先駆的科学計算に関するフォーラム 2016
～ 先端的計算科学研究プロジェクト成果報告 ～遷音速軸流圧縮機における衝撃波を伴う複雑内部流動現象の解明
九州大学
工学研究院機械工学部門
古川 雅人
2016/4/27

Kyushu University
Department of
Mechanical Engineering
Fluids Engineering Science Lab.

Fluids Engineering Science Lab.

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多段軸流圧縮機
 航空機用・産業用ガスタービンの主要構成要素のひとつ
 ガスタービンの熱効率向上を企図して多段軸流圧縮機の高圧力比化が進む⇒ 多段圧縮機の各翼列あたりの空力負荷が増大

航空機用ガスタービン
2016/4/27

産業用ガスタービン
Fluids Engineering Science Lab.

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前年度：遷音速多段軸流圧縮機の旋回失速の解明
 翼列あたりの空力負荷の増大：
 動翼列回転速度の高速化⇒ 遷音速流れ場の形成（亜音速流れと超音速流れの混在） 圧縮機翼列での失速が発生しやすい

研究目的
 「遷音速軸流圧縮機の失速点近傍における不安定流動現象の解明」遷音速多段軸流圧縮機の全周を対象
DES（Detached Eddy Simulation）による大規模計算
知的可視化による流動現象の抽出
計測が困難な不安定流動現象（旋回失速）を解析する
2016/4/27

Fluids Engineering Science Lab.

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前年度までの成果
 大規模DES計算
 k-ω二方程式乱流モデルに基づいたDES計算
 19.1億格子セル（7,296並列）を用いた失速点近傍の非定常解析

 解析結果 動・静翼列干渉の影響が顕著
 失速直前に，５段静翼列でハブ側コーナーはく離が発生
 その後，６段静翼列のハブ側コーナーはく離が非軸対称性を伴って成長 ⇒旋回失速の発生 低速の単段軸流圧縮機での旋回失速初生メカニズム（動翼先端部の前縁はく離から成長した竜巻状はく離渦が支配）との相違
2.2 rev

2.2 rev

2.7 rev

T.E.
L.E.

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Fluids Engineering Science Lab.

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H27年度採択課題
 「遷音速軸流圧縮機における衝撃波を伴う複雑内部流動現象の解明」
前方の遷音速軸流圧縮機に着目：衝撃波の効果が顕著
衝撃波と翼端漏れ渦および翼面境界層との干渉を詳細に解析
多段の効果もあわせて初段部＝遷音速段（亜音速流れと超音速流れの混在）

先進ガスタービン
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Fluids Engineering Science Lab.

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発表内容
 計算スキーム
 緩和形陰的高解像度風上スキーム
 k-ω二方程式乱流モデルに基づいたDES（Detached EddySimulation）計算 知的可視化 特異点理論に基づいた渦構造の同定
 LIC（Line Integral Convolution）法による限界流線のトポロジー解析

 解析結果 超大規模な計算結果データから，遷音速流れ場における流動現象を解析

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解析対象
 先進ガスタービン用２段遷音速軸流圧縮機
 ２段にわたって 遷音速流れ場（高マッハ数）
 全周にわたる１０４翼間解析領域

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Fluids Engineering Science Lab.

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計算格子
 実機形状を忠実に再現した計算格子
 各翼間あたり350～730万セル × 全周（104翼間）
 総計算セル数＝約4.5億
 壁面上の最小格子幅 y+ < 1
格子点数（1pitch）

格子点数（full）

Strut

1,123,584

4,494,336

1st-Rotor

7,300,608

138,711,552

1st-Stator

3,447,552

96,531,456

2nd-Rotor

4,129,920

94,988,160

2nd-Stator

3,449,088

117,268,992

合計

19,450,752

451,994,496

フィレット

部分クリアランス
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数値計算手法
数値計算手法 有限体積法
Cell-Centered法による離散化 陰的時間進行法
非粘性流束の評価
近似リーマン解法（SHUS）
MUSCL形三次精度TVD法
粘性流束の評価
Gaussの発散定理を用いて中心差分的に評価

 乱流モデルk-ω ２方程式モデルベースのDES
DESにおけるDES定数：CDES=1.60
 緩和解法MFGS（Matrix Free Gauss-Seidel）による点緩和解法
５回のニュートン反復 時間刻み幅
動翼１回転当たり10000Step

境界条件
 入口境界条件
全圧・全温・ピッチ角・ヨー角を指定 出口境界条件
質量流量を指定2016/4/27

 壁面境界条件
セル界面における滑りなし条件を規定
壁面仮想セルの静温は実験計測結果に基づく分布を与える（等温条件）

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知的可視化 １０４翼間にわたる超大規模な計算結果データの出力
 １０ＴＢ超の計算結果データ
 計算結果データからの流動現象の抽出が困難
 従来の可視化手法では限界（特に，現象が未解明の場合）
 超大規模解析における後処理のインテリジェント化が不可欠 知的可視化 特異点理論に基づいた渦構造の同定
 LIC（Line Integral Convolution）法による限界流線のトポロジー解析
 超大規模な計算結果データから⇒ 失速点近傍における非定常流動現象を的確に抽出

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解析結果：58%スパンでのマッハ数分布
M1.6Rotation0.0

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解析結果：マッハ数分布および渦構造
Point A-2（w_B.L.）
 10%スパン位置M 50%スパン位置

1.60.0 90%スパン位置

 90%スパン位置と渦構造• 全スパン位置で離脱衝撃波を確認• 50%～90%スパン位置で流路衝撃波を確認• 衝撃波と翼端漏れ渦の干渉が発生
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解析結果：限界流線と渦構造（1段動翼）
Hn

剥離線
付着線

1段動翼
 Point A Point A-1（ wo_B.L. ） Point A-2（ w_B.L. ）SuctionSuction

1.0-1.0（入口：全物理量固定）（背圧：2.45×105Pa） （入口：全温・全圧固定）（背圧： 2.45×105Pa）（入口：全温・全圧固定）（背圧： 2.45×105Pa ）Suction
L.E.

L.E.

離脱衝撃波による剥離

L.E.

T.E.

T.E.

T.E.

流路衝撃波による剥離

Pressure

Pressure

Pressure

翼端漏れ渦が隣接翼に干渉

T.E.

L.E.

T.E.

L.E.

T.E.

L.E.

流路衝撃波による剥離

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Fluids Engineering Science Lab.

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解析結果：限界流線と渦構造（１段静翼）
Hn

1段静翼
 Point A Point A-1（ wo_B.L. ） Point A-2（ w_B.L. ）SuctionSuction

1.0-1.0（入口：全物理量固定）（背圧：2.45×105Pa） （入口：全温・全圧固定）（背圧： 2.45×105Pa）（入口：全温・全圧固定）（背圧： 2.45×105Pa ）Suction
L.E.
T.E.

L.E.

L.E.

T.E.

T.E.

Pressure

Pressure

コーナー
剥離渦
竜巻状の剥離渦

Pressure
L.E.

T.E.

L.E.

T.E.

L.E.

T.E.

前縁剥離

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Fluids Engineering Science Lab.

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解析結果：限界流線と渦構造（２段動翼）
Hn

剥離線
付着線

2段動翼
 Point A Point A-1（ wo_B.L. ） Point A-2（ w_B.L. ）SuctionSuctionSuction

L.E.

L.E.

L.E.

1.0-1.0（入口：全物理量固定）（背圧：2.45×105Pa） （入口：全温・全圧固定）（背圧： 2.45×105Pa）（入口：全温・全圧固定）（背圧： 2.45×105Pa ）離脱衝撃波による剥離

T.E.

Pressure
翼端漏れ渦が隣接翼に干渉

T.E.

2016/4/27

T.E.

Pressure
L.E.

T.E.

Pressure
L.E.

T.E.

Fluids Engineering Science Lab.

L.E.

T.E.

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解析結果：限界流線と渦構造（２段静翼）
Hn

2段静翼
 Point A Point A-1（ wo_B.L. ） Point A-2（ w_B.L. ）SuctionSuction

1.0-1.0（入口：全物理量固定）（背圧：2.45×105Pa） （入口：全温・全圧固定）（背圧： 2.45×105Pa）（入口：全温・全圧固定）（背圧： 2.45×105Pa ）Suction
T.E.

T.E.

L.E.

T.E.

L.E.

L.E.

漏れ渦

Pressure
前縁剥離
L.E.

2016/4/27

Pressure
T.E.

Pressure
T.E.

L.E.

Fluids Engineering Science Lab.

T.E.
L.E.

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まとめ
 DES計算
 緩和形陰的高解像度風上スキーム
 k-ω二方程式乱流モデルに基づいたDES計算
 4.5億格子セルを用いた失速点近傍の非定常解析

 知的可視化 特異点理論に基づいた渦構造の同定
 LIC（Line Integral Convolution）法による限界流線のトポロジー解析

 解析結果 実験で得ることが極めて困難な衝撃波の発生形態を詳細に把握
 衝撃波と動翼の翼端漏れ渦との干渉形態を把握
 衝撃波と翼面境界層との干渉に伴うはく離形態を把握
 衝撃波と翼面の非定常干渉に伴う翼負荷（翼に作用する力）の変動を評価

2016/4/27

Fluids Engineering Science Lab.

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