Turbomachinery aeroelasticity modeling for future practical use of Large-Eddy Simulations

• Project/Area Number: 18K13922
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 24010:Aerospace engineering-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 立石 敦 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 特任助教 (80808535)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2021: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2020: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000); Fiscal Year 2019: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000); Fiscal Year 2018: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
• Keywords: ターボ機械 / LES / 翼列流れ / 航空エンジン / 空力弾性 / フラッター / ファン / タービン / 周波数領域解法

Outline of Annual Research Achievements

現在広く用いられているターボ機械の空力減衰・フラッター評価手法はReynolds-Averaged Navier Stokes (RANS) によるが，サージ線近傍で生じる失速フラッターに特徴的な大規模な剥離を伴う流れ場に対し，満足な解析精度を有さないという欠点がある．一方で剥離流の解析にはLarge Eddy Simulation (LES) が有望だが，翼振動現象の時間・空間スケールは一般に乱流に比べ非常に大きいため，LESを直接フラッター解析に用いることは解析規模上の困難がある．そこで，本研究ではLESによる高精度な剥離流解析結果を利用したフラッター解析を実現するため，乱流現象と翼振動現象の間の時間スケール差を克服する，マルチスケールシミュレーション手法を提案し，実証することを目指した．
本研究の初年度は，航空用エンジンファン翼列の亜音速作動条件における前縁剥離流れに適用し，今後のフラッター解析の基礎となるLESデータベースを構築することを目標とした．申請者の構築したLESコードと東京大学の大型計算機であるOakforest-PACSを用いて，流入マッハ数0.5，インシデンス4deg～10degの条件についてLESにより時間平均流れ場を取得した．得られた流れ場をRANSのものと比較した結果，前縁ごく近傍の圧力分布を除き，インシデンスの増大とともに剥離泡が伸長する様子や圧力分布は，LESとRANSでほぼ同様の分布が得られた．
また研究発表として，本研究で使用するLESコードの基礎的な検証や翼列流れへの応用を国内・国際学会で発表した．重合格子を用いる際，格子間内挿に高精度なRadial basis function を応用する新しいアイデアや，遷音速ファン・圧縮機静翼・タービンといった様々な翼列流れに本コードが適用できることを紹介した．

Research Products

• [Journal Article] 重合格子を用いた翼列流れのLES (2019)
  • Author(s): 立石敦，渡辺紀徳，姫野武洋
  • Journal Title: 日本流体力学会誌「ながれ」 Volume: 38 (2)
  • Open Access
• [Journal Article] 遷音速失速領域における航空エンジンファン翼列の Large Eddy Simulation (2018)
  • Author(s): 立石敦
  • Journal Title: 東京大学情報基盤センター・スーパーコンピューティングニュース Volume: Vol. 20, Special Issure 2 Pages: 27-34
  • Open Access
• [Presentation] 決定論的非定常性に起因する流束をモデル化した動静翼列接続手法の構築と評価 (2019)
  • Author(s): 立石敦，渡辺紀徳，姫野武洋
  • Organizer: 第59回航空原動機・宇宙推進講演会
• [Presentation] Unsteady Flow Simulation of Buoyancy-Driven Flows in High-Pressure Compressor Disk Cavities (2018)
  • Author(s): Atsushi Tateishi, Toshinori Watanabe, and Takehiro Himeno
  • Organizer: ASME Turbo Expo 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Upgrades of an Overset LES Code for Simulating Near-Stall Transonic Flow in Fan Cascades (2018)
  • Author(s): Atsushi Tateishi, Toshinori Watanabe, and Takehiro Himeno
  • Organizer: Asian Congress on Gas Turbines 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 重合格子を用いた翼列流れのLES (2018)
  • Author(s): 立石敦，渡辺紀徳，姫野武洋
  • Organizer: 第32回数値流体力学シンポジウム
• [Presentation] 高負荷軸流圧縮機の段解析手法の評価 (2018)
  • Author(s): 立石敦，渡辺紀徳，姫野武洋，谷直樹，青塚瑞穂，加藤大
  • Organizer: 第46回日本ガスタービン学会定期講演会
• [Presentation] “設計利用に向けた産学連携による解析技術開発の最前線” パネル登壇 (2018)
  • Author(s): 立石敦
  • Organizer: 第46回日本ガスタービン学会定期講演会
  • Invited
• [Remarks] Atsushi Tateishi's web site - Research
  • URL: http://www.aeroeng-lab.t.u-tokyo.ac.jp/tateishi/research/