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Successes and Challenges of Computational Methods in
Aerodynamics Analysis and Design
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第41回流体力学講演会／航空宇宙数値シミュレーション技術シンポジウム2009− S-1 −

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第41回流体力学講演会／航空宇宙数値シミュレーション技術シンポジウム2009− 67 −

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第41回流体力学講演会／航空宇宙数値シミュレーション技術シンポジウム2009− 69 −

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第41回流体力学講演会／航空宇宙数値シミュレーション技術シンポジウム2009− 75 −

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第41回流体力学講演会／航空宇宙数値シミュレーション技術シンポジウム2009− 87 −

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第41回流体力学講演会／航空宇宙数値シミュレーション技術シンポジウム2009− 169 −

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第41回流体力学講演会／航空宇宙数値シミュレーション技術シンポジウム2009− 171 −

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第41回流体力学講演会／航空宇宙数値シミュレーション技術シンポジウム2009− 173 −

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第41回流体力学講演会／航空宇宙数値シミュレーション技術シンポジウム2009− 237 −

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第41回流体力学講演会／航空宇宙数値シミュレーション技術シンポジウム2009− 243 −

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第41回流体力学講演会／航空宇宙数値シミュレーション技術シンポジウム2009− 247 −

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第41回流体力学講演会／航空宇宙数値シミュレーション技術シンポジウム2009− 251 −

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第41回流体力学講演会／航空宇宙数値シミュレーション技術シンポジウム2009− 255 −

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第41回流体力学講演会／航空宇宙数値シミュレーション技術シンポジウム2009− 289 −

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第41回流体力学講演会／航空宇宙数値シミュレーション技術シンポジウム2009− 291 −

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第41回流体力学講演会／航空宇宙数値シミュレーション技術シンポジウム2009− 293 −

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第41回流体力学講演会／航空宇宙数値シミュレーション技術シンポジウム2009− 303 −

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第41回流体力学講演会／航空宇宙数値シミュレーション技術シンポジウム2009− 307 −

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第41回流体力学講演会／航空宇宙数値シミュレーション技術シンポジウム2009− 319 −

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第41回流体力学講演会／航空宇宙数値シミュレーション技術シンポジウム2009− 323 −

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第41回流体力学講演会／航空宇宙数値シミュレーション技術シンポジウム2009− 327 −

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第41回流体力学講演会／航空宇宙数値シミュレーション技術シンポジウム2009− 331 −

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第41回流体力学講演会／航空宇宙数値シミュレーション技術シンポジウム2009− 333 −

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第41回流体力学講演会／航空宇宙数値シミュレーション技術シンポジウム2009− 337 −

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− 340 −

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埋め込み境界法を用いた機内空気流のＬＥＳの構築○斎藤英文（島津製作所），梶島岳夫（大阪大学）
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1=<27B7=<A=4/7@7<B631/07<
これらの要件を考慮した結果，規模の大きな乱れ

１．はじめに航空機の空調システムは，一般的な空調システムとは異なり，機内の与圧・換気・温度調節の全てのを解析でき，かつ比較的粗い格子で固体の分布を取り入れることのできる，埋め込み境界法;;3@A32

機能が必要となるシステムである。特に航空機が上空を巡航している際は，与圧と換気を行うため，機=C<2/@G を用いた!'モデルを採用した。
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外空気を圧縮して機内に取り込んでおり，このための消費エネルギは大きなものとなっている。
近年のエネルギ消費削減の要請から，航空機空調を電動化した上，機内空気の精製再利用による換気量低減で，省エネと快適性を両立させる方法の研究を進めた 。その中には巡航時の機内が高度  ;（4B）の気圧まで低下することに対応し，乗客の快適性維持のため，酸素分圧や湿度を改善した空気を乗客頭部付近に供給するシステムも含まれる。
しかし，実際の機内では換気のための空気流が存

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在しており，このシステムを効果的に実現できる具
体的な空気供給の形状まで検討できていなかった。

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そこで，効果的な空気供給の形状をにより検討することを試みるため，まず機内空気の流れを表現できるモデルの構築を進めた。本報では，このモデルについて報告する。
２．解析モデルの構築
解析モデルには以下の要件が必要である。
・ 機内には乗客に不快感を与えない  ; A程度の平均流が存在するが，シートや人体等の固体


部分によって乱れを生じる。その乱れの解析が可能であること。
・ 人体等の温度による空気流への影響と酸素の

濃度変化の解析が可能であること。

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・ 機内噴出し・吸込みに加え，乗客の呼吸による空気流の解析が可能であること。

図ʼ09

機内空気の解析空間の形態

第41回流体力学講演会／航空宇宙数値シミュレーション技術シンポジウム2009− 341 −

解析するモデルは，頭部から距離のある部分からの空気供給を評価することを考慮して，広胴中型機

ただし 



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





 ･･･

である=37<5機をベースに選んだ。この機体形状で，一列分の座席状態を切り出し，さらに機体中

ここで，Aは';/5=@7<A9G定数でA  とした。
また，A：D/<@73AB減衰関数で を用いた。

央面で対称と仮定する（図１参照）。+，,，-各軸を図示のとおり設定し，+ 〜  ;;，, 〜

熱移動・物質拡散の解析でも，''渦温度伝導率
α3，''渦拡散係数3を採用した。α3と3は，



方程式モデルに基づく一定の%@''''プラント;;，- 〜
空間全体に;;とした。
;;の均一'B/553@32 格

ル数と'1''''シュミット数 を用いてν3から子を張り，解析空間を構成した。格子数は 7×8×与えられるものとした。本解析モデルでは，%@''

9

と'1''は共に を採用している。

×

×

×

× である。この格子に対し，機内構

造物や人体等の固体部分を，埋め込み境界法により組み入れた。各セルに含まれる固体の占める割合

ν：動粘性係数; Aν ν3 ･･･
α：温度伝導率; Aα α3（固体率）を算定しておき，これによって固体（速度 ）と流体（空気）を合わせた各セルの代表流速α ν3 %@'' ･･･
：拡散係数; A 3を計算する。
天井付近にあるスリットから空気噴出し，床面に ν3 '1'' ･･･
ただし，下付きJ Jは基準状態である， 気圧・吸い込みを与え，また人体の呼吸を表現するため，
吸込み・噴出しを有したセルを設定した。

または窒素に対する酸素の拡散係数である。

  （ ℃）の空気での物性値とする。

機軸方向に，換気を考慮した一様流れが形成されることを考慮し，一様流形成のための駆動力を与え温度変化に伴って発生する浮力は，本解析モデル

た。-方向の境界には周期境界条件を設定した。

では密度の変化を与えるのではなく，=CAA7<3A?近似にて体積力を与えることで対応した。すなわち， 

３．基礎式

式の外力項ｆには，,（鉛直）方向成分のみに，標本モデルでは，非圧縮性流体として密度の変化は

準空気温度θ （＝   ）からの温度偏差Δθ 

ないものとした。ただし，温度変化に伴う浮力を考を用いて，次式で計算される体積力を加算した。

慮するため，=CAA7<3A?近似を用いた。空気流および熱移動と物質拡散の基礎式を以下に示す。



･･･ 

･･･

ここにｇは重力加速度 − ; A31 である          ･･･          ･･･

法による計算とし，'"法を用いての流れ場と圧力場のカップリングの解を求めた。その際の圧力方程

ここに，θ：温度 ，ξ：酸素濃度

式は，過緩和係数β  を用いた'$&（逐次過緩和）法により計算した。

本解析モデルでは，!'により格子以上の流れを

温度場・濃度場の解析は，流れ場と同一格子を用いた空間の 次精度中心差分で行った。流れ場で得ら直接計算するため，格子以下のスケール''を渦粘性とする';/5=@7<A9G"=23: を用い，''渦粘れた流速を用いて計算する移流項と拡散項の時間進
行は 次精度 2/;A/A64=@B6法とした。

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４．解析アルゴリズムと解析条件
本モデルにおける流れ場の解析は，'B/553@32 格子を用い，空間差分は 次精度中心差分とした。移流項・粘性項の時間進行は 次精度 2/;A/A64=@B6

渦粘性の算出のため，予備的解析により壁面直近

性係数ν3を算出した。



 



Δ：フィルタ幅

のセルでの平均流速を計算し，摩擦速度Cτを求めた。

･･･
Cτと，各セルから最短の固体セルまでの距離とによって減衰関数の値を計算し，''渦粘性係数ν3を求 ：ひずみ速度テンソルの大きさ 

めた。この値を基準に，式から''渦温度伝導率
α3を，式から''渦拡散係数3を算出している。

− 342 −

本解析に用いたその他の各数値は，表１に示すとおりである。
表１

図 に人体および機内構造物の各部分の温度設定と，噴出し空気における濃度設定を示した。
噴出し・吸込みセルの設定は，機体構造として天井面に空気噴出し部（ 箇所）を，床面に空気吸込み解析に用いた各数値

代表摩擦速度Cτ  ×  ; Aθ   （ ℃）
機内空気の%%//
基準状態
ξ  （ ）ν  × ，α    × 
各物性値; A   × 
-方向一様流の -方向  %/ ;の圧力勾配に設定相当する体積力を付与
噴出し空気θ   ，ξ  
呼気
θ

，ξ   部（ 箇所）をそれぞれスリット状に設け，人体モデ
ルは， 人うち 人が吸気， 人が呼気状態とし，いずれも噴出し量の合計と吸込み量の合計が等しくなるように設定した。
３．解析結果の例
以上のモデルに基づくプログラムを構築し，機内空気の解析結果を得た。解析結果を+,面で切り出し，図示したものを図 〜図に示す。図 〜図は流速分布，図〜図は温度分布，図は濃度分布の例

温度場の解析では，埋め込み境界法で固体セルとを示す。このうち図 ，図は一様流がヘッドレスト

した各セルに対し，想定される温度に設定した。本
解析では，流速分布のみならず温度や酸素濃度も含や背もたれで乱れる9

めた空気流の状態を明確にすることに主眼を置くたྃ಴䈚ㇱ

面を示し，図，図は呼気による乱れの出る9  面を示す。
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めに，固体内部での温度変化はないものとした。また，酸素濃度の分布は天井噴出し部の空気と乗客の呼気に対して規定し，固体内部は基準状態から変化しないものとした。
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図 9  面（ヘッドレスト面）の流れ場
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図

温度設定と濃度設定

図9

− 343 −

 面（顔面近く）の流れ場

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図9  面（体の前方空間）の酸素濃度分布

図9  面（体の前方空間）の流れ場

４．結論
航空機の機内で効果的な空気供給方法を検討するために，熱移動と酸素の物質拡散を含めた流れ場の解析モデルを構築し，解析を試みた。この結果，
次の結論を得た。
  ';/5=@7<A9G"=23: を用いた!'により，比較的粗い格子を採用しても，機内空気の流れ状態と温度分布・酸素濃度分布を表現できるモデルを構築した。
  埋め込み境界法を用いることにより，人体や機内構造物を含む機内空間全体を，均一の直交格子で解析することが可能となった。
  解析空間内に噴出し・吸込みセルを設け，噴出空気に対しては，その温度や濃度を設定することで，機内への空気供給口や呼気を模擬するこ

図9  面（ヘッドレスト面）の温度分布とができる。
今後このモデルを用いて，効果的な空気供給方法
について検討を進めて行く。
参考文献
 斎藤ほか「先進空調システムの技術開発（ノンブリード
空調システム）」 第回飛行機シンポジウム講演 $1B 小林他編「数値流体力学ハンドブック」丸善，> 〜 図9 面（顔面近く）の温度分布

=37<5社ホームページより
6BB> EEE0=37<51=; 1=;;3@17/: 1/07</7@ 31A>24
財 日本航空機開発協会ホームページより
6BB> EEE8/21=@8> .7@1@/4B>24
 梶島著「乱流の数値シミュレーション」養賢堂第章
 村田ほか「渦励起による同軸混合噴流の流動制御と渦励
起周波数の予測」生産研究 > 〜72A=<("#C;3@71/:A7;C:/B7=<=4BC@0C:3<B&/G:3756
I3</@21=<D31B7=<CA7<5AC05@72A1/:3;=23::7<5:C72"316 > 〜   広重他著「小生理学」南山堂第章 − 344 −

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3

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