2019 Fiscal Year Annual Research Report
エクサスケールを見据えた流体・構造双方向連成問題に対する統一的解法の構築
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19H04124
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
坪倉 誠 神戸大学, システム情報学研究科, 教授 (40313366)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
岡澤 重信 山梨大学, 大学院総合研究部, 教授 (10312620)
西口 浩司 国立研究開発法人理化学研究所, 計算科学研究センター, 特別研究員 (10784423)
LI CHUNGGANG 神戸大学, システム情報学研究科, 講師 (70650638)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 連成解析 / 統一解法 / 強連成問題 / 産業応用 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成31年度～33年度の3年間で、研究課題1)流体・構造統一オイラー解法のフレームワーク構築、2)アルゴリズムの高速化と超並列チューニング、3)シェル構造物流体連成問題に対するMaterial Point Method（MPM法）の確立、4)ものづくり分野での実証解析に段階的に取り組む。本年度は特に1)、3)、4)に対して取り組んだ。1)に対してはオイラー型流体・構造統一解法に対して陽的時間積分スキームを実装し，その精度検証を行った．3)に対してはシェル構造にも有利に適用できるマーカー粒子法を採用し，各種ベンチマーク問題に対して，汎用的に用いられるVOF法との比較検討を行った．4)に対しては，シミュレーションフレームワークの有用性と実用性評価の為に，自動車CAEコンソーシアム（会長・坪倉誠），及び建築耐風設計コンソーシアム（主査・田村哲郎）を活用して，各種実用問題に対して解析を実施した．自動車課題としてはボンネット付近から発生する狭帯域音（フィードバック音）の直接空力解析を行い，その結果を風洞実験と比較した．狭帯域音発生領域で0.2mm程度の解像度の20億セル規模の大規模解析を，スーパーコンピュータ京を用いて実施し，狭帯域音の発生予測に成功した．また，流体・構造連成機能の実証のために，自動車運動と空力の連成解析を実施し，実自動車形状に対するレーンチェンジ解析を行い，空力による運動安定性効果について検討を行った．このほか，自動車ランプ内の小型ファンを含む熱流動解析を実施し，実験値との比較を行った．これらの結果より，開発中の手法の有用性が確認されている．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
1)オイラー型流体・構造統一解法に対して，陽的時間積分スキームを実装し，その精度検証を行った．本研究の数値解析手法では，固体の構成方程式を除く基礎方程式および空間微分量は，有限体積法により空間方向に離散化され，空間固定の直交メッシュ上で計算される．一方，固体領域はラグランジュ粒子によって表され，ラグランジュ粒子は時々刻々と変化する固体の左コーシー・グリーン変形テンソルおよび偏差応力テンソルの情報を保持する．ここでは，2次精度アダムス-バッシュフォース法により時間積分を行った．
3)シェル構造等の変形にも対応できるようにマーカー粒子を用いた流体・構造統一解法に対して，ベンチマーク問題による精度検証を行った．精度検証に用いるベンチマーク問題として，流体中に配置された超弾性体と流体に初速度を与えることで，超弾性体を振動させる問題（ H. Zhao et al. Journal of Computational Physics, Vol. 227, No. 6, pp. 3114–3140 (2008) ）を取り上げた．この問題において，各エネルギーの時刻歴について参照解と比較した結果，従来のVOF法による界面捕捉を用いたオイラー型流体構造統一解法と比較して，精度が向上していることが確認できた．また，空間解像度に対するエネルギー保存誤差の収束性を確認した結果，収束次数は1.2であることが確認された．
以上の通り，研究は予定通り進捗している．
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| Strategy for Future Research Activity |
1)3)昨年度開発したマーカー粒子を用いた統一オイラー解析フレームワークは，個体の変形テンソル評価に速度勾配を用いた定式化をしているため，流体・構造界面において数値的な不安定性が発生することが確認された．そこで高レイノルズ数流れへ拡張するために，個体側の変形テンソル表記を速度勾配から変形勾配に変更する．これにより流体・構造界面における速度場の不連続性に起因する数値不安定性を回避する．このために，マーカー粒子に個体領域の初期位置ベクトルを保持させ，これをオイラーメッシュ上に補間することで，オイラーメッシュにおける変形勾配テンソルの計算を可能にする．また，体積平均化された流体・構造統一方程式に対してSGS乱流モデルを実装する．2)一部稼働を始めたスパコン「富岳」を用いて圧縮性ソルバーカーネルの性能評価と高速化を実施する． 今年度は特に単体性能の加速に注力し，SIMD並列演算やキャッシュメモリを効率的に活用できるようチューニングすることで，最終的にはスパコン「京」に対してノード性能で100倍以上の加速を目指す．4)開発予定のシミュレーションフレームワークの有用性と実用性評価の為に、機械分野および土木・建築分野におけるものづくりでの実問題を対象に、そのFSを行う。実証解析課題として今年度は，建築物と周囲流との連成による建物加振問題に着目する．具体的には，連続体を仮定した柔構造物として角柱を対象に，流れと構造変形が強連成振動を起こす解析を行う．並行して連携機関による風洞実験を実施し，シミュレーション結果の精度検証を行い，手法の妥当性と実用化に向けた課題抽出を行う．
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