第 24 回数値流体力学シンポジウム
C7-1

高亜音速ジェットのマイクロジェット噴射による低騒音化の大規模 LES 解析
Large-Eddy Simulation of High-Subsonic Jet Noise Reduction with Microjet Injection○ 榎本俊治, 宇宙航空研究開発機構, 東京都調布市深大寺東町 7-44-1,
山本一臣, 宇宙航空研究開発機構, 東京都調布市深大寺東町 7-44-1
野崎 理, 宇宙航空研究開発機構, 東京都調布市深大寺東町 7-44-1
山下建志, 株式会社エイ・エス・アイ総研, 東京都千代田区内神田 1-18-14
田中 望, (株)ＩＨＩ, 東京都西多摩郡瑞穂町殿ヶ谷 229
大庭芳則, (株)ＩＨＩ, 東京都西多摩郡瑞穂町殿ヶ谷 229
大石 勉, (株)ＩＨＩ, 東京都西多摩郡瑞穂町殿ヶ谷 229
Shunji ENOMOTO,JAXA-ARD, 7-44-1 Jindaiji-Higashi Chofu TokyoKazuomi YAMAMOTO, JAXA-ARD, 7-44-1 Jindaiji-Higashi Chofu Tokyo
Osamu NOZAKI,JAXA-ARD, 7-44-1 Jindaiji-Higashi Chofu Tokyo
Kenshi YAMASHITA, ASIRI, 1-18-14 Uchikanda Chiyoda Tokyo
Nozomi TANAKA,IHI Corporation, 229 Tonogaya Mizuho Nishitama Tokyo
Yoshinori OOBA,IHI Corporation, 229 Tonogaya Mizuho Nishitama Tokyo
Tsutomu OOSHI,IHI Corporation, 229 Tonogaya Mizuho Nishitama Tokyo
Abstract: Large-Eddy Simulation of high subsonic jet with microjet injection was performed using UPACS-LES codedeveloped in JAXA. Far field noise level was also calculated using FW-H method. Large scale (476M grid point)
simulation was executed on JSS (JAXA Supercomputer System) using 980 processors. The result shows very good
agreement with the experimental data in terms of velocity fluctuation and far-field noise level. Turbulent kinetic energy
distribution of the result is different from our former computational result with coarser grid. This fact shows that thiskind of large scale computation is useful for jet noise LES in spite of its heavy computational cost.

1. はじめに
航空機の主要な騒音源の一つはエンジンのジェット騒音であり、その低減化のために、ローブミキサーやシェブロンノズルに代表される混合促進デバイスを排気ノズルに装着する技術が、最近の航空機には採用されるようになってきた。しかし、これらのデバイスは巡航時の推力損失を増加させてしまうことが問題であり、この改善を期待できる技術として、マイクロジェット噴射によるジェット騒音低減が研究されている。これは、排気ノズルの外周囲、十数か所から排気ジェットに向けてマイクロジェットを噴射することでジェット騒音の低減を図ろうとするものである。巡航時にはマイクロジェット噴射を停止することにより推力への影響は最小限に抑えることができる。
Large Eddy Simulation (LES) によるジェット騒音の予測は近年広く行われており、特に形状が単純で実験データの蓄積の多い円形ジェット流に関しては、LES による騒音予測が有望であることが示されている。シェブロンノズルやマイクロジェットなど低騒音ノズルの効果を LES により評価することが可能になれば、より効率的な低騒音デバイスの開発が期待できる。しかし、これらの低騒音ノズルの効果は 1~2dB 程度と言われており、この程度の違いを LES で数値予測するため、高い精度の計算が必要と考えられる。
本研究では JAXA 研究開発本部で開発中の、円形ジェットのLES 解析で実績のある UPACS-LES[1]を用いて、マイクロジェット噴射を伴うジェット流れの LES 計算を行った。マイクロジェットに関して以前行った計算[2]では一般的な傾向は数値予測できたものの定量的には実験結果との不一致が見られ、その原因は恐らく解像度不足と考えられた。そのため今回は、格子点間隔を三方向とも 1/2.6 程度に小さくした計算を行ったところ、より精度の高い結果を得ることができたので報告する。
12. 計算対象
マイクロジェット噴射を伴うジェット流れの LES 解析を行う技術を構築するために、Castelain らによる基礎実験[3][4][5]を対象にして計算を行い、検証を行った。彼らの実験では、円形ノズルの周囲に 18 本（20 度間隔）のマイクロジェット噴射ノズルを配している。主ノズルの直径 D は 50mm、主ジェットは、温度が周囲温度と同じになるよう加熱されており、マッハ数は0.9である。
マイクロジェット噴射角度は 45 度、
マイクロジェット噴射ノズル
直径 d は主ノズル直径 D の 2%、マイクロジェットの噴射流量は一本あたりの流量(主ジェット流量に対する比)が 4.39x10-4 である。
これは Castelain の論文[3]で rm3 と呼ばれており、騒音低減量が比較的大きいケースである。
3. LES 解析手法
数値解析には、JAXA 総研本部で開発を進めている CFD 共通基盤プログラム UPACS をベースに、LES に必要な渦の移流及び音の伝播を高精度で解けるように改造した UPACS-LES[1]を用いた。
UPACS はマルチブロック構造格子に対応した有限体積法により離散化した 3 次元圧縮性 NS 方程式ソルバーである。対流項の空間離散化には 6 次精度の有限体積法用コンパクトスキームを用いている。ただしブロックとブロックを接続する境界面は陽的な 4次精度である。SGS モデルには Smagorinsky モデルを用いており定数は Cs=0.1 である。また中心差分に起因する odd-even 型の振動を除去するためにフィルタを用いている。
計算の並列化には、計算ブロックを別々のノードに割り当てMPI を用いてノード間の情報交換を行っており、さらに一ノード内の 4 コアを並列に計算させるために OpenMP を使用している。
ジェット流の LES に於いては、初期擾乱を与えないジェットでは中心軸上での速度減衰が実験より早く遠方場騒音が大きくなるが、初期擾乱を与えたジェットは実験結果とよく一致することが知られている(福田ら[5])。そこで本研究に於いても、福田らの用Copyright © 2010 by JSFM

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Table 1. Specification of the computations

coarsesectorfine

grid points

Δx28M
11M
476M

0.013D
0.005D
0.005D

grid points
for micro jet
2x2
4x4
4x4

LES region

processors

x<30D
x<3D
x<20D

6036980いた方法で初期擾乱を与えている。
マイクロジェット噴射を伴うジェット流れの LES を行う上では、マイクロジェットと主ジェットのスケールに大きな差があることが課題になる。今回対象としたマイクロジェット噴射ノズルの場合、マイクロジェットノズル直径 d が主ノズル直径 D の 2％でしかないため、マイクロジェット流れを主ジェット同様に計算するには空間解像度は全く足りず、マイクロジェットが主ジェットに及ぼす影響の主要な物理現象を再現でき、かつ計算量の少ない簡略化した計算を行う必要がある。マイクロジェットの効果としては、マイクロジェット自体のもたらす乱れと、マイクロジェットによる主ジェットの変形、が考えられる。このうち前者は、主ジェットの剪断層から発生する乱れエネルギーと比べて十分に小さいことが予想されるため、マイクロジェット噴射に対しては特に乱れを与えないこととした。
後者を計算上模擬するためには、必ずしもマイクロジェット流れの詳細な数値予測が必要ではなく、主ジェットを変形させるために主ジェットに対して角度を持ったなんらかの運動量を計算上与えてやれば良いと考えられる。そこで、マイクロジェットの流量と流速を実験条件と合わせるために、マイクロジェット噴射口の計算格子上の面積を実験と合わせるようにしつつ、マイクロジェット噴出しに対する格子点数は最小限に留めた。
4. 計算ケース
Table.1 に行った計算の概要を示した。今回行った計算は fine のケースで格子点数 4 億 7600 万点の計算を、JSS(Jaxa SupercomputerSystem)の M system の内、980 ノードを用いて実行した。coarse とsector は以前行った計算[2]で、比較のために示している。fine とcoarse はジェット全体の計算である。無次元時間(ジェット流速とノズル直径から算出したストローハル数)で 150 程度の時間、計算を行って定常的な流れを得て、その後 200 程度の間、遠方場騒音レベルを取得するための FW-H 面データのサンプリング、及び乱流統計量の算出のための時間平均データの取得を行っている。一方、sector は計算領域を縮小し剪断層のみを計算しており、遠方場騒音データのサンプリングを行っておらず、時間平均データを取得した時間も短い。
Figure 1 は、計算格子を上流から下流に向かって斜めに見た図である。マイクロジェット近傍は格子点を少し寄せて噴出し面積が実験と一致するようにしている。coarse と比べ sector と fine は一方向の格子点間隔が 1/2.6 程度である。また fine は sector の格子点間隔を保ったまま全周に格子を拡張するという方針で作成した。
Figure 2 は格子を横から見た図である。X はジェット流れの方向で、X=0 がノズル出口である。座標値はノズル出口直径 D で無次元化している。coarse と fine はジェット流れの LES 計算を行っている領域の外に、外部に伝わる波を吸収する buffer 領域を設けているが、図にはその一部のみが見えている。sector の計算は coarseや fine と比べてごく一部を計算している様子が分かる。図中、水色の線で示されている部分は計算ブロックを示している。fine は984 ブロックに分けられており、各ブロックの一辺の格子点数は80 程度である。
5. 大規模計算実行上の問題点と対策
今回は、JSS の 980 ノードを用いて計算を行った。UPACS-LES

computational time
per one case
7 days
1.5 day (flowfield only)
12 daysを用いて 200 を超えるノードを用いた計算は初めてで有ったが、基本的には特に問題なく実行することができた。大規模並列計算
では、ノードの数に応じて計算能力は増えるものの、ノード間のMPI 通信量が増大して計算のネックになる可能性がある。本計算に於いては、全通信量は増えているものの、一ノードあたりのノード間通信量は従来の計算と変わらないため、インターコネクトに特に過負荷をかけることなく実行することができたと考えられる。
一方で、ファイル入出力に関しては多少の配慮が必要となった。
JSS では IO 処理は 3 つの IO 処理専用のノードが担当している。
ノード数の多い計算を行った場合、計算能力、ノード間通信能力は使用ノード数に比例して増大するが、IO 処理能力は変わらない。
このため、従来のプログラムをそのまま実行すると、IO 処理は過負荷になってしまう可能性が高い。今回の計算では、IO 処理が過大にならないように、全ノードが一斉に入出力するのではなく、ノードを三つのグループに分け、グループごとに順に入出力を行うようにした。また三つの IO ノードに負荷が等分散されるような工夫を行った。さらに、非定常データの出力では、これまでは小さいファイルが多数出力されるようなプログラムになっていたが、今回の計算に於いては、そのままではファイル数が膨大になるため、HDF5 を用いて多数のデータをノードごとに一つのファイルの中に出力することとした。
6. 結果・考察
以下に計算結果を示す。ここで”baseline”はマイクロジェットの無い単純な円形ジェットの結果であり、”microjet”はマイクロジェットを噴き込んだ結果である。
(1) X/D=1 断面の流れ方向速度乱れ成分 ux'
Figure 3 は X/D=1 断面の baseline の速度乱れ成分、Figure 4 は同断面の microjet を吹き込んだ場合の速度乱れ成分である。(a)coarse
では、baseline に比べて microjet は剪断層が厚くなっている様子が見られる。一方(b)sector では、baseline はより剪断層が細く、乱れは弱くなっており、microjet は剪断層の変形の様子がはっきりと見られる。(d)experiment に Castelain らの実験の PIV のデータ[4][5]を比較のために示した。実験結果ではマイクロジェットが噴き込まれることにより剪断層が変形している様子が現れている。これと比較すると、coarse は分布が実験と比べて広がっており、マイクロジェットによる剪断層の変形の様子が明確でなく、乱れレベルが過剰になっているのに対し、sector は実験の分布とかなりよく一致している。そこで、sector の格子密度を保ったまま全周のジェットの計算を行った結果が(c)fine である。fine は sector よりも時間平均を採った長さが長いため綺麗な分布をしており、(d)experiment と比べ、かなりよく一致する結果が得られている。
(2) X/D=3 断面の流れ方向速度乱れ成分 ux'
Figure 5 は X/D=3 断面の baseline の速度乱れ成分、Figure 6 は同断面の microjet を吹き込んだ場合の速度乱れ成分である。この断面では既に microjet による剪断層の変形は見られず、周方向に一様な分布となっている。(a)coarse と(c)fine ではどちらも micorjetによって乱れが減衰している様子がみられる。(d)experiment と比較すると、coarse は剪断層厚さが厚く、乱れレベルも若干過剰であるのに対し、fine は剪断層厚さはかなり改善され、乱れレベル2

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し精度を検証することを通じて、より良い低騒音効果を得るための指針を示すことを目標としている。
謝辞
本研究の計算は、JSS の戦略的大規模解析の一つとして実行させて頂きました。関係各位に感謝申し上げます。
参考文献[1] 榎本俊治 他、「LES による円形ジェットの乱流混合騒音の数値予測」第 21 回数値流体力学シンホジウム講演論文集，2007.12．
[2] 榎本俊治 他、「マイクロジェット噴射による高亜音速ジェットの低騒音化の LES 解析」第 41 回流体力学講演会／航空宇宙数値 数 値 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 技 術 シ ン ポ ジ ウ ム 2009,
JSASS-2009-0191-A[3] T. Castelain, M. Sunyach, D. Juve, “Jet Noise reduction byimpinging microjets: an aerodynamic investigation testing microjetparameters”, 13th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference, AIAA
2007-3419[4] T. Castelain, M. Sunyach, D. Juve, J.C. Bera,” Jet-Noise Reduction
by Impinging Microjets: An Acoustic Investigation Testing Microjet
Parameters,” AIAA Journal Vol.46, No.5, (2008)[5] Castelain, T., 2006, Control of jet by impinging microjets.
Measurement of radiated noise and aerodynamic analysis, Ph.D. thesis,
ECL - No. 2006-33, http://acoustique.ec-lyon.fr/thomas.castelain.php[6] 福田勇也 寺本進 「LES を用いた高亜音速ジェット騒音の数値解析」第 35 回ガスタービン定期講演会講演論文集 2007.9

は baseline では若干低いものの microjet では良く一致している。
ちなみに(b)sector の結果は時間平均が十分ではなかった様子である。
これらの結果より、fine の結果は少なくとも X/D=3 までは実験結果とよく一致していることが確認された。次に流れ方向の変化を見てみる。
(3) Z=0 断面の流速及び TKE
Figure 7 および Figure 8 はジェット中心断面(Z=0)の速度分布の詳細である。coarse では剪断層が厚く、sector や fine では薄い計算結果となっている。また microjet 噴出しによって一時的に剪断層が厚くなり、その後、剪断層の発達が遅くなっている様子が見られる。Figure 9 及び Figure 10 は、より下流まで示している。fineは coarse に比べ、ポテンシャルコアを始めジェットの高速領域が長くつづいている。また baseline と microjet を比較すると、僅かではあるが microjet により高速領域が長く続いている様子がわかる。
Figure 11とFigure 12はTKE(turbulent kinetic energy)の詳細を示している。coarse では TKE の大きな領域が X/D=3 程度まで続くのに対し、sector と fine では X/D<1 の狭い領域のみ TKE が大きく現れている。マイクロジェットが噴き込まれることにより乱れは一時的に増大しているが、すぐに減衰している様子がわかる。これは、マイクロジェット噴き込みによって剪断層が厚くなり速度勾配が緩やかになり、その後の TKE の生成が抑えられるためと考えられている。Figure 13 と Figure 14 は、TKE を下流まで示している。ここで coarse と fine は大きく異なっている。coarse ではジェット出口近傍の剪断層の部分が最も TKE が大きく下流に行くに従い減衰しているが、fine では、ジェット噴出し直後の X/D<1 で一旦ピーク値となりその後減衰した TKE が、X/D=4 あたりから再び成長し、X/D＝10 近傍で再びピークとなっている。格子密度の違いでこのように結果に差が出ることは、大規模な計算を行うことの必要性を示している。fine の結果を baseline と microjet を比べると、microjet の方が 6<X/D<16 の領域で TKE の値が小さく、microjet を噴き込んだ効果が、噴き込み直後だけでなく、下流領域にまで現れていると考えられる。
(4) 遠方場騒音
Figure 15 は、遠方場の騒音レベルを FW-H 法により数値予測したものと実験結果とを比べている。図の横軸は周波数(Hz)、縦軸は周波数×PSD(パワースペクトル密度)で単位は Pa2 である。(a)は下流 30 度方向に指向性を持つ騒音であり、低周波にピークを持っている。実験[3]ではマイクロジェット噴き込みにより騒音のピークが 3 割程度(1.5dB)下がっている様子が見られる。計算の fine と実験の baseline のピークを比較すると約半分(3dB)の差であり、またピークの周波数はほぼ同じである。またマイクロジェットによる低騒音効果も約 1.5dB と実験と同様であり、精度の良い結果が得られていると考えられる。一方、coarse は、ピークの騒音値をさらに低く、周波数は少し高めであり、マイクロジェット効果も明確には表れていない。(b)は真横 90 度方向の騒音値である。こちらは縦軸のレベルが(a)と比べて 1/10 である。coarse がかなり過大評価しているのに対し、fine は実験値とレベルがかなり近くなっている。しかし周波数は実験と比べ高周波側にずれ、マイクロジェットによる低騒音効果も明確には見られない。(a)に比べると小さなレベルの変化であるため定量性を達成することが難しいと考えられる。
7. まとめJSS の 980 ノード使用し、4 億 7600 万点の格子を用いて、マイクロジェット噴射のあるジェットの LES 計算を行った。それにより、流れ場、遠方場騒音ともに精度の良い計算結果を得ることができた。TKE の分布は以前行った粗い格子の計算と比べてかなり異なっており、細かい格子で計算しなければ得られない計算結果が得られたものと考えられる。今後はより詳細に計算結果を分析
3

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Figure 1.

(a) Coarse grid(a) Coarse grid(b) Sector grid(b) Sector grid(c) Fine grid(c) Fine gridComputational grid (bird view)

Figure 2.

4Computational grid (side view)

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Figure 3.

(a) Coarse grid(a) Coarse grid(b) Sector grid(b) Sector grid(c) Fine grid(c) Fine grid(d) Experiment [5](d) Experiment [5]Velocity fluctuation (ux'/Uj)
X/D=1.0, baseline

Figure 4. Velocity fluctuation (ux'/Uj)
X/D=1.0, with microjet
5

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Figure 5.

(a) Coarse grid(a) Coarse grid(b) Sector grid(b) Sector grid(c) Fine grid(c) Fine grid(d) Experiment [5](d) Experiment [5]Velocity fluctuation (ux'/Uj)
X/D=3.0, baseline

Figure 6. Velocity fluctuation (ux'/Uj)
X/D=3.0, with microjet

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C7-1(a) Coarse grid(a) Coarse grid(b) Sector grid(b) Sector grid(c) Fine grid(c) Fine grid

Figure 7. Velocity (U/Uj)
Z=0(detail), baseline

Figure 8. Velocity (U/Uj)
Z=0(detail), with microjet(a) Coarse grid(a) Coarse grid(b) Fine grid(b) Fine grid

Figure 9. Velocity (U/Uj)
Z=0, baseline

Figure 10. Velocity (U/Uj)
Z=0, with microjet
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第 24 回数値流体力学シンポジウム
C7-1(a) Coarse grid(a) Coarse grid(b) Sector grid(b) Sector grid(c) Fine grid(c) Fine grid

Figure 11. Turbulent Kinetic Energy (TKE/Uj2)
Z=0(detail), baseline

Figure 12. Turbulent Kinetic Energy (TKE/Uj2)
Z=0(detail), with microjet(a) Coarse grid(a) Coarse grid(b) Fine grid(b) Fine grid

Figure 13. Turbulent Kinetic Energy (TKE/Uj2)
Z=0, baseline

Figure 14. Turbulent Kinetic Energy (TKE/Uj2)
Z=0, with microjet
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Pa2

Pa2

HzHz
(a) Radiation angle = 30deg.

(b) Radiation angle = 90deg.

Figure 15. Farfield noise
thin line: experiment[3], thick line: fine, broken line: coarse
black: baseline, blue: with microjet

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