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2012 年度 実施状況報告書

概念設計指向の数値流体解析法構築と環境適合型航空機設計への適用

研究課題

研究課題/領域番号 23760767
研究機関東京大学

研究代表者

今村 太郎  東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (30371115)

キーワード数値流体力学
研究概要

本研究は、任意の複雑形状に対して高速かつロバストに流体計算を行い、その知識を航空機概念設計に迅速に反映させるための数値流体解析法、概念設計指向の数値流体解析法を構築することが目的である。第1段階では、計算機環境の整備および、概念設計指向数値流体解析法の構築を行う。第2段階では、概念設計指向数値流体解析コードの高度化を実施する。乱流モデルの組み込みや並列計算に向けた検討など、航空機概念設計への適用を視野に入れた改良を実施する。第3段階では、概念設計指向数値流体解析法の成果を環境適合型革新的航空機の概念設計に適用する。
平成23年度は、主に第1段階の課題を実施し、本研究が目指すコード開発の基礎となる部分の構築が完了した。平成24年度は主に第2段階となるプログラムの高度化に取り組んだ。当初は、乱流モデルの組み込みや並列化を予定していたが、より複雑な物体周りの解析を行うための格子生成プログラムの改良や、高レイノルズ数流れの解析を視野に入れた境界条件の改修の必要性があったことから、これらの課題に優先的に取り組んだ。これらの改良は終了し、複雑かつ複数物体の取り扱いが容易にできるプログラムが構築できた。現在は、乱流モデルを実装中である。また、研究室内の学生にプログラムを積極的に利用してもらうことで、適用範囲の拡大、修正箇所の明確化が日々進展している。発表に関しては、米国航空宇宙学会主催のCFD Conference(2013年6月開催)での口頭発表が受理された。また国内の研究会・講演会で合計4件の口頭発表行った。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

平成23年度は、概念設計指向数値流体解析法(PDOC)の構築を主として行い、本年度の大きな目標であった、完全自動格子生成するプログラムの作成及び、オイラー方程式&ナヴィエ・ストークス方程式に基づく流体ソルバーの構築ができた。いずれも2次元版と3次元版の基礎となるコードが完成できた。平成24年度は、昨年度の結果を踏まえ、プログラムの高度化に取り組んだ。格子生成プログラムについては、複雑な形状の取り扱いを目的として、複数ファイルで定義された複数物体周りの解析が実施できるようになった。物体毎に最小格子幅、境界条件の設定ができるようにすることで、柔軟に計算を行う事が出来る。更に流体現象に適した格子生成を目的として,後流領域への自動格子生成やRefinement Boxの追加機能を実装した。流体解析プログラムについては、高レイノルズ数流れの解析を視野に、Immersed Boundary Methodを用いた境界条件の改良を行った。現在はこれに基づき、乱流モデルの実装を行っている。また、物体に働く力の推算方法の影響についても定量的に評価を行った。他にもDual Time Step法を用いた陰解法を実装し、非定常流体計算が可能となった。
研究の進捗に伴い、明らかになった問題に対して研究が十分に進捗したと考えられる。研究開始時に予定していた、乱流モデルの組み込みついても、目途が立ってきていることから、当初の予定通りに研究が進捗している。

今後の研究の推進方策

平成25年度は、乱流モデルの組み込みや並列化を視野に更なる高度化に取り組むと共に、本コードを環境適合型革新的航空機の概念設計への適用を視野に改良を行う。
高レイノルズ数流れにおける剥離のない流れ場の解析は、航空機の巡航性能推算には欠かせない機能であるが、直交格子法を用いた流体解析では、壁面近傍に物体適合格子がないために、適切な壁面乱流モデルを実装する必要がある。これまでの、レイノルズ数平均ナヴィエ・ストークス解析は、既存の乱流モデルを利用するために壁面鉛直方向に細かくかつ連続的に生成された計算格子が求められ、格子生成に対する制約が大きかった。そのような格子を作成して計算するアプローチをとった研究が存在するが、結果的に直交格子法が本来有する格子生成や流体計算上のメリットが損なわれることが明らかになってきている。そこで、本研究では、格子生成、乱流モデルのバランスを取りながら、両者を改良する方針をとることによって、格子生成の負荷を減らし、高レイノルズ数流れ場解析を可能とするソルバーの開発する。物体壁面付近の格子が従来の乱流モデルで要求される細かさより粗くできる壁モデルを採用することにより、高レイノルズ数流れ解析が可能となる。本モデルが完成することにより、従来よりも高速かつ簡便に複雑形状の流体計算が可能となり、概念設計への展開が進むと考えられる。計算結果については、数値流体力学のベンチマーク問題との比較を通じ検証するとともに、本コードを環境適合型革新的航空機の概念設計への適用を視野に拡張する予定である。また計算規模が大きくなることから、プログラムの並列化に挑戦する予定である。
研究成果については、論文に取り纏め、積極的な発表を行うように心がける予定である。

次年度の研究費の使用計画

350千円:米国航空宇宙学会(CFD Conference)口頭発表(論文アクセプト済み)
350千円:ワークステーション(DELL)
100千円:論文投稿費用
150千円:国内学会参加費用(3名)
125千円:ソフトウエア更新料

  • 研究成果

    (7件)

すべて 2013 2012 その他

すべて 学会発表 (6件) 備考 (1件)

  • [学会発表] NACA0012翼近傍に配置された円柱周り流れからの二次元音響解析2013

    • 著者名/発表者名
      今村太郎、高橋悠一
    • 学会等名
      第45回流体力学講演会・航空宇宙数値シミュレーション技術シンポジウム2013
    • 発表場所
      タワーホール船堀(東京)
    • 年月日
      20130704-20130705
  • [学会発表] Unsteady Flow Simulation around Cylinder under Airfoil using Cartesian-based Flow Solver2013

    • 著者名/発表者名
      Taro Imamura, Yuichi Takahashi
    • 学会等名
      AIAA Computational Fluid Dynamics Conference
    • 発表場所
      サンディエゴ(米国 )
    • 年月日
      20130625-20130625
  • [学会発表] 粘性非定常流解析に向けた直交格子圧縮性流体ソルバーの改良2013

    • 著者名/発表者名
      今村太郎
    • 学会等名
      平成24年度航空宇宙空力班シンポジウム
    • 発表場所
      湯の花温泉 渓山閣(京都府亀岡市)
    • 年月日
      20130126-20130126
  • [学会発表] 直交格子法を用いた粘性計算における力計算と物体壁面境界の取扱いについて2012

    • 著者名/発表者名
      高橋 悠一,今村 太郎
    • 学会等名
      第26回数値流体力学シンポジウム
    • 発表場所
      国立オリンピック記念青少年総合センター(東京)
    • 年月日
      20121201-20121218
  • [学会発表] 直交格子法を用いた粘性流れの数値解析の検討2012

    • 著者名/発表者名
      高橋悠一
    • 学会等名
      グローバルCOE航空宇宙流体科学サマースクール2012
    • 発表場所
      浜名湖弁天リゾート ジ・オーシャン(浜松)
    • 年月日
      20120806-20120807
  • [学会発表] 埋め込み境界法を用いた直交格子オイラーソルバーの改良2012

    • 著者名/発表者名
      神園仁志、今村太郎
    • 学会等名
      第44回流体力学講演会・航空宇宙数値シミュレーション技術シンポジウム2012
    • 発表場所
      富山国際会議場
    • 年月日
      20120705-20120705
  • [備考] 李家・今村研究室 研究内容

    • URL

      http://park.itc.u-tokyo.ac.jp/rinoielab/research/index.html

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公開日: 2014-07-24  

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