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2021年春号

特 集 「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

ターボ機械の性能予測の革新を目指して「富岳」
で目指す革新的自動車空力性能予測技術の研究開発

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 加藤 千幸

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 坪倉 誠

スーパーシミュレーションとAI を連携活用した実機クリーンエネルギーシステムのデジタルツインの構築と活用

石炭ガス化炉のスーパーシミュレーション
洋上ウィンドファームのスーパーシミュレーション

航空機フライト試験を代替する近未来型設計技術の先導的実証研究

最新の圧縮性 LES 研究と｢富岳｣で航空機開発に第二のイノベーションを

産業界における
「富岳」
の利用促進

「富岳」
を産業界で活用するための株式会社ヴァイナスの取り組み

東京大学大学院工学系研究科 吉村 忍

東京大学大学院工学系研究科 吉村 忍

東北大学大学院工学研究科 河合 宗司

株式会社ヴァイナス 藤川 泰彦

特集「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

ターボ機械の性能予測の革新を目指して

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

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「富岳」を利用して、船体まわりの流れを完「富岳」を利用して多段遠心ポンプの内部流れの槽試験を代替えできることを実証するとともに、替えできることを実証するとともに、これまで全に再現するシミュレーションを実現し、水推進効率の向上を図るために船尾に付加する

高精度なシミュレーションを実現し、試験を代解明されていなかった複雑な流動現象を解明す

デバイスのメカニズムを解明し、船体の推進ることを目的としています。このテーマは九州大

このテーマは一般財団法人日本造船技術セン

ストリアルプロダクツが中心となって実施して効率の向上に資することを目的としています。

学、株式会社荏原製作所、株式会社日立インダ

ターが中心となり、ジャパン マリンユナイテッ

います。図1に計算結果の一例を示しますが、羽スーパーコンピュータ「富岳」
（以下、
「富岳」
）

式会社名村造船所、および株式会社三井造船

ナー部とよばれる100μm程度の狭い隙間内の流学生産技術研究所革新的シミュレーション研究

スーパーコンピュータ「京」
（以下、
「京」
）の時

3つのサブ課題を実施

ド株式会社、日本シップヤード株式会社、株

根車の直径は30cm程度ですが、ポンプにはライの共用開始が本年4月に迫っています。東京大昭島研究所などの協力を得て実施しています。

センターでは文部科学省のプロジェクト「『富岳』

代にすでに320億要素を用いて船体表面近傍の直プを設計点の近くで運転する場合はこれらの流岳を利用した革新的流体性能予測技術の研究開を実施し、摩擦抵抗、形状抵抗、造波抵抗などのい状態で運転する場合はこれらの流れによる損

この課題の主たる応用分野は自動車、およびター

す、自航要素とよばれるパラメータを水槽試験のとなります。本テーマでは細隙部内の流れも含

スト『京』重点課題」で抜本的な高速化を進しかし、「京」の時代は計算に2日以上かかったため、シュの調整などを実施しており、4月に「富岳」

Simulation）解析ソルバーである「FrontFlow/

そこで、「FFB」の徹底した高速化を実施し、「京」

準備を進めています。

成果創出加速プログラム」の1課題である、「富発」を2020年（令和2年）4月から実施しています。

ボ機械です。ターボ機械分野においては、「ポ

径700μm程度の小さな渦まで解像するLES計算

船体抵抗やプロペラと船体まわりの干渉効果を表

誤差の範囲内で予測できることを確認していました。

めてきた、有限要素法によるLES（Large Eddy

このような計算を実用化するには至りませんでした。

blue（以下、FFB）」、および九州大学で開発・に対してノード性能で35倍の高速化を実現しまし

利用して、以下に紹介する３つのテーマ（サブて水槽試験を代替えできることを実証します。表高速化を進めてきた圧縮性流れ解析ソルバーを課題）を実施しています。

た。この成果を用いて、数値シミュレーションによっ
紙画像に計算結果の一例を示します。

れや羽根車や案内羽根内の流れと複雑な干渉をする、羽根車の側室内の流れがあります。ポン

れはあまり重要ではありませんが、流量が小さ
失や羽根車に作用する流体力の変動などが問題

めた高精度な計算を実現します。現在、計算メッの共用が開始されたらすぐに本計算を実施すべく、圧縮機サージの直接解析
圧縮機は化学プラントや自動車などで用いられる重要な機械です。圧縮機に流れる空気の流量を小さくしていくと、サージといって逆流を伴う

大きな変動が発生し、圧縮機の運転ができなくなります。したがって、サージの発生を避ける

ことは必須ですが、これまでサージの発生は実験的にしか確認することができず、数値シミュレー

ションによりサージの発生を予測できた例はありません。このテーマでは圧縮機サージの直接解析を実現し、サージのメカニズムを解明するた

めに、九州大学を中核機関として株式会社 IHI、
三菱重工コンプレッサ株式会社などの協力を得▶︎図１
多段遠心ポンプ内部流れのLES 計算結果て実施しています。羽根車の回転数は2 kHz 程度であるのに対して、サージの周波数は5 Hz から20 Hz 程度です。したがって、サージの直接計算を実現するためには非常に長時間にわたり非定常計算を続ける必要があり、いわゆるストロ

ングスケーリングによる並列化効率の向上が本
テーマの成否の鍵を握っています。現在、一般

財団法人高度情報科学技術研究機構の高度化支援を受けて、アプリケーションの速度向上を図ったり（図2）、計算格子を調整したり（図3）しています。間もなく、本計算を開始する予定です。
以上のように、4月からの「富岳」の共用開始に向けて、当グループでは着々と計算の準備を進▲︎図2
圧縮機のサージ計算に用いるアプリケーションの計算速度の向上

2

計算工学ナビ Vol.20▲図3
DES（Detached Eddy Simulation）
計算に用いる計算格子の調整

めてきました。計算結果はまたの機会にご紹介いたします。

特集「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」で目指す革新的自動車空力性能予測技術の研究開発
む詳細な車両運動の再現が可能であり、空力解め（総格子数110億セル）、解析を進めています。

で、実走行時の非定常空力特性を考慮した高いる「FrontFlow/blue」も活用して、ベンチマー

スレベルでの連成が可能なので、プラットフォー

られています。

析を担当する「CUBE」と双方向連成させること

神戸大学大学院
システム情報工学研究科
理化学研究所計算科学研究センター

坪倉 誠

教授・チームリーダー

空力操安性評価が可能となります。また、ソームを問わず実装が可能です。図1はこの機能を活用してレーンチェンジする自動車の空力・運動解析を行った例です。実開発に用いたCADデー

タにより車体形状を詳細に再現したほか、ホイー

広帯域音については、空力音予測では定評のあク問題による「FFX」の性能評価と改良が進め〇●〇（１）と（２）に共通する開発項目として、自然風の再現が挙げられます。空気抵抗に与える

ルの回転はもちろんのこと、ハンドル操作に伴変動風の影響や突風時の操安評価、さらには間ソフトウェアを駆使して、電気自動車や自動走

イバーモデルによる自律走行により、車体に作

空力評価において、大気変動風の影響は避けてるためのHPCシミュレーション技術の構築と実らず、ドライバーのハンドル入力まで再現され（１）リアルワールド自動車空力性能の予測と、（２）の影響解明が一歩進むと期待されます。

トル、積分長さなどに着目してシミュレーションを掲げ、理研産学連携「HPCを活用した自動車

音を大きく狭帯域音、広帯域音、車内騒音に分

ントロールできる変動風ジェネレータの開発をています。

して空力音発生のメカニズム解明を目指します。

われわれのグループでは、「富岳」の有する高い計算性能を有効に引き出すアプリケーション
行車などの次世代自動車の設計・開発に貢献す証に関する研究開発をしています。具体的には、リアルワールド自動車空力音予測の2つのテーマ

用次世代 CAEコンソーシアム」にて活動を行っう前輪舵角変化も再現しています。また、ドラ用する空気力や車両運動挙動の時間変化のみなています。これにより、操安評価における空力（２）では、実走行中に発生する自動車空力

類し、対象に応じて「FFX」と「CUBE」を活用

欠的なバサバサ音の発生など、実走行時の車両

通れないものであり、現在、風洞実験などでも大気変動風の再現が試みられています。ここでは大気変動風の特性として、乱流強度やスペクによる変動風の生成、特に変動特性を自由にコ進めています。自動車空力を対象とした変動風

風洞では、ピッチ運動する翼を用いた乱流生成

アプリケーションとしては、格子ボルツマン

テーマ主査は豊橋技術科学大学の飯田明由先生

現象統一的解法「CUBE」を用います。「CUBE」「CUBE」による狭帯域音予測の結果を図2に示による乱流の生成や（図3参照）、乱数を活用しで領域分割（八分木）し、全ての cube に対し発生する空力音を対象としています。このテー

このような研究開発を産学連携コンソーシアム

法に基づく「FFX」、階層直交格子に基づく複雑が担当します。今年度実施した解析一例として、

は、解析領域をサイズの異なる立方体（cube）

します。ここではボンネットと車体の隙間からて三次元方向に同数の等間隔メッシュを配置す

マは、「京」でもフィジビリティスタディとしておいては、このcubeを基準としてコーディング

は予測できていましたが、解像度の不足からか、ることで、格子作成を行います。アプリ開発にすることで、データ構造が著しく簡略化できます。並列計算の際は各ノードに割り当てるcube

実施していたもので、狭帯域音の発生について

ピーク音圧の大きさに実験との差異が確認されていた問題です。現在は解像度を0.1mmまで高が一般的であり、今年度は、シミュレーションの特性を生かした、より自由度の高い加振運動

た乱流生成装置の有用性の検討を進めています。
で進めることで、システムの開発に不可欠な実車両を用いた信頼性の高い実走行テストデータの提供を受けたり、HPC シミュレーション技術を産業界に普及展開できるなど、双方にとってメリットの高い活動となっています。

の数をできるだけ同じにすることで、ノード間の演算負荷を均等にすることができ、超並列環境下でも高い並列性能を達成することができます。

「CUBE」の「富岳」への実装とチューニング状況については、現在、１ノード単体性能（4コアメモリグループ）については、圧縮性ナビエストー

クス解析において、ピーク性能比6.38%、1コア

メモリーグループ比3.59倍の性能向上を達成しています。アプリのカーネル性能としては、大きく対流項計算と粘性項計算にわけることができますが、前者についてはメモリースループットに、後者についてはキャッシュミスについて、まだまだ改善の余地があると見ており、さらなるチュー

ニングを進める予定でいます。

〇●〇（１）では、変動風下での車体六自由度運動と空力をカップリングさせたリアルワールドシミュ

レーションを実現させ、空気抵抗や操安性に与える変動風や車体運動の影響やそのメカニズム解明を目指します。 ここでは車両運動解析には、

マルチボディダイナミクス解析のオープンソー

スソフトウェアである「Chrono」を用いています。
「Chrono」を用いることで、自動車のタイヤ特性やサスペンション、ステアリング機構を含▲図1
レーンチェンジする自動車の空力・車両運
動連成シミュレーションの例（協力：トヨタ自動車）▲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に向けた格子（上）と「富岳」による解析結果（下）（協力：スズキ）▶︎図3
加振翼を用いた変動風の生成（協力：本田技術研究所）

3

特集「富岳」成果創出加速プログラム

スーパーシミュレーションとAI を連携活用した実機クリーンエネルギーシステムのデジタルツインの構築と活用

石炭ガス化炉のスーパーシミュレーション
岳」での活用を念頭に開発を進めてきたアプリケー

します。さらに、一連の双方向連成解析が終了「REVOCAP_Coupler」、「RC (RIAM COMPACT)

並列非線形固体力学解析コード「ADVENTURE_

ル統合シミュレーション（スーパーシミュレーショ

を評価することができます。

ション群（「ADVENTURE」
、
「FFB」
、
「FFR-Comb」、

東京大学大学院
工学系研究科

HPC版」）に基づくマルチフィジクス・マルチスケー

吉村 忍 教授ンと称する）とAI（機械学習）を連携活用し、各クリーンエネルギーシステムの高精度かつ高速な

デジタル革命が急速に進み、知識集約型社会へのパラダイムシフトが起きつつあるなかで、わが国では、世界に先駆けて、サイバー（仮想）空デジタルツインを構築します。
●⃝●

ここでは、石炭ガス化炉のスーパーシミュ

後は、炉容器内の温度分布の時刻歴解析結果を、

Solid」に入力して、炉容器の非線形熱応力挙動●⃝●

現在、本スーパーシミュレーションの V&V(Verification and Validation)を目的として、（財）
電力中央研究所のラボスケール石炭ガス化炉の解析を進めています。燃焼部のFVMモデル規模

間とフィジカル（現実）空間を高度に融合させレーションの現状について述べます。FVM（有は1.19億要素、炉容器部のFEMモデル規模は1.56を両立し、ヒューマンセントリックな豊かな社「FFR-Comb」はガス化炉の燃焼部やスラグ流の固体部が24万節点です。また、本非定常解析では、Society5.0を支えるエネルギーシステム、特に電に基づく並列熱伝導解析コード「ADVENTURE_

ら、燃焼部と炉容器熱伝導部の特性に合わせて、であるわが国にとって、エネルギー問題はエネル

す。炉容器内表面には燃焼部より高熱負荷が加たシステムによって経済発展と社会課題の解決

会 Society5.0の実現を目指しています。同時に、力システムに目を転じると、エネルギー資源小国

限体積法）に基づく並列LES 燃焼流解析コード

固気液三相燃焼解析を担い、FEM（有限要素法）
Thermal」は、炉容器内の熱伝導解析を担いま

億要素、連成面モデル規模は流体部が63万節点、準定常状態の解を求めることが目的であることか

１時間ステップを流体部は10-6秒、炉容器部は10-2秒に設定しました。本解析により、燃焼部の温度分布やCO分布、炉容器部の温度分布、スラ

ギーセキュリティの観点からも地球温暖化問題対えられますが、同時に炉容器内に埋め込まれた複課題です。2018年に決定された第5次エネルギーます。このため、「ADVENTURE_Thermal」には、いた解析では、流体部のLES燃焼解析に9,216領

済効率性の向上」、「環境への適合」というエネル

析機能が追加実装されています。燃焼部の外表

熱伝導解析に2,048領域、2,048コア（256ノード）

応に向けた国際的責務の観点からも喫緊の重要基本計画においては、「安全性」、「安定供給」、「経

数の冷却管を流れる冷却水によって強制冷却され冷却管内の１次元の移流拡散解析を担当する解グ流の様子を定量的に評価できます。
「京」を用
域分割、9,216コア（1,152ノード）、炉容器部の面、すなわち炉容器の内表面が連成界面となり、を用いました。１時間ステップあたりの燃焼部の安全性）で優れるエネルギー源はないとの前提のから「ADVENTURE_Thermal」への熱流束 Q の析は0.66秒、連成計算や通信などの処理時間は

ルギーミックスの確実な実現に向けた取り組みをComb」への壁面温度Twの送受信を通して、両ソギー政策の基本方針にのっとり、電源構成については、あらゆる面（安定供給、コスト、環境負荷、

もとに、エネルギー源ごとの特性を踏まえ、エネ

この部分で熱の授受が行われます。
「FFR-Comb」
送受信と、「ADVENTURE_Thermal」から「FFR-

強化することとなっています。さらに、2020年にルバー間の双方向連成解析を実現します。並列

速し、2019年12月の欧州グリーンディールの発ン送受信は、並列カプラー「REVOCAP_Coupler」

が国においても昨年12月にグリーン成長戦略が発ルバーとカプラーの通信のイメージを模式的に示はカーボンニュートラルへの取り組みが一気に加表を皮切りに、中国、米国などの発表に続き、わ計算実行中の熱流束と炉容器壁面温度のオンライによって実現します。図に並列連成解析時の各ソ

解析にかかった時間は2.68秒、炉容器の熱伝導解

0.13秒でした。

●⃝●「富岳」を用いた次なるターゲット問題として、燃焼部の容量が電中研炉の約30倍となる、ベンチスケール炉（三菱重工炉）のスーパーシミュレー

ションの準備を進めています。

表されました。

●⃝●

私たちは、2020年4月にスタートした文部科

学省「『富岳』成果創出加速プログラム」において、Society5.0を支える電力システムの主要クリー

ンエネルギー源として期待されるCCS（Carbon

dioxide Capture and Storage）技術の適用に適した次世代火力発電システムの主要構成機器である石炭ガス化炉と超臨界圧CO2ガスタービン、および洋上ウィンドファームについて、それぞれの高精度かつ高速なデジタルツインを構築し、実機エネルギーシステムの開発、設計、運用の最適化に活用できるようにして、それらの実用化を大幅に加速することを目的とした研究開発を進めて

います。

●⃝●

具体的には、本プロジェクトに先立ち2014年

12月から2020年3月まで進めてきた文部科学省ポ

スト「京」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」プロジェクトにおいて、「富4

計算工学ナビ Vol.20▲並列連成解析時の各ソルバーとカプラーの通信のイメージ

特集「富岳」成果創出加速プログラム

スーパーシミュレーションとAI を連携活用した実機クリーンエネルギーシステムのデジタルツインの構築と活用

洋上ウィンドファームのスーパーシミュレーション
エネルギー源として次世代火力発電システム及ような実機大規模風車を対象とした解析では、精度かつ高速なデジタルツインを構築し、実機車後流（wake）の数 m ～数十 m の渦、大気境

び洋上ウィンドファームについて、それぞれの高東京大学大学院
工学系研究科エネルギーシステムの開発、設計、運用の最適

吉村 忍 教授

界層内の数百m～1kmに及ぶ巨大な乱れを同時化に活用できるようにして、実用化を大幅に加に解析する必要があり、高精度のマルチスケー●⃝●

る上で本質的に重要となります。サイトごとの速することを目的とした研究開発を進めています。
エネルギー資源小国であるわが国にとって、ブレードまわりに生じる数ミクロンの渦から、風

具体的には、2014年12月から2020年3月まで

ル解析が発電性能や疲労寿命を高精度に予測す風況（年間の風速分布や風向分布）を考慮しつつ、エネルギー問題はエネルギーセキュリティの観進めてきた文部科学省ポスト「京」重点課題

務の観点からも喫緊の重要課題です。2018年に用化」プロジェクトにおいて、「富岳」での活下を高精度に予測し、同時に後流に晒される後群（「ADVENTURE」、「FFB」、「FFR-Comb」、

労損傷評価を高精度化し、その情報に基づき適点からも地球温暖化問題対応に向けた国際的責決定された第5次エネルギー基本計画においては、「安全性」、「安定供給」、「経済効率性の向上」、「環境への適合」というエネルギー政策の基本方針にのっとり、電源構成については、あらゆる面（安定供給、コスト、環境負荷、安全性）で優れる

エネルギー源はないとの前提のもとに、エネルギー
源ごとの特性を踏まえ、エネルギーミックスの実現に向けた取り組みを強化することとなっています。さらに、2020年にはカーボンニュート

ラルへの取り組みが一気に加速し、2019年12月⑥「革新的クリーンエネルギーシステムの実用を念頭に開発を進めてきたアプリケーション「REVOCAP_Coupler」、「RC (RIAM COMPACT)

HPC 版」）に基づくマルチフィジクス・マルチスケール統合シミュレーション（スーパーシミュレー

Society5.0を支える電力システムの主要クリーン●⃝●現在大型風車としては、風車ブレード構造なルを対象としました。大型風車まわりの大規模●⃝●

ここでは、洋上ウィンドファームのスーパーシム開発が計画されています。１基あたりの発電

私たちは、2020年4月にスタートした文部科学

切に保守運用していくことが必須となります。

速なデジタルツインを構築します。

12月にグリーン成長戦略が発表されました。

省「『富岳』成果創出加速プログラム」において、

方配置風車の流体構造連成振動に基づく累積疲

どについて詳細な情報が公開されている米国再各クリーンエネルギーシステムの高精度かつ高ミュレーションの現状について述べます。わが●⃝●車の後流による下流側配置の風車の発電性能低ションと称する）とAI（機械学習）を連携活用し、の欧州グリーンディールの発表を皮切りに、中国、米国などの発表に続き、わが国においても昨年

大型風車間の相互干渉、すなわち上流側配置風

生可能エネルギー研究所（NREL）の5MW モデ

マルチスケールLES 流体解析には、並列LES 乱
流解析コード「FFB」を用い、単基の解析や2基を直列にタンデム配置したモデルの解析を実施

国では、2030年に400万kWの洋上ウィンドファー

し、風車の発電性能および後流の影響を受ける

設備容量が5MW ～20MW に及ぶ大型発電用風ます。さらに、「FFB」から得られる風車ブレー

後方配置風車の発電性能低下を高精度に評価し車は高さ243mの東京都庁並みの大きさがあり、ドに作用する流体力分布の時刻歴データを、複1km間隔で数十機が並ぶ規模となります。このの構造解析モデルに入力し、並列構造解析コー

洋上ウィンドファームでは、それらが数百 m ～合材料構造を詳細にモデル化した風車ブレード

ド「ADVENTURE_Solid」を用いて動的応答解析を実施します。そこから得られた詳細な応力の時刻歴データを元に「ADVENTURE_Fatigue」

を用いてブレード内に生じる累積疲労損傷分布を定量的に評価します。この連成解析を通して、
流入風速、そこに重畳する乱流成分、大気境界層のシェア、後流などの流体の複雑な特性が、累積疲労損傷に与える影響を詳細に分析することも可能となります。
「FFB」から「ADVENTURE_

Solid」へのデータのオフライン受け渡しは、石炭ガス化炉のスーパーシミュレーションの項で述べた「REVOCAP_Coupler」の並列データ変換機能を活用します。さらに、大型風車が数十基並ぶ洋上ウィンドファーム全体を対象とした

多風向（16～24方位）のLES乱流解析には、「RC

HPC 版」を活用します。
「RC HPC 版」では、ラインアクチュエータモデルと呼ばれる工学近似

モデルによって風車をモデル化しています。このため、先に述べたタンデム配置モデルの解析

を「FFB」と「RC HPC 版」を用いて独立に行い、両結果を比較検討することによって、「RC HPC版」の風車モデルの高度化を計画しています。

図に、定格風速を与えた際の風車ブレードの累▲NREL5MW 風車ブレードの累積疲労損傷解析事例

積疲労損傷解析事例を示します。

5

特集「富岳」成果創出加速プログラム

航空機フライト試験を代替する近未来型設計技術の先導的実証研究

最新の圧縮性 LES研究と「富岳｣で航空機開発に第二のイノベーションをグラム」の「航空機フライト試験を代替する近未来型設計技術の先導的実証研究」課題では、

東北大学大学院工学研究科
航空宇宙工学専攻

河合 宗司 教授

非定常な圧縮性流体現象を高忠実に再現するなる、実飛行レイノルズ数レベルRec ～107の主

年の基盤学術研究成果と「富岳」により、このLES 解析も実施しています。図2は「富岳」を用

LES（Large-Eddy Simulation）解析に関する近翼基本形状を対象とした380億点規模の大規模課題を解決に導き、さらには本技術が現状の実いた最新の解析結果で、「京」で実施可能であっ機空力設計における第二のイノベーションとな

べると、翼前縁での乱流遷移が早まり（遷移形

機フライト試験への依存度を激減させる、航空

り得ることを先導的に実証していくことを目指した風洞試験レベルのレイノルズ数Rec ～106と比態も変わっています）、失速を引き起こす翼後縁

航空機は空気の力を使って飛ぶことが基本原理であることから、空力性能の予測・評価は航ています。

もあり、非常に重要な要素になります。この航空「FFVHC-ACE」は、航空機実機複雑形状・実飛

ノルズ数レベルRec ～107の翼型LES 解析は世界後半からの時間平均流れ場を対象とする圧縮性実現させ、ものができる前の設計初期段階で上のデータとすることはもちろんのこと、高精度な

Averaged Navier-Stokes＞解析）の発展とスパを抜本的に向上させることを目指したアプリとなっ開し、成果を学術界・産業界が広く享受できる

コストと時間を要する風洞試験への依存度は激使える解析速度で航空機実機複雑形状の解析を空機開発における一丁目一番地といわれること
機空力設計に革新をもたらしたのは、1970年代

CFD（数値流体力学）技術（RANS＜Reynolds-〇●〇

本課題で開発している基盤アプリケーション

行レイノルズ数Rec ～107での圧縮性LES 解析を

記空力設計上の重要課題に対する予測評価精度

での乱流剥離が抑えられる傾向にあることが分

かり、航空機空力性能におけるレイノルズ数依

存性の強さが改めて見て取れます。実飛行レイ初の成果であり、今後モデル開発や検証のため

高レイノルズ数乱流データベースとして広く公ています。また格子生成を含め、設計プロセスにようにしていく予定です。

減し、CFD 技術は今や航空機開発に欠かすこと実現するため、階層型等間隔直交格子法と埋めれも数百から数千億点規模の大規模非定常流

CFDに関する基礎学術研究成果とスパコンの登雑形状への自動格子生成技術を基盤とし、よりの大規模複雑流体現象データからキーとなる

置するオプションも持たせる形で開発を進めていらには Capability Computing からどうCapacity

数を飛躍的に上げる必要があり、壁面近傍内層

一定の方向性を示していきたいと考え研究を進コンの登場でした。これにより、従来の莫大なのできない技術となっています。これは圧縮性

場が実を結んだ、航空機空力設計における（第一の）大きなイノベーションといえるでしょう。

しかし一方で、航空機空力設計で用いられているRANS 解析は、ひとたび巡航条件から外れ、流れの非定常現象が支配的になったり、離着陸時の高揚力装置など複雑な形状になると、途端に空力予測精度が悪化し、設計に使うことが困

込み境界法ベースの壁面モデルLESを用いた複形状再現性の高いレイヤー格子を壁面近傍に配ます。いずれの場合も、LESが可能なレイノルズ
乱流をモデル化する独自の学術成果・壁面モデ

ルLESが実装されていることが特徴の1つです。

本課題における「FFVHC-ACE」のターゲットは、

以上のように本課題で実施する解析は、ど解析となります。本課題では、これら次世代

流体現象をどのように抽出し、解析するか、さComputing につなげていくか、についてもある

めています。

最後になりますが、本課題では、1970年代後半からの圧縮性 RANS 研究やスパコンの登場

航空機の離着陸性能を決める重要な空力特性でが風洞試験への依存度を激減させ、航空機開わる遷音速バフェット境界予測などが、その代はそのテスト解析結果ですが、世界初となる航われわれが進める最新の圧縮性 LES 研究と「富実機フライト試験など試験機製造後でないと評

縮性 LESによる空力予測評価を実証し、本手法として航空機実機フライト試験への依存度を激設計開発技術と成り得ることを先導的に示してもたらすよう、研究開発を進めていきたいと考難となります。離着陸性能を決める最大揚力や失速予測、高速飛行域の飛行限界や安全性に関表例です。このため現状では、開発下流段階のある最大揚力の予測評価に設定しています。図1
空機実機複雑形状・実飛行レイノルズ数での圧価できない空力上の重要課題が残っており、開が実機フライト試験を代替する次世代の航空機

クとなっています。
「『富岳』成果創出加速プロ

いきたいと考えています。また本課題では、高発下流段階での重大な設計の手戻りや開発リス▲図1「FFVHC-ACE」による航空機全機離着陸形態複雑形状の解析例

6

次精度（6次精度コンパクト差分法）構造格子ソ

ルバーと「富岳」を用いることで初めて可能と計算工学ナビ Vol.20

発に第一のイノベーションを起こしたように、岳」の登場が、次世代の航空機空力設計技術減させ、航空機開発に第二のイノベーションをえています。

▲︎図2「富岳」を用いた実飛行レイノルズ数レベルの主翼基本形状大規模 LES 解析
上図：「富岳」で実施した実飛行レベルRec ~ 107のLES 解析
下図：「京」で実施した風洞試験レベルRec ~ 106のLES 解析

産業界における「富岳」の利用促進「富岳｣を産業界で活用するための株式会社ヴァイナスの取り組み
な性能向上と高効率化が可能になります。さら

CFD可視化ポストプロセッサ「FieldView」を利不可欠なツールとして、強力な計算能力を利用現象が発生している時空間を切り出して可視化にCO2の分離回収も容易にするシステム開発に株式会社ヴァイナス

藤川 泰彦

代表取締役社長

できる「富岳」での機能提供を検討しています。

する手法です。例えば自動車の車体設計では「時技術の製品開発への適用が可能となると考えて気の流れがわかる真横からのアニメーション」

また「富岳」により大規模多目的最適化設計

います。宇宙航空研究開発機構（JAXA）が開発した多目的設計探査アルゴリズム「CHEETAH」
株式会社ヴァイナスは、CAE やCFDに関連したソリューションやサービスを通して、自動車、
航空、重工業、創薬など、さまざまな分野の大を最適化エンジンに備え、製造業の形状最適

速100kmで走行した場合の車体後部に起きる空というように、範囲を限定してHPC 上で可視化

データを生成します。この方法では、利用者は計算結果すべてをダウンロードする必要はあり

化 設 計 で 必 要 な 機 能 と GUI（Graphical User

ません。また可視化工程をHPC 上で実行するたを産業界に向けて進めてきました。
「CHEETAH」

い範囲をいくつか指定してHPC 上で並列処理さ件からなる設計パラメータ問題でも安定的かつ結果をスピーディに取得することが可能です。

Interface）を備えたパッケージシステムの開発

規模・高速・最適設計を支援しています。特には４目的以上の目的関数、加えて多くの制約条

高機能化や設計者を想定したシステム構築サー

高速に探査計算をすることができます。これら

HPCの利用につきましては、数値計算の高速化・用し、HPC で行った計算結果のなかから重要なめ、作業を大幅に効率化できます。可視化した
せれば、個々のデータ量をおさえつつ、多くの「モード分析と低次元化」は、HPC で出力しビスなどを推進してきました。これらの実践をの解析実行システムを「富岳」で活用することで、た膨大な解析結果を自動でふるいにかけ、人間

ざまな取り組みについて紹介します。

術を製品開発に適用できるようになります。

んで可視化することを意味します。宇宙航空研

踏まえ、「富岳」を産業界で活用するためのさま「富岳」クラウドと利用支援サービス
理化学研究所による“「富岳」のクラウド的利

大規模多目的最適化設計を迅速に行うための技「富岳」時代の新たなポストプロセッシング
産業界で「富岳」などのスーパーコンピュー用にむけたプロジェクト”として、理化学研究所、タを利用する際の課題のひとつは、生成される「商用アプリケーションの利用環境提供サービ

結果の評価が困難になるということです。特に計算科学振興財団(FOCUS)と「APSサービス」、

計算結果が膨大な量になり、設計業務での計算ス」、「準最適計算手法スケジューリングサービス」

さまざまな研究・設計に用いられるCFD（数値と効果を検証しています。本プロジェクトでは、タサイズが大規模化し続けています。計算結果の共同研究に取り組み、サービスの実現可能性

流体解析ソフトウェア「HELYX」を対象に「富岳」のクラウド的な利用を想定して、プログラムの移植や性能評価を実施しています。商用ライセ

流体計算）解析は、HPCの進化とともに年々デーが膨大になると、設計者の判断に役立つよう可視化する工程（ポストプロセッシング）に時間がかかり、結果的に設計業務で利用されなくなンスの課金方式やユーザーサポート提供方法なります。これらの課題に対し「新たなポストプ

デルについても検討しています。

「可視化並列処理とデータサイズの縮小化」、「モー

ども含め、クラウドサービスによる事業収益モ「富岳」を活用する商用アプリケーション「HELYX」は OpenFOAMを強化した汎用流体

ロセッシング」と題して、「性能・関数評価グラフ」、

ド分解と低次元化」の3つソリューションを提供

ンモジュールを追加することで、より高速、高で可視化された解析結果よりも、数値とグラフで年々大規模化しており、前述の共同研究プロジェ

タ量は少なくて済みます。グラフを出力するため

大規模・高精度・高速計算を可能にするアプリ多数用意し、これらを無償で提供しています。

クトにより「富岳」に移植された「HELYX」は、ケーションとして産業界から期待されています。
「富岳」のコンピューティングパワーを必要とするアプリケーションに、超臨界流体・超音速・

化学反応対応の流体ソルバー「CRUNCH CFD」があります。日本政府による“2050年までに二酸解 )および DMD( 動的モード分解 )といった低次元化技術に機械学習を融合させたアルゴリズム「FBasis」をベースに、産業界で利用できるように機能を拡張した「VFBasis」を開発しました。
既に自動車の走行時に起きる振動や、冷却ファンが発する騒音の原因となる空気渦の特定などで利用されています。

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そのほか、計算科学振興財団(FOCUS) 高度計

算科学研究支援センターに「富岳 /FOCUSスパ

コン利用支援センター(C-CAT)」を設置し、ユー

ザーの利用支援に向けた準備を行っています。
今後も産業利用の観点から「富岳」やHPCIの利用促進に尽力してまいります。

「性能・関数評価グラフ」は、解析を行った製品の性能をグラフによって直接評価できるように精度な計算へ対応可能です。流体解析データは

究開発機構(JAXA)が開発したPOD( 固有直交分

しています。

数値計算ソフトウェアです。チューニングによりロバスト性が向上したソルバーに各種アドオが理解しやすいように重要なものだけに絞り込することです。設計者にとっては、画像や映像

表されたデータの方が判断しやすい上、必要なデーのテンプレートを設計する機器や目的に合わせて「可視化並列処理とデータサイズの縮小化」は、▲「富岳」のクラウド的利用に向けた共同研究プロジェクト

化炭素の排出量を実質ゼロにする「カーボンニューラル」宣言”により、製造業ではこれを実現する

技術力と製品開発力が課題となることが予想されます。
「CRUNCH CFD」はこのような課題解

決の鍵となる超臨界CO2によるガスタービン機関

やそのなかでの水素燃焼などのシミュレーションに適用でき、駆動装置や発電装置などの飛躍的◀︎「富岳」時代の新たな
ポストプロセッシング

7

（画像提供：一般財団法人日本造船技術センター）

今号の表紙

船体とプロペラとの干渉効果を求めるLES計算「Wall-Resolved Large Eddy Simulation(WR-LES) とよばれる高精度な乱流解析手法に基づいた大規模解析によって、船体表面に発達する乱流境界層中のサブミリスケールの渦と回転するプロペラとの相互作用を正確に計算しています。図は船尾近傍の流れの様子を示したものです。
「富岳」のプロジェクトでは、このような大規模な数値計算によって水槽試験を数値シミュレーションで代替えすることを目的とした実証解析を実施しています。
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
日本造船技術センター技術開発部技術企画課
西川 達雄
編集後記
今号は、
「富岳」を用いた成果を早期に創出することを目的として 2020
年度から進められている「『富岳』成果創出加速プログラム」を特集しました。このプログラムでは、①人類の普遍的課題への挑戦と未来開拓、②国民の生命・財産を守る取組の強化、③産業競争力の強化、④研究基
盤の4領域19課題が選定され、選定された各課題は「富岳」の計算資源の優先的な使用により速やかな成果創出を目指しています。今回、このなかの領域③から3課題5つの研究テーマを紹介しました。
一方、「富岳」は、産業界が利用しやすい環境を提供する取り組みにも力を入れており、クラウド的利用サービスに向けた研究開発なども始まっています。そこで、今号では、産業界における「富岳」を利用した取り組みについても紹介いたしました。
いよいよ供用開始を迎える「富岳」に大きな期待が寄せられています。

計算工学ナビ オフィシャルサイト
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計算工学ナビ Vo l.20
発行日： 2021年3月10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