2018/10/25

機械工学入門（流体力学）

0

自然エネルギー変換科学研究室
飯田明由

機械工学入門2018/10/25

自己紹介

1

1988年豊橋技術科学大学大学院工学研究科 エネルギー工学専攻修了
1989年～2001年 日立製作所機械研究所入社
新幹線の低騒音化に関する研究
大型発電機の高効率冷却手法に関する研究
中小型コンピューターの低騒音冷却技術の開発
高速エレベーターの開発
次期ディスクの流体連成振動に関する研究
2001年～2008年 工学院大学助教授
自動車空力騒音の発生機構に関する研究
トンボの飛翔に関する研究
縦軸風車の開発
2008年～ 豊橋技術科学大学教授
空力騒音の発生機構に関する基礎研究
マグナス効果を用いた風力発電システムの開発
マイクロエアビークルの開発
次世代スーパーコンピュータを用いた新世代設計技術の開発

機械工学入門2018/10/25

1

2018/10/25

自己紹介（2）
趣味：仕事（研究）
ものづくりと自転車

2
鳥人間コンテスト（滑空機：3位，人力機：5位）
学生フォーミュラ（‘03～’07）

機械工学入門2018/10/25

機械工学科
応用3

要素技術
医療バイオ（生物から学ぶ）
関節，運動機能，再生医療

統合化技術
ロボット開発動力開発（環境に優しく）エンジン・燃料電池

知能化（より賢く）
人型ロボット・自律ロボット
機能の高度化（より複雑に）昆虫型ロボット，マイクロ材料開発（より丈夫で軽く）ハニカム材・カーボンフィバー

自動化（より便利に）
センサー・制御技術

要素技術（よりスムーズに）
歯車．リンク・アーム
基礎力学（現象解明）
熱・流体・材料・機械力学

共通基盤技術

設計・加工技術

マイクロ・ナノ技術
新素材

システム化（大規模化）
輸送・環境・大規模システム

基礎

基盤
機械工学入門

最適化・自動化

統合化
2018/10/25

2

2018/10/25

機械工学（4力学）

4

電子工学
エンジン工学
航空工学
ロボット工学
制御工学
機械力学 加工法 設計製図
熱力学
情報処理 材料力学
流体力学
音楽

国語

歴史地理

美術

哲学

機械工学入門

英語
物理 化学

数学

2018/10/25

流体力学とは？

5

基礎科目：流体力学
空気や水の流れについて調べ，それを応用した機械や装置を開発
主に，自然エネルギーと流れと音の関係について研究

機械工学入門2018/10/25

3

2018/10/25

研究紹介

機械工学入門6

2018/10/25空力騒音とは？

7

速度の6乗に比例して増大する （高速で急激に増大）
音源と音を伝播する媒質が同じ空気 （音源がはっきりしない）
渦の非定常運動が原因 （非線形性が強い）
機械工学入門2018/10/25

42018/10/25

パンタグラフの騒音低減事例

80

8Circular Cylinder
Circular Cylinder
with small holes70

SPL [dB(A)]

60

50

40

Background noiseof wind tunnel

30

20
100

160

250

400

630
1k
1.6k 2.5k
Frequency [Hz]機械工学入門

4k

6.3k

10k

O.A.

2018/10/25

空力音の制御技術の開発

9

プラズマアクチュエータによる自動車フロントグリル騒音の制御
機械工学入門2018/10/25

52018/10/25

制御効果のデモ画像

10Flow(U0 = 37 m/s, p/L = 0.25, Uj = 2.2 m/s)
機械工学入門2018/10/25

平板翼列騒音（共鳴音）• 平板列からピーク性騒音の発生• 特定の流速で増大• 自動車グリル, 熱交換機, 建造物などで発生し,設計段階での予測・対策が必要

11ybczoxs
Flow U0

Peak (U0 = 44 m/s)

Noise Source of AutomobileCondition• N=5• C = 30 mm• d = 12 mm(http://www.shoutwiki.com/w/images/auto/7/76/)
空力音・流体騒音のメカニズムと静粛化

Effects of velocity on SPL
2018/10/22

6

2018/10/25

楽器のシミュレーション

機械工学入門

122018/10/25

埋め込み境界法を用いた楽器の解析

7

2018/10/25

リードバルブ（移動境界）解析

14

Reed Vibration & Flow

機械工学入門2018/10/25

感圧塗料の開発

15
Flow

ポリオフィリン：紫外線を当てると発光
発光強度は酸素濃度に反比例

3PSP
Piezoresistive Sensors
Simulation

2Cp

10-1-2U = 75 m/s = 15 deg-30

機械工学入門

0.2

0.4

0.6
0.8
X /D

11.2

1.4

2018/10/25

8

2018/10/25

PIV計測技術の開発

16

機械工学入門2018/10/25

トンボの飛翔に関する研究

17

トンボの羽ばたき運動と飛行性能を実験的に調べ，羽ばたき型飛行ロボットを開発
110 mm
30 mm
Paper wing

飛行するトンボの周りの流れ

機械工学入門2018/10/25

92018/10/25

熱音響冷凍機の開発

18

管内の音響共鳴周波数を利用したスターリングエンジン
熱音響エンジン

熱音響冷凍機廃熱によって音波を発生
機械工学入門

熱音響冷凍機の駆動源
2018/10/25

風車の開発

19

風車周りのLES解析流れ
機械工学入門2018/10/25

10

2018/10/25

自動車車外騒音予測

20

キャビティ・サンルーフ

フロントグリル
機械工学入門2018/10/25

自動車の開発と技術分野

21

エンジン：自動車開発の花形・自動車のかなめ
熱力学・燃焼工学・材料力学
シャーシ：安全性，居住性，スタイル
構造力学・材料力学・破壊力学・振動工学
サスペンション：車体の安定走行，乗り心地
振動工学・構造工学・材料力学
タイヤ： ニューマッチクタイヤの開発（ミシュラン）
材料（物性）・振動工学・構造工学
エアロダイナミックス・・・車体に作用する流体力（省エネ，高速化）
流体力学
電子制御，安全工学，人間工学，デザイン工学etc

世界初のエアロダイナミックマシン
メルセデスW25
平均速度260km/h（1935年）
機械工学入門2018/10/25

11

2018/10/25

自動車はどのようにして走るか？

機械工学入門22

2018/10/25

ニュートンの運動方程式と摩擦力

23ニュートンの運動方程式
F=ma
・力は質量と加速度に比例する・同じ力でものを加速させる場合，軽いものほど加速させやすい→車を加速させるには軽いほうが良い
摩擦力
F=mW=mmg
・摩擦力は摩擦係数と物体の重量に比例する・重量が重いほど摩擦力は大きくなる→ タイヤの力を路面に伝えるには重いほうが良い．
軽いけれど，摩擦力が大きくなるようにする必要がある→ 空気の力を利用する
機械工学入門2018/10/25

122018/10/25

空気抵抗とは24

雨粒の落下速度と空気抵抗

h=1000mV=?

1 2v A（空気抵抗）
1 22mv  mgh  一定2
1 2
1Vg（浮力）mv  mg 0  m0 2  mgh
22地上h  0上空v  0
1 2mv  mgh
2mg（重力）v  2 ghv  2  9.81 1000  140 m / s（時速504km)

実際には空気抵抗があるので，1m/s～5m/s程度
機械工学入門2018/10/25

自転車に作用する力

25

空気抵抗

登坂抵抗

20km/h
ころがり抵抗 転がり抵抗55 % 空気抵抗45%30km/h（摩擦）
転がり抵抗 30% 空気抵抗70%
伝達損失
自転車のドラフティング（小さい）
後ろの人は楽（60 %～70%)

mg（重力）

機械工学入門

坂道； 勾配５% 10km/h
登坂抵抗 80% 転がり抵抗13%

2018/10/25

13

2018/10/25

自動車の空気抵抗26
1
U 2 A2
Cd : 空気抵抗係数
D  Cd : 空気密度[kg / m3 ]U : 速度[m / s ]A : 前面投影面積[m 2 ]空気抵抗係数Cd : 自動車を走行が空気によってどれだけ妨げられるかを表したもの．空気抵抗は速度の２乗に比例するため，高速になればなるほど問題となる
機械工学入門2018/10/25

空気抵抗と燃費27

Cd=0.26→0.2 燃費10%改善
機械工学入門2018/10/25

14

2018/10/25

何故抵抗が生じるのか？

28

物体の後ろには渦ができる（渦の中心は圧力が低くなる）

P2

2

物体の前側は速度がゼロになる（運動量が変化する）
力が作用する（運動量保存則）
機械工学入門風洞実験2018/10/25

29

人工的に風を作り車などの性質を調べる装置

機械工学入門2018/10/25

15

2018/10/25

自動車開発への応用

30

車を走らせる代わりに風洞内で風を流して，車の周りの空気の流れを調べる．

機械工学入門流体力の計測方法

機械工学入門2018/10/25

31

2018/10/25

16

2018/10/25

模型実験の利点

32

模型なのでいろいろと試すことができる

機械工学入門2018/10/25

ナビエ・ストークスの式

33

流体は粘々している：せん断応力
流体を速く動かそうとすると粘り気による力が働く

ニュートンの式に流体の性質である圧力と粘り気による力の項を加えた式を考える
Dv
11mm
 F  gradp grad   2 v
Dt

3

D u u v w
Dt t
x
y
x
ミレニアム懸賞問題
u v w
・P≠NP予想 ・ホッジ予想x y z

慣性力=圧力＋粘性力
機械工学入門・ポアンカレ予想
・リーマン予想・ヤン-ミルズ方程式と質量ギャップ問題
・ナビエ-ストークス方程式の解の存在と滑らかさ
・バーチ・スウィンナートン＝ダイアー予想
2018/10/25

17

2018/10/25

コンピュータの利用

機械工学入門34

2018/10/25

戦略HPCIプロジェクト

35

High Performance Computing Infrastructure
機械工学入門2018/10/25

18

2018/10/25

HPCIプロジェクト（自動車関連）

36

􀂄 「自動車用統合空力連成設計システムの研究開発」
自動車まるごと連成解析の実現による車体設計手法の革新
空力・車両運動連成
外部音・キャビン騒音
エンジンルーム・キャビン内熱環境解析
􀂄 LES非定常空力解析を主体とした設計システム
超マルチ時間スケールLES（実時間で数分）→車両運動連成解析
超大規模LES（数十億要素数規模）→外部音・キャビン騒音解析
超高速RANS（1ケース1分程度）→空力・熱設計最適化

機械工学入門2018/10/25

コンピュータを使った予測方法

37

5年後になにしているか？
沖縄に台風が上陸したときの豊橋の天気は？
今日何時に寝るか？
技科大の天気と駅前の天気？

近い将来や，近所のことは予測ができる

f(x)

機械工学入門2018/10/25

19

2018/10/25

難しい方程式を簡単に

38

コンピューターは四則演算しかできない
Sinの微分はなんでしょうか？→コンピュータにはわからない

dv v(t  t )  v(t )dttdv v( x  x)  v( x)dxx

ちょっと先の結果から現在の結果を引く （時間当たりの変化）
自分の隣の結果と自分自身の結果を引く（空間あたりの変化）
時間当たりの変化を求める
tやxを小さくすると微分と等しくなる：微分がわからなくても計算できる
POINT:セルを細かく，時間刻みを短くすれば現実に近づく
機械工学入門2018/10/25

コンピューター・シミュレーション

39

計算したい物体の周りを小さなセルに分割
物理法則を用いて，周囲のセルの物理量を元に物理量を計算

繰り返し
各セルの将来の値を推定（物理法則）

物理法則：たとえばF  ma  mdvdt

計算結果を出力
機械工学入門2018/10/25

20

2018/10/25

シミュレーションの規模

40

細かくセルを分割して計算するには高速のコンピュータが必要
自動車の周囲 5m×3m×15mの空間を計算する

3m5m
15m
各辺を1mmの格子で分割する：2250億の小さなブロックに分割
実際の計算では場所によって大きさを変える．車の場合は10億程度
流れの計算をするには10億個の連立方程式を作って計算→気が遠くなる話だけど，計算機は単純計算は得意！
機械工学入門

格子生成

機械工学入門2018/10/25

41

2018/10/25

21

2018/10/25

300億メッシュの解析事例(FF/red)42

By Prof. Makoto Tsubokura (Kobe Univ.) And Suzuki Ltd.
機械工学入門2018/10/25

アニメーション(FrontFlow/red)43

By Prof. Makoto Tsubokura (Kobe Univ.) And Suzuki Ltd.
機械工学入門2018/10/2522

2018/10/25

もっと速く，もっと大規模に4410億の連立方程式を解くには速いコンピュータが必要
光が1秒間に進む距離：300,000キロメートル
クロック周波数：3.7GHz (1秒間に370,000,000)
1クロックで光が進む距離：8cm 程度→通信速度から現在のコンピュータの速度は限界に近い
一つのパソコンに複数のCPU （インテル：6コア）
並列計算：一つのコンピュータでは計算できない問題を多数のコンピュータで計算
リチャードソン：計算職人を6000人集めて天気予報を試みる

機械工学入門2018/10/25

コンピューターの性能

45

スパコンの性能は10年で1000倍
世界最速コンピュータ「京」 2011年6月 世界最高性能 8.16PFLOPSを達成

京PC

FLOPS：1秒間あたりの演算回数
機械工学入門2018/10/25

23

2018/10/25

コーヒー・ブレイク46

物理法則に対するコンピュータシミュレーションの原理は簡単
ただし，膨大な数の連立方程式を解く必要がある．
そのためには高速のコンピュータが必要
コンピュータの速度も限界：複数のコンピュータで計算するため，通信速度も重要
京に代表されるハイ・パフォーマンス・コンピュータが必要
ソフトウェアや実証試験も重要．他国に負けない技術開発
スーパーコンピューターが作れるのは米国と日本だけ！
CRY1:160MFlops 価格800万ドル
iPhone4：1GFlops 価格669ドル
機械工学入門自動車コンソーシアム

機械工学入門2018/10/25

47

2018/10/25

24

2018/10/25

コンソーシアムの課題内容

48

HPCによる自動車用次世代空力・熱設計システムの研究開発
北海道大学 坪倉 誠（リーダー）①階層的データ構造による超大規模格子作成
統合ユーザーインターフェースの開発
東大生研・小野 謙二②実走行状態における気流・車両運動連成空力解析
北海道大学 坪倉 誠，広島大学 中島卓司
③空力・振動・音響連成解析による車室内騒音の予測
豊橋技術科学大学 飯田明由
④エンジンルーム・排気管系熱害
東京都市大学 郡 逸平

機械工学入門2018/10/25

車内騒音解析の考え方(SEA法）

49

固体伝播
フレーム振動（低周波数）： 車体剛性に関連
車体振動（高周波数）：車体重量（質量則），構造（コインシデンス）
HVAC（特に配管系）冷媒振動音：気液２相流
空気伝播
車外空力騒音（比較的高い周波数）：音源部位の特定困難
HAVC（ファン騒音）：ダクト系の共鳴＋広帯域騒音

音
伝達関数
流体力

機械工学入門音2018/10/25

25

2018/10/25

車内騒音解析手法

50

プログラム連成：REVOCAP

1way 連成解析

音源解析（物体表面圧力変動，空力騒音）
FrontFlow/Blue
物体表面メッシュ

振動解析（流体加振，構造振動）
Adventure

流体－音響メッシュ：周波数領域
音響透過解析（反射，回折，透過）
FrontFlow/Blue-ACOUSTICS

室内音場解析
FrontFlow/Blue-ACOUSTICS

機械工学入門2018/10/25

ベンチマークテスト

51

空力⇒構造振動⇒音響の連成解析により、車室内の騒音を予測する
流体メッシュ

流体側圧力分布 構造メッシュ
REVOCAP_Couplerによるマッピング•モックアップモデル
流体ソルバーによる車外流れの流体解析

機械工学入門構造側圧力分布構造ソルバーによる車体の振動解析

音響ソルバーによる
車室内騒音解析2018/10/25

26

2018/10/25

解析規模（最終目標）

52

流体解析：空力音に寄与する音のスケール 1mm (10kHz）
境界層内の渦スケール 0.1 mm
境界層メッシュ解像度 200mm
解析メッシュ 200億要素
振動解析：流体解析データを加える振動力とする周波数 10kHz
解析自由度規模 1億自由度
解像度 1mm
解析メッシュ 1000万要素
騒音解析：振動解析結果を圧力境界または粒子速度境界 10kHz
解像度 3mm
解析メッシュ 10億要素

スズキ MRワゴン
時速100km走行時の車内騒音
機械工学入門2018/10/25

今回の解析規模53

流体解析

構造振動解析

音響解

解析ソフト

FFB Ver. 8.1

Adventure Cluster

FFB-Acoustics Ver.50

解析規模

52億要素

250万要素（1500 万自由度）

3700万要素

解析メッシュ6面体メッシュ

シェル要素（3/4角形)
ソリッド要素(4/5/6面体）

4面体要素

解析時間

京(4096ノード）
22時間/1sec

CX1000 (96 コア）
7日/6144step

FX10(24ノード）
30時間/512周波数

最小メッシュサ
イズ0.1mm

4mm1mm

最小解像度

渦スケール 1mm周波数4kHz

最大周波数の波長を20分割 (4mm)

解析ドメイン

時間領域

時間領域

周波数処理

離散化方法

有限要素法

有限差分法

有限要素法

連成処理
データ

表面圧力変動壁面加振動力
音響粒子速度
壁面振動加速度機械工学入門2018/10/25

27

2018/10/25

流体解析結果（1）54Cd値 解析0.295（実験0.3）

機械工学入門2018/10/25

メッシュ規模の影響

3000万要素

京(4096ノード：32768コア）
22時間/1sec

55

8000万要素
52億要素

機械工学入門2018/10/25

28

2018/10/25

流体解析結果 (2)56

圧力変動強度(rms値)

渦度の絶対値

機械工学入門2018/10/25

外部音解析
音源となる渦57
音源項

流体圧力と音圧

空力音・流体騒音のメカニズムと静粛化

2018/10/22

29

2018/10/25

音場解析事例（50億CFD+8千万CAA) 58
流れ場

音場

車体周りの空力音響解析結果
空力音・流体騒音のメカニズムと静粛化

擬似音場（圧力場）

2018/10/22

59

車体近傍には擬似音場が形成される
疑似音波が車内音に及ぼす影響が重要
空力音・流体騒音のメカニズムと静粛化

2018/10/22

30

2018/10/25

モード解析結果
ルーフ
37.8Hz60
63.8Hz38Hz

リアドアガラス
51.3Hz52Hz

68Hz

90.0Hz91Hz
赤字の値：実験値

機械工学入門

振動解析結果(2)機械工学入門2018/10/25

CX1000 (96 コア）
7日/6144step 61

2018/10/25

31

2018/10/25

車内騒音解析

62
要素数：37,089,746
節点数： 6,738,591
Tetrahedral Mesh
完全自動メッシュ

平均メッシュサイズ 4mm
4kHzの波長（85mm）を20分割

機械工学入門2018/10/25

車内騒音解析結果(1)63

車体周りの流れに起因する車内騒音解析結果（100Hz)
注意：外部流れは速度場の瞬時値，室内音は平均音圧分布のため，車外と室内の解析結果は時間的には同期していない点に注意
機械工学入門2018/10/25

32

2018/10/25

車内騒音解析結果(2)

機械工学入門64

2018/10/25

車内騒音解析結果(3)65

車外：渦度場，内部：音響粒子速度ベクトル
機械工学入門2018/10/25

33

2018/10/25

車内騒音解析結果(4)66圧力分布（実部）
機械工学入門2018/10/25

車内騒音解析結果（5）FX10(24ノード×6 2304コア）
30時間/512周波数67200Hz

機械工学入門

1000Hz

125Hz

400Hz

1000Hz

200Hz

613Hz

2000Hz

315Hz

800Hz

4000Hz2018/10/25

34

2018/10/25

解析結果の定量的な評価(2)

機械工学入門68

2018/10/25

ウィンドファームの開発（2015年から）

69

洋上ウィンドファーム周りの流れ

格子点数1兆規模

翼周り流れに対する主流乱の影響
機械工学入門

空力・構造連成2018/10/25

35

2018/10/25

風車回りの流れの計算結果

機械工学入門70

2018/10/25

自然エネルギー変換科学研究室

71

http://aero.me.tut.ac.jp
iida@me.tut.ac.jp
機械工学入門2018/10/25

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