文部科学省・｢富岳｣成果創出加速プログラム

2020年度 HPCIフォーラム (2021/03/09)

航空機フライト試験を代替する近未来型設計技術の先導的実証研究(Leading research on innovative aircraft design technologies to replace flight test)

課題責任者

河合 宗司

東北大学 大学院工学研究科 航空宇宙工学専攻
実施体制

概要・目的

• 高度な計算科学により，ものができる前の設計初期段階で航空機設計上の重要課題（最大揚力・失速，主翼空力弾性）を評価可能とすることで，実機フライト試験を代替する新たな設計プロセス技術を先導的に実証することを目的とする
高忠実・航空機全機LES解析による航空機空力設計のパラダイムシフト→ 実機フライト試験の大幅削減による開発コスト・リスクの低減• 国内航空機開発メーカーとの連携のもと民間旅客機設計開発プロセスへの展開を試みる
航空機全機複雑形状・実飛行レイノルズ数の空力予測評価
7<latexit sha1_base64="Dzla7i0kB8txKl2C5Bl+My5HGas=">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</latexit>｢富岳｣で初めて可能となる高忠実な実機・実飛行条件( Rec ⇠ 10 )の解析
高速・高忠実な階層型等間隔直交格子・圧縮性LESソルバー
FFVHC-ACE
複雑形状に対する格子生成の自動・高速化

物体非適合格子における壁面モデルLES‣ 保存則エラーを低減する壁面滑り速度‣ せん断応力バランスを考慮したモデル応力項→物体非適合格子でも対数則の再現が可能

壁面近傍をモデル化したLES (壁面モデルLES)→ LESが可能なレイノルズ数を飛躍的に向上

従来境界条件(非滑り)

元の速度分布(非滑り壁)

提案境界条件

30

壁面モデル
マッチ高さ

<latexit sha1_base64="jZ1QYCYVW0H2KFQivc5SEeRwt0w=">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</latexit>

++uu

40yu
滑り速度
duuslip = umatch −dy2010

参照データ (風洞試験)
102<latexit sha1_base64="cbCpm0w4iJH9OMQ46S9Y2XwWxl0=">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</latexit>+yy+103

ymatchmatch

安定・高忠実な非散逸圧縮性計算スキームの開発
KEEPスキーム：非散逸かつ安定 → 高忠実な圧縮性LESに適する- 保存量だけでなく運動エネルギーやエントロピーも保存- 階層型境界面でも安定なスキームを構築（複雑形状に適用可）
階層型直交格子による球(ReD = 200)の解析

非粘性Taylor-Green渦: 瞬間場とエントロピー履歴0.035

風上スキーム：散逸0.030.025

Δρs /ρ0 s00.02

0.015

0.010.005

KEEP：非散逸かつ安定

0-0.005

中心差分：すぐに不安定-0.01
020406080100120140

階層境界tM∞

検証データ提供
実飛行レイノルズ数における大規模LES解析

データベース提供
データ科学的手法による大規模データの解析

7<latexit sha1_base64="Dzla7i0kB8txKl2C5Bl+My5HGas=">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</latexit>

データ科学的手法を用いて超大規模な複雑流体現象データを解析

世界初となる実飛行レイノルズ数( Rec ⇠ 10 )のLES解析

数百から数千億点規模 → 超大規模データをどう解析するか？
‣データベース‣ キーとなる流体挙動を抽出 → 低計算コストでの空力予測に展開

主翼基本形状の高忠実・大規模LES解析‣ 高精度な高レイノルズ数乱流データベースを構築‣ 失速特性のレイノルズ数効果の解明を目指す‣ 格子点数：約380億点

提供

Capability computing → Capacity computing

データ科学的手法「富岳」8,640ノード (414,720コア)｢富岳｣実飛行レベル<latexit sha1_base64="Dzla7i0kB8txKl2C5Bl+My5HGas=">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</latexit>

Rec ⇠ 10‣ 幅広い周波数現象 → DMDで見たい周波数現象のみを抽出‣ 非線形現象で原因と結果が不明確 → Resolvent解析で明確に‣ 超大規模でも可能な方法を検討 (randomizedアプローチなど)

レイノルズ数効果

7揚力係数(実飛行Re数)

1.8

Rec = 1071.6

超大規模な複雑流体現象データ

DMDによる周波数分解

Resolvent解析による因果解析(UCLAとの共同研究)

Cl1.41.2

Rec = 2.1 × 106

1.00.8(風洞試験Re数)
68101214161820

遷音速バフェット

Æ｢京｣風洞試験レベル

Rec ⇠ 10

壁面摩擦係数6

剥離点の後退0.020

7 0.0010

Rec = 100.015

主翼空力構造連成最適化

0.00050.010°0.0005

0.81.0

Rec = 2.1 × 106

0.005
0.000
°0.005

遷移点の前進0.00.2

大規模データ解析の知見共有

空力と構造が干渉する多設計変数(構造部材)・多目的最適化手法を構築

0.0000Cf<latexit sha1_base64="omD7xSF8SNlSL0xyYdHe3LEqtjo=">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</latexit>

0.4

0.6

x/c

0.8

1.0

設計変数
翼形状~10構造部材配置~200

大幅な計算コスト削減を可能とする多設計空間の次元縮約