気液二相流を考慮した荒天時の安全性評価手法の構築

• Project/Area Number: 16K18326
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Research Field: Naval and maritime engineering
• Research Institution: National Institute of Maritime, Port and Aviation Technology
• Principal Investigator: 河村 昂軌 国立研究開発法人海上・港湾・航空技術研究所, その他部局等, 研究員 (80757724)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2017-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2018: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2017: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000); Fiscal Year 2016: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
• Keywords: 粒子法 / MPS法 / GPGPU / 大規模計算 / CFD / 船舶工学 / 船舶耐航性能 / 水槽実験

Outline of Annual Research Achievements

荒天時のスラミングや甲板冠水といった強非線形問題を実用的に解く安全評価法を構築することを目標とし、粒子法を用いた数値計算手法を開発した。本研究では粒子法の一つであるMPS法を用い、計算速度の高速化のために圧力計算を陽解法で行っている。フリーメッシュで有る粒子法は相互関係の計算のため、高い計算負荷を持つが、GPGPUによる高速化、MPIによる多並列化、動的負荷分散、ソート処理によるメモリアクセスの高速化を行い、スーパーコンピューターTSUBAME2.5での計算を可能にすることで、実用可能な解像度と計算速度を実現した。
実用化に向けた検証課題として造波境界、透過境界を開発し5000万粒子を超える漁船区画模型への海水打ち込みシミュレーションを行い、実験を定量的に再現できていることを確認した。また船体運動モデルを導入することで浮体の漂流計算が可能であることを確認した。安全性に関わる課題として損傷区画を有する車両甲板模型の強制動揺シミュレーションを行い、衝突や座礁によって出来た開口部から流体が流出、流入している様子が計算によって求められ区画にかかる流体力が高精度に求められることを確認した。二相流への拡張に関しては空気粒子を配置し、音速やタイムステップを変えることで、閉じ込められている空気の表現が可能であるか検証を行った。
本研究の結果、打ち込みや甲板冠水を高精度に予測することが可能になり、また区画への浸水、流出などの激しい流れも高精度に予測することが可能になった。

Research Products

• [Journal Article] A numerical simulation method for transient behavior of damaged ships associated with flooding (2017)
  • Author(s): Hirotada Hashimoto, Kouki Kawamura, Makoto Sueyoshi
  • Journal Title: Marine CFD Volume: －
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] GPUクラスタを用いたMPS法の海水打ち込みを伴う船体動揺シミュレーションの開発 (2017)
  • Author(s): 河村 昂軌、 小野寺 直幸、 橋本 博公、 松田 秋彦
  • Organizer: 日本船舶海洋工学会
  • Place of Presentation: 東京大学生産技術研究所
  • Year and Date: 2017-05-23
• [Presentation] 損傷浸水した車両区画の強制動揺シミュレーション (2017)
  • Author(s): 河村 昂軌、 橋本 博公、 小野寺 直幸、 谷口 裕樹
  • Organizer: 日本船舶海洋工学会
  • Place of Presentation: 東京大学生産技術研究所
  • Year and Date: 2017-05-23
• [Presentation] 並列GPUを用いたMPS法の海水打ち込みシミュレーションの開発 (2016)
  • Author(s): 河村 昂軌、 小野寺 直幸、 橋本 博公、 松田 秋彦
  • Organizer: 日本船舶海洋工学会
  • Place of Presentation: 岡山コンベンションセンター
  • Year and Date: 2016-11-21
• [Presentation] 耐航性能シミュレーションのためのGPUクラスタを用いた粒子法の動的負荷分散手法の開発 (2016)
  • Author(s): 河村 昂軌、 小野寺 直幸
  • Organizer: 第29回計算力学講演会(CMD2016)
  • Place of Presentation: 名古屋大学 東山キャンパス
  • Year and Date: 2016-09-22
• [Presentation] GPUを用いたMPSコードの強非線形自由表面流れへの適用 (2016)
  • Author(s): 河村 昂軌、橋本 博公、 小野寺 直幸
  • Organizer: 日本船舶海洋工学会
  • Place of Presentation: 福岡県中小企業振興センター
  • Year and Date: 2016-05-26
• [Presentation] 粒子法を用いた複雑形状に対する数値流体解析に関する研究 (2016)
  • Author(s): 橋本 博公、 末吉 誠、 河村 昂軌、 宗末 尚大
  • Organizer: 日本船舶海洋工学会
  • Place of Presentation: 福岡県中小企業振興センター
  • Year and Date: 2016-05-26