成形法）によってなり合ったりずれてしまうなどのばらつきが生

じたり、加熱して硬化させるときに隙間ができるなど均一にすることが難しく、モデル化は非常にハードルが高いのですが、高精度なシミュ

レーション解析によって、最適なタンク構造やCFRPの使用量が明らかになると期待しています。

メゾスケールモデルによる強度解析
吉川 シミュレーション解析に最も期待されて耐圧力性を保持するための CFRP、キズ防止のいることは、要するにタンクが破壊するときの様

もちろん、燃料電池システムを構成する水素貯

そしてバルブを組み付けるための口金で構成さいうことです。それが分かれば、信頼性の高いす。そこで、自動車業界は燃料電池実用化推

分を CFRP が占めているため、CFRP の使用量

タンクの破壊を高精度に予測することは簡単です。そのためには発電効率や耐久性の向上、低コスト化など、燃料電池そのものの技術開発は
蔵タンクなどの開発も重要な課題となっていまためのガラス繊維強化プラスチック（GFRP）、
れています（図2）。タンクの質量や価格の大部子やそのメカニズムをより正確に表してほしいと設計が精度よくできるからです。しかしながら、進協議会（FCCJ）と、2030年以降の FCV 普及を減らすことが大きな課題になっており、そのはありません。CFRPは、硬くて丈夫な炭素繊維

発戦略（図1）を策定し、貯蔵密度を高めたり、先生にご協力いただいているわけです。この高ます。普通なら「丈夫な炭素繊維束が強度を支拡大に向けた高圧水素タンクに関する研究開ために、シミュレーション解析に精通する吉川束を軟らかくて弱い樹脂で固めてつくられてい配しているはずだから、炭素繊維束が壊れる様子を評価しておけばよい」と考えたくなりますが、実は樹脂の果たす役割も大きいことが分かっています。炭素繊維束が切れる前の段階で、まわりの樹脂が徐々に壊れていくのですが、そのプロセスをしっかり追っていかないと正確な破壊の予測はできません。そのため、炭素繊維と樹脂をきちんと分けてモデル化することが求められます。私たちは、これまで開発してきた複合

材料強度信頼性評価シミュレータ「FrontCOMP」

により、炭素繊維束と樹脂の強度モデルを直接的に導入できるメゾスケールモデルに基づく強度解析を実施し、より正確な強度の評価、破裂圧力の評価を実現させようとしています。

さらに問題になるのは、タンク製造時に生じ▲図1

FCV 普及に向けた高圧タンクに関する研究開発戦略

出典／漆山雄太, 高見昌宜：第2回FC-Cubicオープンシンポジウム資料（一般公開）, 技術研究組合 FC-Cubic, 2020.11.10.
URL：https://fc-cubic-event.jp/wp-content/uploads/2020/11/【公開版】ホンダ・トヨタ_ 移動体高圧水素貯蔵.pdf

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計算工学ナビ Vol.22

る欠陥です。先ほど大神さんが話されたとおり、
タイプ4の高圧水素タンクは、フィラメントワイ

ンディング法で炭素繊維を数万本程度まとめたテープをグルグル巻き付け、高温で加熱して樹脂を固めてつくります。そのため、巻き付ける

過程でずれが生じたり、加熱の際に隙間ができたり、そういうことが比較的容易に起きてしまうていきたい考えです。それにより、生じた欠陥が重大なものなのか無視できるものなのかが判断

パクト化にも役立ちます。そうしたことを検討していくためにも、破壊メカニズムをしっかり押さ

できれば、それは大きな成果です。実際にCFRP

えたシミュレーション技術が重要と考えています。

に一つひとつ調べることは困難であり、そこはシにタンクをつくることができますが、現状では、

吉川 そのためにも、欠陥をモデル化して、シミュわせるような接合構造はしない方針で進められての積層のなかにあるずれや空隙の影響を試験的

吉川 確かに部分的な補強ができれば、効率的

高圧タンクの製造においてCFRPパーツを張り合のです。そうした欠陥を含めて評価するために

ミュレーションに活躍していただきたいですね。

として正確であることに加えて、設計および製

レーション解析においてどのように扱っていくいます。当然ながら、貼り合わせた接合部は強造に関わるパラメータが強度に与える影響を定

りがいもあり、とても魅力的な課題だと思います。

かが問題です。部分的な補強を検討するためには、

フィラメントワインディング・プロセスにおけるを進めているところです。より正確な解析を実スで評価するとともに、試験的な評価も必要です。

とができるからです。すでにメゾスケールモデ

要です。正しく評価するためにも、FCCJに参画発を達成するためには、多方面のフレッシュなも、メゾスケール解析は重要です。強度モデル
造の局面において炭素繊維束のメゾスケール構

量的に解析することが可能であり、設計および欠陥の制御のための方策も数理的に議論するこルによる破壊圧力予測シミュレーションを実施し、複雑な構造を均質化せざるを得なかった従来モ

デルでは評価できなかった現象をとらえることが可能になったり、実際の試験結果との比較でも、よく再現されていることが示されています。

欠陥をモデル化し、設計・製造に活かす
CFRP 製高圧水素タンクのモデル開発は、ほぼかは大きな課題です。非常に難しいですが、やそうした課題も含めて、FCCJとともに研究開発現するためには、バリデーション（検証）も重する自動車メーカーにご協力いただいています。

軽量・コンパクト化、低コスト化をめざして
CFRP 製高圧水素タンクには、安全性に優れた構造とともに、軽量・コンパクトで低コストであることが求められていますね。

吉川 FCV に搭載される水素タンクは700気圧

度が低下しますから、十分な強度を保持できる貼り合わせても大丈夫かをシミュレーションベー
大神 簡単ではありませんが、革新的な技術開

発想や意見にも期待したいと考えています。最初にご紹介した高圧水素タンクに関する研究開発戦略を見ていただくと、フェーズ1とフェー

ズ2という二段構造になっていることにお気づきと思います。まずは材料の検討や低コスト化、シミュレーション技術による疲労やメカニズムの解明といった従来技術を発展させながら基盤となる研究開発を推進し、その上で、新たな製品開発に結び付く新構造や新工法を生み出して完了したといってよいのでしょうか。

という超高圧に耐えるものでなければなりませいこうとしています。

吉川 まだ多くの課題が残されています。モデ

保した上で、軽量化やコンパクト化を求めるこは、まさに課題解決のためのシミュレーションのでも安全性をしっかり評価できる手法が必要でると、開発したシミュレーション手法を一般化ん。まずは高い信頼性が要求され、安全性を確

ル化の最大の課題は、欠陥のモデル化です。巻

とになります。したがって、シミュレーション

はなくところどころに出てきます。それをどのよす。それがなければ、重量やコンパクト性を追き方のずれや加熱の際に生じる隙間は、均一でうにモデル化すれば最も適切なのかということ

求することはできません。現状では、ぎりぎりです。例えば、CFRP 容器に予め小さな空隙をのところまで突き詰めるまでには到らず、安全可能です。ただ、それでは十分とはいえません。

大神 FCCJとしてFCVを普及拡大していくこと入れ込んで破壊シミュレーションを行うことは性に余裕を持たせた構造で進めています。

欠陥を設定して確定的に解析するのではなく、を考えれば、安全性を確保しつつ、どこまで軽たりの場所にこれくらいの確率で欠陥が発生す

きるかが重要になってきます。現在は、安全規

レーション手法が必要なのです。不確定性を含後は、破壊のメカニズムを明確にしながら、どものづくりの現場で統計的に出てくる「このある」といった情報が的確に反映される新たなシミュ

量化できるか、どこまでコストを下げることがで格上のセーフティを多めにとっていますが、今

吉川 研究開発戦略において求められているの高度化ですが、大学の研究者という立場からすすることも視野に入れておきたいと考えています。

高圧水素タンクの製品開発に役立つだけでなく、ほかの分野にも適応できるシミュレーション手法の開発が重要です。そのためには、目の前で起きている現象の本質を明らかにしていかなけ

ればなりません。まだ見えていないこと、分かっていないことがたくさんあります。それを一つひとつ明らかにしながら本質を解き明かしていく、
そうした研究開発を続けていきたい考えです。
大神

今回のNEDOプロジェクトでは、その事

業名に「産学官連携による研究開発」とありまみながら発生する欠陥をモデル化し、設計や製こまで削ることができるかを検討していくことに生じにくい設計・製造に貢献する情報を得るこ

ころに部分的な補強構造を取り入れることはで開発に取り組んでいくことが求められています。

大神 それは、まさにめざすべき一つのゴール

クは、CFRPを一筆書きのように連続して均一にウハウを持っていることです。製品開発から得らとすると全体が補強されてしまいます。必要ないものをつくり出していきたいと考えています。

造方法にフィードバックすることができ、欠陥をとが大切だと考えています。

ではありますが、まずは炭素繊維のずれやばらつきが生じるメカニズム、空隙が発生するメカニ

ズムなどをシミュレーションによって明らかにし▲︎図2 高圧水素タンク(タイプ4）の構造

出典／金子智徳 , 西原寅史 , 山本拓矢 , 吉川暢宏 , 青野
昌弘：CFRP 繊維束交差形状を考慮した高圧水素タン
ク強度モデル開発 , M&M2019 材料力学カンファレンス
講演論文集〔2019.11.2-4（福岡）〕なります。また、自動車業界からは、「必要なときないか」という声も出ています。現在のタン巻き付けていますから、ある場所を補強しよう

部分だけ補強することができれば、軽量・コン▲図3

すように、それぞれがその強みを生かして研究

産業分野の強みは、実際のものづくりに基づくノれる情報を提供しつつ、官・学と連携してよりよ

炭素繊維束に発生する繊維方向垂直ひずみ分布の一例

メゾスケール解析により、繊維方向ひずみを正確に評価し破裂圧力を予測することができる。ひずみの最大値（赤色）はフープ巻き（直胴部を周方向に補強する巻き方）炭素繊維束で発生することが示された。
出典／吉川暢宏，針谷耕太：CFRP容器のメゾスケール解析，2021年3月，圧力技術，第59巻，第2号，pp.70-76．

3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」「富岳」の計算性能を最大限に引き出し、
ものづくり分野の複雑な流体現象を解明～自動車空力音予測の実証研究～「『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、ターボ機械および自動車分野を対象として、「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」「細隙部を含めた多段遠心、ポンプの内部流れのWall-Resolved LES」
「圧縮機サージの直接解析」、「リアルワールド自動車空力、
性能の予測」、
および、「リアルワールド自動車空力音予測」の5つのテーマを設定し、大学などの研究者とともに産業界の技術者・研究者らが連携して研究開発を推進しています。今回は、プロジェクトの代表機関である東京大学生産技術研究所の加藤千幸教授と、「リアルワールド自動車空力音予測」に参画する本田技術研究所の宮澤真史アシスタントチーフエンジニア（HPCを活用した自動車次世
代CAEコンソーシアム＊）に、
プロジェクトの取り組みや進捗状況などについてお話しいただきました。

東京大学生産技術研究所
株式会社本田技術研究所
革新的シミュレーション研究センター 先進技術研究所

加藤 千幸

センター長・教授

宮澤 真史

アシスタントチーフエンジニア

自動車分野のテーマは空力性能と空力音の予測の課題があります。１つは、自動車業界でバサ

ステム（機械学習強化 SEA 法）を構築し、よターボ機械・自動車を対象としたプロジェク

予測。2つ目は、狭帯域騒音とよばれる音響共

鳴や空力自励音の予測です。狭帯域騒音につい予測を実現させようとしています。ただし、車

バサ音とよばれる主流乱れによる変動空力音のトの5つの実証研究テーマのなかで、本日は「リアルワールド自動車空力音予測」を中心にお話をうかがいます。その前に、プロジェクトの全体像についてご説明ください。
加藤

ポスト「京」重点課題⑧の成果を引き継ぐかたちで、2020年4月から「富岳」成果創

出加速プログラムの領域③「産業競争力の強化」の課題の1つとして「『富岳』を利用した革

新的流体性能予測技術の研究開発」を推進しています。このプロジェクトでは、ポスト「京」重点課題⑧で実施したテーマのうち、ターボ

機械および自動車の分野を対象として、Large

Eddy Simulation(LES)に基づいた流体解析シス
テム「FFB（FrontFlow/blue）」、格子ボルツマン法（LBM）ベースの流体解析システム「FFX（FrontFlowX）」、複雑現象統合シミュレーショ
ンフレームワーク「CUBE」、さらに九州大学
が開発したターボ機械用 DES（Detached Eddy

Simulation）圧縮性流れ解析ソフトウェアといった、「富岳」の高い計算性能を十二分に引き出すことができるアプリケーション・ソフトウェアては、低マッハ数・高レイノルズ数・複雑形状の圧縮性流れ解析の高精度化と高速化を進めています。3つ目は、私たちが取り組んでいる流れに起因する車内騒音の予測です。車内騒音については、車のまわりの流れから発生する音（空力音）を予測するだけでは十分でなく、それがどのように車体を振動させて車内音として伝わるかを予測・解明しなければなりません。近年、自動車の電動化に伴い車両の静粛性が向上しており、相対的に車内騒音に占める空力騒音の割合が増加しており、空力騒音の低減はますます重要になっています。

加藤 車内騒音を求めるには、まずは車外でどんな音が出ているかを予測することが重要です。
それが車体の振動を介してどのように車内に入り、車内でどんな音場となり、その結果、ドライバーの耳元の音圧レベルがどうなるかを予測しなければなりません。そのためには、流体・り簡便かつ高精度な車両の振動と車内の音場の両の振動と車内の音場がある程度簡易的に予測できたとしても、音源となっている車外の音をきちんと求める必要があるということで、流れと音の直接解析ソフトウェア「FFX」という新
たなコードを開発しており、現在、実証計算を実施しています。車のまわりの流れから発生する音の予測は、LES 解析と音響解析を組み合わせることによってすでにできています。
「FFB」と「FFB-Acoustics」というアプリケーションを使用していますが、いずれも FEM（Finite

Element Method：有限要素法）コードです。
しかし、非常に複雑な形状の解析を行おうとす
ると、メッシュの作成に時間がかかる、あるいはメッシュが作成できないという課題があるた

め、今回、複雑な形状でもほぼ自動でメッシュ生成ができるように、新たに階層型の直交格子を使った LBM ソルバー「FFX」を開発したわけです。
「FFB」と「FFX」を比較すると1時間

ステップの計算時間におよそ100倍の差があり、音響解析だけでなく振動解析もやらなければい「FFX」によって高速な計算もできます。ただ、スをもとに機械学習を活用した車内騒音予測シだ浅いのです。
「FFB」は1985年ころから開発

けません。プロジェクトでは、実験データベー「FFB」と比べると「FFX」は開発の歴史がまを活用して、製品開発において重要でありながら、

これまで経験的に扱われることが多かった複雑な流体現象の解明への貢献をめざしています。

自動車については、空力性能の予測と空力音の予測という２つのテーマを設定しています。
空力性能については「CUBE」を使った解析を行っています。最大の特長は、実走行状態の自動車の運動も考慮された空力と運動の連成解析であるという点です。ドライバーがどんなステアリングをするか、前を走る自動車によって生じる空気の流れの影響なども含めて空気抵抗、
操縦安定性、横風安全性など自動車の空力性能を再現します。自動車に関するもう一つのテー
マが空力音の予測ですが、これに関しては、実際に解析を実施している宮澤さんに説明してもらいます。

宮澤 自動車まわりの空力騒音については3つ

4計算工学ナビ Vol.22▲実験とCFDを活用した空力騒音減の解析イメージ＊HPCを活用した自動車次世代 CAEコンソーシアム：「富岳」などの次世代HPCを用いて、既存のCAE 技術とは抜本的に異なる新
たなシミュレーションフレームワークを産学官連携によって構築し、次世代の自動車ものづくりに役立てることをめざしている。

し続けてきて、使い勝手や精度、計算速度を高効率化も重要ですが、使う側にとっては、モ的な開発を開始してからまだ5年ほどですから、ころに「FFX」の大きなメリットを感じていま向上させてきました。一方の「FFX」は、本格実用的に使うには、さらに手を加えていく必
要があります。それを早急に一定レベルまで
もっていこうとしていて、今年度中に最小格
子幅100ミクロンくらい、格子の数で２兆点くらいの計算を実施する予定です。この計算が問題なくできるようになれば、実際の風洞実験の誤差と同程度の精度の予測が実現できるものと考えています。すでに計算そのものはできるのですが、さらなる改良や精度の検証

デルの前準備なしで高精度な CFD ができるとして、細かい問題はまだ残されていますが、これから実用性を高めていければと考えています。
加藤 実は、すでに「FFB」でかなり大規模な計算をやっていて、車内の音圧レベルを予測したり、結果を実験と比較したりすることもできるようになっています。さらに「FFB」を使った車外音の予測でもよい結果を出しています。
ただ、宮澤さんがいうように、シミュレーショ

ンの使い勝手という意味で、モデル作成の容易

ついては問題ありませんでした。
「FFX」でも、高い精度が得られることは確認済みです。前処

理部分の問題点もすでに分かっており、「FFX」のコード改良はほとんど完了しています。最後の課題は後処理で、これはほとんど手つかずの状況ですが、従来の考え方で後処理するのは現実的ではなく、どのようなデータを出すべきか

は、目的に合わせて最後に考えればよいと思っています。いろいろな解析を進めていくと「重要なのはこれ」ということが分かってくるので、それに合わせて出していけばよいのです。

宮澤 そうですね。計算によって実験データよさは重要で、今回、そこを大幅に改良する取り

り細かいデータが取れてしまうので、それを効実験とシミュレーションの相互補完に
より解析能力が向上

宮澤 空力騒音については、実際に形状の対策

るかが、今後の最大の課題です。

自動車メーカーにおける車両開発では、これうケースもあるなど、すごく細かい変更で音が消えることがあります。でも、なかなかその精

ミュレーションによる理解は難しいという一般的度でメッシュが切れるように想定されていない

きるし、実験では明らかにできなかったことが必要でした。これが結構たいへんで、それをやクトで示すことができればよいと思っています。

を行っているところです。

まで風洞テストや実走テストといった実験ベースで進められることが多かったと思いますが、シミュレーションの有効性についてはどのよ
うに認識されていますか。

宮澤 もともと自動車の開発ツールの一つとして衝突や空力などさまざまな分野でシミュレー

ションが活用されてきました。空力騒音については、風洞を使った測定や実走によっていろい
ろなことが明らかにされてきて、実験の重要性は今も変わりませんが、空力騒音はいろいろな条件が複合的に重なり合う複雑な現象です。ど組みとして、新たなコード開発を進めています。
を考える場合、加える変化量が1mm 以下といため、メッシュが切れるように手作業の修正がらずに済むというのは大きなメリットです。

加藤 「FFX」のもう一つのメリットは計算時間です。例えば「FFB」で数十億から100億く

らいの格子で計算を行うのは、結構たいへんな作業でした。しかし「FFX」を使えば、6000億
とか7000億くらいの格子の計算は全く問題なくできます。あとは定量的に問題がない満足いく
結果を出せるかどうかです。

果的に後処理するための環境や方法を構築でき
空力騒音に関しては計算もたいへんだし、シなイメージがありましたが、だれがやってもで分かるかもしれないということを、今回のプロジェ

最後に、ものづくりにシミュレーションを活かすことに関心を持っている読者にメッセージをお願いします。

宮澤 これまで大きな壁だったシミュレーショ

ンに関する敷居の高さみたいなものはかなり低くなっていて、シミュレーションの活用を積極的に考えられるようになったと思います。実験とシこで音が発生しているのか、何が問題なのかを残された課題は後処理

ミュレーションを組み合わせることが、実際のとはとても重要で、エンジニアの経験に依存し「富岳」を利用した研究開発で、今後の課題はあることを多くの人たちに知ってほしいですね。

特定するのがとても難しく、それを把握するこている領域です。そうしたなか、CFD（数値流体解析）やシミュレーションの実用化により、実走や風洞でつかみきれなかった騒音の発生箇

どのようなことですか。

宮澤 7000億くらいの格子の計算は全く問題な所の特定や騒音発生メカニズムの理解が進むの

くできるというお話がありましたが、データ解加藤

なデータの対応が課題となります。膨大なデーではないかと期待されています。

どこの自動車メーカーも、当然ながら

析が大規模化すると、後処理の高速化や大規模開発現場の困りごとを解決するために効果的で加藤 まずは「使ってみてください」といいたいですね。HPC の大きな課題は、一言でいうと広く普及していないということです。使える

か使えないか、みんなが見極めようとしている、

つまりベンチマークの段階なのです。例えば、宮澤さんたちがわれわれとの共同研究で使えるCFD をやります。ただ、空力騒音については、タが取れてしまうので、それをどのように保存ことを示すというように、誰かが先陣を切ってきず、経験的なモデルで「まあ、こんなものかです。ストレージや転送、あとは可視化をどうう人が増えればコストが下がり、より敷居が低問題なのか、どこを直せばよいのかはわからな

加藤 つまりこういうことです。これまでやっ

従来の解析技術では直接的に予測することはでな」くらいの予測しかできませんでした。何がかったわけです。そうした従来の解析とは違う、
答えを的確に示してくれるシミュレーションにするか、どうやって後処理するのかということ成果を挙げてくれれば、利用者が増えます。使するかが問題です。

くなります。HPC の利用者が増えてコストがてきた「FFB」、「FFB-Acoustics」は計算部分にした循環を生むことが重要なのだと思います。

安くなる、安くなれば利用者が増える──そう

期待していると同時に、各社とも将来技術としてどのくらい有望なのかをベンチマークしている状況だと思います。

宮澤さんたちは、現在「富岳」を活用してどのような研究開発を行っているのですか。

宮澤 「FFB」を用いたこれまでの計算もだいぶ進化していて、自動でメッシュを切ったりすることもできるのですが、メッシュを切る前にモデルに手を入れたり、ラッピングという処理を行うことも必要です。そこで重要な形状が削られてしまうこともあり、どんどん計算できるという状況ではありませんでした。高精度化や▲LBMベースの流体解析システム「FFX」の開発状況

5計算工学ナビ・レポート「富岳」を利用した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

圧縮機サージの予測について

より、圧縮機サージの初生（マイルドサージ）

文部科学省「富岳」成果創出加速プログラム

常流動現象を解明し、圧縮機サージの予測技における研究課題として2020年度から開始されている「『富岳』を利用した革新的流体性能予測

1 回転当たり7,500 ステップ（翼間当たり1,250

ステップ）となるように設定しました。事前の予備計算により計算格子の調整を行った結果、LES 領域と RANS 領域は図1 (b) のようになり、圧縮機本体周辺において本 DES 解析の妥当性が確認できました。

図2で、サージの初生（マイルドサージ）を再から、逆流を伴うディープサージに至る非定現した結果を示します。図中において、横軸は術を確立することを目的としています。

シンボル付きの実線がDES 結果、破線が実験結

質量流量を、縦軸は全圧比を表しており、四角果です。本DES 解析では流量調整弁の損失係数技術の研究開発」（課題代表者：東京大学・加ターボ機械用圧縮性DES
流れ解析コードのチューニング

縮機サージの直接解析」が実施されています。

前述のとおり、圧縮機サージはマルチスケー

ます。DESから得られた性能特性は実験結果とたLES（Large Eddy Simulation）解析を実施すの変化は実験結果と定性的に良く一致している

藤千幸教授）で、実証研究テーマ③として「圧本稿では、この研究テーマの概要について紹介いたします。

ル問題であることから、稠密な計算格子を用いKtを徐々に増加させながらサージに追い込んでいきますが、そのKtの値を図2 (a)中に示してい比較して3 ％程度高くなっていますが、性能特性

圧縮機は産業用および発電用ガスタービン、ることは現実的でありません。そこで本研究テーことが分かります。Kt = 2.0において、逆流を伴であり、また石油精製プラント、化学プラント、

雑な渦流れ場を正確に捉えるために、LES 解析

ルドサージの初生が現れました。この作動点近航空機エンジン用ガスタービンの主要構成要素

マでは、限られた計算格子数ではく離を伴う複天然ガスプラント、製鉄プラントなどの各種プと RANS（Reynolds-Averaged Navier-Stokes）

空気源やターボ過給機などにも用いられており、した。DES 解析においては、壁面近傍の乱流

わずに流量や圧力の長周期変動が発生するマイ傍では、実験においてもマイルドサージの初生

解析の利点を取り入れた DES 解析を採用しまが確認されています。Kt = 2.0においてDES 解

境界層領域付近で RANS 解析を行うことにより

図2 (b)中にリサージュ曲線（赤い実線）として

では、流量が減少すると流れの不安定現象とししく捉えるとともに、主流領域では LES 解析をてマイルドサージが発生していることが明確に分ると、流速や圧力が管路系全体にわたって大き現象を正確に再現することができます。圧縮機

ラントの心臓部としての役割を果たすとともに、圧縮機は工業上極めて重要なターボ機械の1つです。一般に、圧縮機を含むシステム（管路系）

現実的な計算格子数で壁面上の乱流境界層を正析から得られた圧縮機の性能特性の時間変化を示しています。この結果からも、Kt = 2.0におい

実施することによりはく離に伴う複雑な渦流れかります。

く変動する結果、圧縮機の運転が不可能になるの複雑な内部流れ場において LES 領域と RANS

してDES解析を実施することにより、マイルドサー

えることもあり、サージは回避することが不可欠

乱流モデルに基づいた DES 解析を実施していてのサージが発生します。このサージが発生すだけでなく、管路系を構成する機器に損傷を与領域を適切に決定するために、k －ω二方程式

以上のとおり、圧縮機を含む配管系全体に対ジの初生を再現することができました。これは「富岳」を利用することによって世界で初めて得らな現象です。特に、発電用ガスタービン、航空ます。本研究テーマで用いるターボ機械用圧縮れた成果です。今後計算を継続し、サージ周期、

トでは、それらシステムの安全性・信頼性が高

HPCI システム利用研究課題」において九州大と比較することにより定量的な検証を行う予定での予測は極めて重要な技術と位置づけられていが、「富岳」で利用するにあたって、一般財団

めに、必要以上の容量の抽気用バルブを設置せる高度化支援を受けてコードのチューニングを

機エンジン用ガスタービン、および各種プラン

いレベルで要求されることから、圧縮機サージます。さらにプラントでは、サージを回避するた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、コスト低減の性 DES 流れ解析コードは「『京』を中核とする学を中心として既に整備されたものであります

法人 高度情報科学技術研究機構（RIST）によに極めて重要な問題ですが、圧縮機サージは圧ドと比較して「富岳」上で約60倍の高速化を達

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、両現象を支配する世界で初めてマイルドサージの直接計算に成功

ル比が3桁以上異なる）マルチスケール問題であ本研究テーマでは、ターボ機械協会内に設置

特性時間のスケールが大きく異なる（時間スケー

成しています。

された研究分科会でサージに関する非定常計測ませんでした。

析対象としました。図1 (a)に示すとおり、当該以上の観点から、本研究テーマでは、圧縮圧縮機と配管系まで含めたシステム全体を対象とし、配管入口が大気開放であることから、配縮機羽根車での失速現象を再現できるほど短域を設定しました。一方、圧縮機下流側の配い時間刻みを設定するとともに、システム全体にわたる長周期の流体振動現象を捉え得るほど膨大な時間ステップ数にわたって DES（Detached Eddy Simulation）による非定常三次元流動解析を「富岳」上で実施することに計算工学ナビ Vol.22▲図1 計算領域および計算格子の調整をこれまでに行ってきた遷音速遠心圧縮機を解機本体だけでなく、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、圧実施し、逆流を伴うディープサージの再現にもチャレンジする予定です。

能の改善などを行うことにより、オリジナルコーることから、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す。また、Kt の値を増加させた計算を引き続き列化、SIMD 化、ループ一重化、インデックス

入れ替え、Sliding mesh 処理の高速化、並列性

縮機羽根車での失速現象と配管系まで含めたシ流量および圧力変動の振幅について、実験結果行いました。具体的には、OpenMP スレッド並観点からも重要となっています。

上述のとおり、圧縮機サージの予測は工学的

6の総計算セル数は約９億に設定し、時間刻み幅

は、DES 解析であることを考慮して、羽根車の管入口上流の大気開放領域まで含めて計算領

管系は流量調整弁までを計算領域とするとともに、流出境界では弁損失モデルを導入し、弁の損失係数（Kt）を調節することにより流量を制御してサージ初生を再現しました。計算格子は

全て H 型の構造格子で構成し、計算領域全体▲︎図2 マイルドサージの初生

計算工学ナビ・レポート

スーパーコンピュータ「富岳」上での実用アプリケーションの動作検証～社会課題解決に向けて～模モデルを利用しました。
「富岳」の8192CPUコ

アを活用し、モーターの電力損失を計算したと

ころ、１日で解析結果を得ることができました。
同様の計算を産業界で通常用いられる規模の計

富士通株式会社
インフラストラクチャ
システム事業本部

稲垣 和久

富士通株式会社
インフラストラクチャ
システム事業本部

戸田 皓陽

スーパーコンピュータ「富岳」には、高速・大があります。安定飛行に影響を及ぼすため、設ションにより、ものづくりにおける現象解明や実に検証することは重要な課題ですが、バフェッ

規模な計算リソースを活かした精緻なシミュレー

計段階でバフェットを予測し機体安全性を十分試作削減をより一層推進することが期待されていトを捉えるには大規模なシミュレーションが必要

業と連携し、「富岳」上での実用アプリケーショ

そ こ で「Cradle CFD | scFLOW」[4] を 活 用ます。今回、富士通はソフトベンダー・ユーザ企となります。

算機で行うと、数週間の計算時間を要しますが、「富岳」であれば設計業務などの限られた時間内で解析できます。エネルギー効率の改善は、持続可能な社会づくりの実現に向けた重要な課題であり、本成果はさらなる高効率な電気自動車等の開発につながります。

摩擦伝動ベルト向け
短繊維配向ゴム材料の強度向上
摩擦伝動ベルトに用いられる短繊維配合ゴム材料の開発では、所望の機械的特性を得るために、ンの動作検証に取り組みました。その成果として、し、大規模・高精細な航空機モデルを用いて航さまざまな繊維配合を試行するコストがかかりま製品及びその機械部品について、安全かつ高エscFLOW」は任意の多面体格子に対応した汎用て予測する目的で、「FrontISTR」[6] を用いた材料

解決につながる解析事例が得られています。加え自動車、建設など）で利用されています。本解を実施しました。
「FrontISTR」はオープンソー

認しており、SDGs（持続可能な開発目標）[1] 達するために、2億3700万要素の高精細なモデル

電子機器、各種機械部品、鉄道などさまざまな航空機や自動車など社会の運輸システムを支える

ネルギー効率な交通の実現といった社会課題のて、アプリケーション実行時の高い省電力性も確

行中の流体解析を行いました。
「Cradle CFD |熱流体解析システムで、多くの分野（航空宇宙、
析では、航行中の機体周辺の空気の流れを解析す。今回、機械的特性をシミュレーションによっ
試験片の詳細解析モデルによる大規模構造解析

スの構造解析ソフトウェアであり、建築構造物、成にも貢献します。本稿にて、その電力性能と動と、解析手法としてLarge Eddy Simulationを用

高い電力効率を実現した「富岳」テクノロジー「富岳」の最大19万2000 CPUコアを活用するこスーパーコンピュータは複雑な現象の解明に象を観測できるようになりました。実際に安全性

回は5mm×5mm×1mmの領域をモデル化するなり、産業界で通常用いられる規模の計算機でなりました。

を活用することで同様の計算を数日で完了でき6800CPUコアで実行し、良好なスケール性能とを用いて、さらに高精細な検証を進めます。

ました。これにより、長さ・うねり・配向ばらつ

作検証事例をご紹介します。

より高品質な製品の効率的開発に貢献することが期待されます。一方、大規模・高精細な計算

いて、現実時間における0.05秒間を解析しました。

とで、約10時間の計算でバフェットの予測につながる翼表面上の圧力振動や細かい渦の生成現検証を行う際は、さらに長時間の解析が必要とを行うためには莫大な電力を必要とするため、は約１ヶ月程度の計算時間を要しますが、「富岳」に向けた重要な課題の1つとなります。

ます。今後は約8億要素の大規模な航空機モデル

省電力性を高めることは持続可能な社会の実現「富岳」に搭載された A64FX には、低消費電製品に活用されています。本解析では、ゴムに剛性の高い短繊維が埋め込まれた試験片の挙動を忠実に再現するため、個々の短繊維の形状まで一体メッシュでモデル化しています。精度上
繊維長さに対して十分な領域が必要であり、今ために、四面体２次要素で約7600万要素規模とこ の 解 析 を「 富 岳 」 の9600か ら 最 大7万

共に最短約15分で計算可能であることを確認しレベルまで広い階層にわたって工夫が施されて電気自動車などの駆動用モーターのエネルギー損失低減

きといった繊維配合状態の異なる複数の解析を

図１は A64FX を搭載した FX1000・FX700[2] 上電気自動車などは、駆動用モーターのエネル削減による材料ロス削減や駆動中のエネルギー

力のためにアーキテクチャレベルからデバイス

おり、世界最高水準の電力性能を達成します。

実用的な時間内で実行できます。今後は繊維配合状態と機械的特性の関係解明を進め、実試作ロス低減につなげていきます。

で「地球科学」「材料・化学」
「電磁界」
「流体」
「構

ギー損失を低減するべく日々改良が続けられてたときの消費電力をx86サーバ（Xeon Platinum

ンとして「JMAG」[5] が利用されています。
「JMAG」

ションで FX1000、FX700は x86サーバと比べてフトウェアであり、自動車の他、電化製品、デジを通じ、公共交通機関の安全性向上や、エネルギー

航空機の安全性向上

回は、駆動用モーターのエネルギー損失を高精ンを実現しました。本稿で紹介したものを含め、航空機は航行中に機体周辺の空気の流れによっする渦電流も考慮するため、電磁鋼板を一枚一ションは、ソフトベンダー各社やGitHub[7] などか造」の分野で主要なアプリケーションを実行し8268）と比較した結果です [3]。全てのアプリケー

２倍以上の電力効率を発揮しました。

てバフェット（機体の振動現象）が起こること

おり、エネルギー損失量を計算するアプリケーショ

は電気機器設計開発のためのシミュレーションソ
タル機器、など各業界で採用されています。今度で計算すべく、モーター内の電磁鋼板に発生枚積層してモデル化し、1500万要素を持つ大規

まとめ「富岳」上での実用アプリケーションの動作検証

及び資源利用効率の向上につながるシミュレーショ

富士通で移植を行ったさまざまな分野のアプリケー

ら利用可能です。今後、アプリケーションの利用支援などを通じ、持続可能な社会の実現とイノベーション創出に貢献してまいります。
【謝辞】

本稿で紹介した航空機、電気自動車などの駆動用モー
ター、摩擦伝動ベルト向け短繊維配向ゴム材料の事例
は、それぞれ株式会社ソフトウェアクレイドル、株式
会社 JSOL、三ツ星ベルト株式会社との協働で作成致
しました。

▲図1
FX1000/700のx86サーバ比計算速度および電力性能▲図2「富岳」を活用したシミュレーション事例と関連する SDGs【参考サイト】[1] https://sdgs.un.org/goals[2] https://www.fujitsu.com/jp/products/computing/servers/
supercomputer[3] https://www.fujitsu.com/downloads/JP/jsuper/
Applications-for-PRIMEHPC-ja.pdf[4] https://www.mscsoftware.com/ja/product/scflow[5] https://www.jmag-international.com/jp/[6] https://www.frontistr.com/[7] https://github.com/fujitsu/oss-patches-for-a64fx

7今号の表紙CFRP 製圧力容器のメゾスケール解析
炭繊維強化プラスチック（CFRP）製高圧水素容器の強度を正確に評価するため、炭素繊維束と樹脂の強度モデルをそれぞれ直接的に導入できるメゾスケール解析手法を用いて、フィラメントワインディング (FW)法により成形された CFRP 層の炭素繊維束ひずみの分布を明らかにしました。これにより、FW の巻きパターンの違いや炭素繊維束の断面サ
イズまで設計変数とする最適設計問題の設定が可能となり、FW 経路のずれや硬化プロセスで発生する残留応力などの製造誤差が容器破裂強度に与える影響も評価可能となります。
東京大学生産技術研究所 教授

吉川暢宏

編集後記
「富岳」の本格稼働に伴い、2020年 3月まで実施された
「ポスト
『京』重点
課題」で進められてきた主要なアプリケーションソフト開発が実を結び、優れた成果が創出されようとしています。今号は、こうしたアプリケー
ションソフトを活用し、「富岳」をはじめ HPCを利用して産学連携によって推進されている、ものづくり分野の研究開発についてインタビュー記事にまとめました。さらに「富岳」における商用アプリケーションソフトの展
開などについても紹介しています。
「富岳」や「富岳」時代の HPCの高い計算性能を十二分に引き出すアプリケーションソフトを駆使することにより、ものづくりの分野に革新がもたらされることが期待されています。

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計算工学ナビ Vo l.22
発行日： 2022年3月9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