学際大規模情報基盤共同利用・共同研究拠点 2021 年度共同研究 最終報告書

jh210038-NAH

複雑流動場におけるスカラー輸送過程の解明を目指した大規模数値計算 ：実験計測データとの比較による数値モデルの構築
恒吉達矢（名古屋大学）
概要 OpenFOAM を用いて，T 字管合流部を対象に熱や物質のスカラー輸送を伴う配管流れの数値流体計算を実施した．高サイクル熱疲労を対象とした計算では，T 字管合流部で生じる低温流体と高温流体の温度混合と配管壁面への熱伝達および配管構造内の熱伝導を連成した計算を実施した．計算は Large Eddy Simulation により行い，流動場と温度場の計算結果は実験値とよく一致しており，高い精度で計算が実施できたことを確認した．流れ加速型腐食を対象とした計算では，壁面から流体中への鉄イオンの物質伝達をパッシブスカラーとして計算した．T 字管合流部のフローパターンの違いにより壁面の物質移行係数の分布が大きく異なることを明らかにした．3 次元流動場の可視化により，渦に代表される流体構造が物質伝達に大きく影響していることを明らかにした．

1. 共同研究に関する情報的な影響は壁面の物質移行係数として評価すること(1) 共同研究を実施した拠点名ができる．一方，高サイクル熱疲労は流体中の温度名古屋大学変動が配管壁面に伝わることにより発生する．そのため，同じ配管要素における流動場が対象であって(2) 共同研究分野

も，異なる境界条件のスカラー場において，どのよ超大規模数値計算系応用分野

うなスカラー輸送の違いが現れるかは明らかではな
い．

(3) 参加研究者の役割分担

本研究では，異なるスカラー場におけるスカラ恒吉 達矢(名大)大規模計算と研究総括

ー輸送の普遍性と特異性について考察する．複雑流

Ali Mehrez(名大)大規模データの統計量解析

動場におけるスカラー輸送の特性を明らかにするこ

辻 義之(名大)実験データの統計量解析とは，配管安全管理の高度化だけでなく，乱流スカ

高橋 一郎(名大)大規模データの可視化

ラー輸送の効率的な利用や制御といった工学応用に広く寄与するものと期待される．

研究の目的と意義
当拠点公募型研究として実施した意義

発電プラント（火力，原子力）における熱や物質のスカラー輸送を伴う配管流れの数値流体計算を実施し， 本研究では流体の数値計算に，オープンソ ースコ
配管安全管理の高度化に資する知見を得ることを本ードである OpenFOAM を用いる．商用コードはラ研究の目的とする．

イセンスの制約から大規模計算の実施が容易ではプラント配管の高経年化による配管疲労・損 傷のなく，名古屋大学情報基盤センターは並列計算に要因として，高サイクル熱疲労および流れ加速型腐対する障壁の少ない OpenFOAM の利用を推進食があげられる．流れ加速型腐食と高サイクル熱疲しており，本研究の実施に適している．名古屋大

労はともに配管壁面と流体間でのスカラー輸送の結学のシステムは 2020 年 7 月に新システムに更果として生じる現象であるが，そのスカラー輸 送の新 さ れ た が ， 新 シ ス テ ム に お け る type 1

方向は異なっている．流れ加速型腐食は壁面から流(FUJITSU

体中への鉄イオンの物質伝達現象であり，流体力学(FUJITSU PRIMERGY CX2570 M5)の両サブシ1

PRIMEHPCFX1000)

type2

学際大規模情報基盤共同利用・共同研究拠点 2021 年度共同研究 最終報告書

ステム に対して，OpenFOAM のコンパイル情報

め並列数分の paraview サーバーを pvserver コが提供されており，計算環境の円滑な構築が可 能

マンドで立ち上げ，クライアントとして使 用するである．名古屋大学のシステムは大規模データ処

paraview からサーバーに接続する必 要がある．

理 系との連携も優れている．流体の数値計算でOpenFOAM に 含 ま れ る デ ー タ リ ー ダ ー のはプリポスト処理において，大容量のメモリを必PVFoamReader は，並列版のサー バーに接続した要とする．また，3 次元空間において種々のスケ時点で使用できなくなる．そのため，データリーールからなる複雑な流動構造を理解するためには， ダ ー と し て は

paraviewが も つ適切な可視化が必要となる．大 容量メモリを搭載

vtkOpenFOAMReader を 使 用 す る 必 要 が あ る ．

し た Type 3 サブ システ ム (HPE Superdome

vtkOpenFOAMReader は OpenFOAM からバイナリでFlex)ならびに高精細（8K 解像度）ディスプレイ書き出されたメ ッシュ情報のうち 64bit 整数のシステムを有し，高度な可視化技術をもつ名古屋

読み込みでエ ラーとなることがある．この問題に大学情報基盤センターは本研究の実施に適する．

対しては， 64bit 整数の部分のみアスキーで出力することで対処可能であることを確認した．

2. 前年度までに得られた研究成果の概要(3) 高サイクル熱疲労を対象とした計算 T 字管合(1) OpenFOAM を用いた並列計算 流体の数値計算流部において，低温流体と高温流 体の温度混合ににはオープンソースコードである OpenFOAM を用より発生する高サイクル熱 疲労を対象とした

いた．流れ加速型 腐食の計算のために独自に作成

Large Eddy Simulation (LES)を行った．LES はグしたコードを継続使用す るために，OpenFOAM のリッドスケール以 下の渦の影響のみをモデル化

バージョンは v1712 を用いた．名古屋大学のすることによ り，計算負荷を低減しつつ，流動場

type2 サブシ ステム，type3 サブシステム，クラの特徴的 な構造を高い精度で解析することが可

ウドシス テムでの使用を前提に OpenFOAM のコン

能な 流体力学計算の手法である．表 1 に計算条件，パ イルを行った．並列計算のためのライブラリ

図 2 に計算領域の概要を示す．T 字管合流部の熱は Intel MPI 2020 を用いた． (2) paraview を流動だけでなく，配管構造内の熱伝導を 連成解析用いた大規模可視化 ポスト処理における可視化

す る ため ， OpenFOAM のソ ル バの ひ とつ であ るの方法につい て検討した．要求される OpenGL がchtMultiRegionFoam を使用した．メッシュは 6 面

3.3 以上 の制約があるが，より詳細な描画設定が体セルで作成しており， 流体部と配管部を合わせ可能となったバージョン 5.5.0 以降の paraviewて約 8500 万セルである．type2 サブシステムにおを用いる．具体的には，type3 サブシステム に用いて 728 並列で計算を実施した．T 字管合流部に意されている paraview-5.8.1 および OpenFOAM

おける高サイクル熱疲労を対象とした計算では，の ThirdParty-v2006 に含まれる paraview-5.6.3

主管から流入する温度 25 °C の低温流体と枝管を用いた．OpenFOAM では計算領域のメッシュを領から流入する 温度 60 °C の高温流体の温度混合域分割したうえで並列計算を実施する．そのため，を計 算 す た． 流 動 場 の 条 件 と し て 入計算結果の時系列データは分割された 領域ごと

口には mappedPatch という境界条件を用いて，下に出力される．計算結果を一つの領域に再結合し流方向長さ 4𝐷の位置の断面における物理量を参て可視化する方法もあるが，分割されたままのデ照して入口境界の値を定めている．これ により，ータを直接的に扱えることが望ましい．また，大入口から下流方向長さ 4𝐷の区間は発 達乱流を生規模な計算結果の可視化のためには，paraview を成するドライバーとして機能する．計算条件は，逐次処理ではなく並列処理で実行したほうがよい． 原子力安全シス テム研究所(INSS)において実施
並列版の paraview を実行するためには，あらかじされた流体・ 管壁温度測定実験における実験条件2

学際大規模情報基盤共同利用・共同研究拠点 2021 年度共同研究 最終報告書に合わせている．乱流の初期発達として 2 秒間のおける流体の 温度のコンター図である．(a)(b)の計算の後に，統計解析時間として 100 秒間の計 算

瞬時場では多数の渦構造による擾乱が見てとれるを実施した．

が，(a’)(b’)に示すようにローパスフィルタ ーをかけることで枝管の後流の再循環領域が左右に3. 今年度の研究成果の詳細大きく揺らいでいることが確認できる．このような低周波で大規模な温度変動が，壁面で高サイク昨年度の JHPCN 共同研究課題(jh200048)で は，初ル熱疲労が発生する要因と考えられる．

めに, type II サブシステム，type III サブシス
テム，クラウドシステムでの使用を前提に，既往研究で 使 用 実 績 の あ る OpenFOAM-v1712のコンパイルを行った．並列 計算のためのライブ
ラリは Intel MPI 2020 を用いた．計算のプレ処理として，Type III サブシステム(HPE SuperdomeFlex)を用いて メッシュ生成および並列計算のための領域分割を行った．メッシュは 6 面体セルで作成しており，高サイクル熱疲労を対象とした計算で約 8500 万セル，流れ加速型腐食を対象とし

図 1 壁面近傍の温度場．
(a)(b)は瞬時の温度場，た計算で約 720 万セル～約 2600 万セル である． (a’)(b’)はローパスフィルターをかけた温度場．
type II サブシステムおよびクラウドシステムを4.

用いて時間発展の計算を進め ている．

今後の展望

今年度課題では，主に高サイクル熱疲労を対象とした追加計算と解析を進めている．Large Eddy

ローパスフィルターをかけた時系列データを対象

Simulation による計算において，統計解析時間とに可視化を行うことで，T 字管合流部における低して 100 秒間という比較的長い時間発展の計算

周波で大きく揺らぐ温度変動の様相を明らかにしを完了した．構築した時系列データを対象に，T 字た．今後は，流体側の温度変動が壁面構造物の温管合流部における高温流体と低温流体の混合によ度変動に与える影響を定量的に評価するために，る温度の時間変動の解析を実施した．1kHz でサン

非定常熱伝達率の算出を実施する予定である．

プリングした 100 秒間で 10 万点の時系列データ

非定常熱伝 達率は次式で定義される．

より温度変動のパワース ペクトルを求めた．配管|𝐺|2 =構造側のデータは界面に隣接するセルの値を用い，exp⁡(−𝑐𝑦)2𝑒 2 + 2𝑒 + 1

流体側は界面から y=3.5mm 離れた位置のセルの値を用いた． 合流部の混合層で発生する渦列が通過

𝑒=する位置において，周波数が約 4Hz の特徴的なピ√𝜋𝜌𝐶𝑝 𝑘𝑓⁡⁡,ℎ4𝜋𝜌𝐶𝑝 𝑓𝑐=√⁡⁡⁡⁡𝑘ークが確認できた．ただし，高サイクル熱疲労でℎ：非定常熱伝達率，𝑦：構造側壁面距離，𝜌： 構影響が強いのは，渦列による周波数よりも低い周造側密度，𝐶𝑝：構造側熱容量，𝑘：構造側熱 伝導波数での変動によるものとされている．低周波数率の変動の様相を明らかにするために，3Hz 以下のローパスフィルターをかけた時系列データを作成

ここで，|𝐺|2は流体側と構造側の温度変動スペクし解析した．統計処理 には Type III サブシステトルの比として計算でき，求めたスペクトル比にムを用いた．図 1 は壁面近傍(y=3.5mm)の位置にカーブフィッティングすることで非定常熱伝達率3学際大規模情報基盤共同利用・共同研究拠点 2021 年度共同研究 最終報告書を算出する．非定常熱伝達率の空間的な分布は実験的にも求められておらず，本解析の結果は重要(3) 国際会議発表 （査読なし）な知見になると期待される．さらに，温度場だけ(4) 国内会議発表 （査読なし）

でなく，流動場についてもローパスフィルターを(5) 公開したライブラリなどかけた 時系列データを作成し，どのような流動構(6) その他（特許，プレスリリース，著書等）

造が温度変動に寄与しているか明らかにする ことを目指す．

5. 今年度の進捗状況と今後の展望
流れ加速型腐食を対象とした計算では，主管と枝管の流入運動量比を変え，主管の流れが強い壁面噴流条件と枝管の流れが強い衝突噴流条件の 2 条件を対象に LES による計 算を実施した．標準ソルバの pimpleFoam をベースとし，パッシブスカラーとして濃度場を計算するコードを追加して用いた．合流部のフローパターンの違いにより，壁面の物質伝達の強さを表す物質移行係数の分布が大きく異なることを明らかにした．type 3 サブ シ
ステムを用いた 3 次元流動場の可視化を実施し，合流部で発生する渦構造と壁面の物質伝達の関係について考察した．今後は，時系 列データを構築した 2 条件の解析を進めるとともに，主管の流れと枝管の流れの強度が同程度の偏向噴流条件での計算を実施する予定である．また，壁面の物質移行係数を直接的に測定する実験も進めており，実験と数値 計算の比較も行っていく予定である．

6. 研究業績一覧（発表予定も含む．投稿中・投稿予定は含まない）(1)

学術論文 （査読あり）(2) 国際会議プロシーディングス （査読あり）
Tatsuya Tsuneyoshi, Yoichi Utanohara, Koji Miyoshi,
Yoshiyuki Tsuji, Numerical calculation of heat transport
process in complex flow field and comparison withexperimental measurement, The 13th InternationalTopical Meeting on Nuclear Reactor ThermalHydraulics, Operation and Safety (NUTHOS 13).
Taichung, Taiwan, September 5-10, 2022.
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