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民間輸送機推進システム開発における
数値シミュレーション技術の研究
石川島播磨重工業株式会社
山脇るり子
１．数値風洞（ＮＷＴ）活用による数値解析シミュレーション技術の向上
民間輸送機の推進システムは、近年、経済性、安全性、環境適合性の向上が求められてきた。そのために、圧縮機やタービンなどの推進システムの構成要素に対して、試験結果を基盤とした設計技術の向上はもちろんのこと、数値シミュレーションによる設計技術の向上が継続的に実施されてきた。具体的には、定常３次元粘性解析を利用することにより翼列間で発生する損失を低減させて、単翼列性能の向上に成果を上げてきた。しかし、これらの圧縮機やタービンは通常では多段形態であるために隣接する翼列との干渉があり、単翼列のみを考慮した数値シミュレーション技術では性能向上に限界があり、更なる性能向上のためには、より実機に近い多段形態での翼列内流れの理解を深め設計に反映させることが必要であった。また、試験データベースが十分にない翼列要素以外の構成要素に対しては、起きている未知の事象を数値シミュレーションで把握し設計に反映させることが求められるようになってきた。
ＮＷＴ以前は、エンジンメーカーが所有する計算機の範囲では定常３次元粘性解析までが一般的であったが、ＮＷＴの出現により非定常３次元粘性解析が実用的に実施できる環境が出来上がった。また、近年の数値シミュレーション技術の向上により、翼列設計以外の分野への適用範囲拡大が期待できるようになった。
こうした背景の下、（独）航空宇宙技術研究所と石川島播磨重工業（株）は、翼列非定常３次元粘性解析コードの開発を実施し、ＮＷＴを最大限有効活用できるようプログラムの並列化による多段翼列解析システムを確立した。また、冷却空気などの２次空気系の熱伝達予測のための数値解析や、ファン騒音音源強度予測としての非定常圧力変動予測を非定常段解析により実施する等、翼列設計以外への数値解析技術の適用拡大を図った。さらに、超音速輸送機用推進システム排気ノズル後流シミュレーションには、レイノルズ平均ナビエ・ストークス方程式（ＲＡＮＳ）が渦挙動を十分に捕らえることができないため、ラージ・エディ・シミュレーション（ＬＥＳ）を適用した。こうした数値シミュレーション技術の高度化により、翼列設計や翼列以外の設計技術の向上を図り推進システム性能向上に成果を上げてきた。以下に、主要な成果の概要を述べる。
非定常３次元粘性解析では、インレットディストーションのある圧縮機内の流れに対し全周に渡る非定常流れ解析を行い、動翼背面上での剥離と付着の周期的な現象等の翼列内の非定常現象に対する知見を得た（文献１参照）。また、燃焼器出口の温度分布を仮定した高圧タービンの動静翼干渉を解析し、ホットストリークの動静翼間内における挙動を予測し、翼面上温度変動等の有益な情報を得た。図１に全温のディストーションが下流に向かって変化している様子を、図２に動翼翼面上での温度変動を示す。
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この動静翼干渉解析では、総格子点数約７６０万点が用いられた（文献２参照）。さらに、ファン動静翼及びバイパスダクト内の流れ解析を実施し、下流のストラットやパイロンからの圧力擾乱のファン動翼への影響を評価した。図３はファンとバイパス内の全圧コンターを示す。図４には、パイロン／ストラット先端からストラットの０．５コード上流で計測された壁面静圧と解析結果の比較を示す。
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解析結果と試験結果は比較的良く一致しており、これによりエンジン内部流れの大規模解析の有用性を確認した。この解析ではファン動翼からバイパスダクトまでの全周についての非定常３次元粘性解析を実施しているため、総格子点数が約５０００万点となり極めて大規模な計算機容量とＣＰＵ時間を必要としたが、ＮＷＴ合計１６６台のProcessing
Element（ＰＥ）のうち１２３のＰＥを使用することで大規模解析を可能とした（文献３、文献４参照）。
翼列設計以外の数値解析技術の適用においては、冷却空気などの２次空気系の熱伝達予測のための数値解析を実施し、エンジン内の伝熱設計に活用できる見通しが得られた。また、ファン騒音低減研究における数値解析技術の適用では、ファン動静翼について動翼は同一とし、標準静翼と騒音低減を狙った３次元静翼の２形態に対し非定常段解析を実施し、静翼の翼面非定常圧力変動の違いを評価することにより、音源強度の低減効果予測の見通しを得た。図５、図６にそれぞれ、両静翼の80%スパンでの瞬時のエントロピ分布および翼面圧力変動のＦＦＴ解析結果の比較を示す（文献５参照）。
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ＬＥＳ解析では、軸対象ローブミキサーノズルとその下流流れ場に適用しミキシングの予測精度を評価した。図７にミキサーノズル中心断面での速度コンターのParticle
Image Velocimetry (PIV)計測結果との比較を示す。
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解析はミキサーノズル中心線に沿った高流速域の下流への伸びや、内ローブ後縁位置から下流へ広がる低速域のミキシングの様子を良好に捕らえることが出来ており、ノズル後流のミキシングを精度良く予測することが可能となった（文献６参照）。
２．今後の数値解析シミュレーション技術について
近年の民間輸送機の推進システム開発は、高性能化のみならずエンジン開発期間の短縮が重要視されている。これからのエンジン開発では、高精度・大規模数値シミュレーションによるエンジン設計プロセスの構築により、開発リスクの削減やシステムの最適化による開発期間の短縮が期待されている。前章で述べたように、これまでNWTを利用した数値シミュレーション技術の向上により推進システムの高性能化を図ってきた。今後の数値シミュレーション技術では、これまで作り上げてきた数値シミュレーション技術を更に大規模化、高精度化、空力・伝熱・構造・音響などの多分野との統合化を図り、要素全体解析ひいてはエンジン全体解析により、要素間マッチングや要素間相互干渉の把握、過渡性能特性の把握、健全性の把握等を可能とすることが求められている。
数値シミュレータⅢでは、ＮＷＴからの飛躍的な能力向上が図られており、上記のような数値シミュレーション技術の向上は現実的なものと考えられ、近い将来に達成されるものと期待される。
参考文献
- K. Hirai, H. Kodama, O. Nozaki, K. Kikuchi, A. Tamura and Y. Matsuo, “Unsteady
Three-Dimensional lysis of Inlet Distortion in a Turbomachinery,” AIAA 97-2735,
1997.
- 野崎, 西澤, 菊池, 松尾, 田村, 平井, 児玉, ”NWTによる三次元翼列流れの非定常段解析”, 第38回航空原動機・宇宙推進講演会および第8回ラム/スクラムジェットシンポジウム講演論文集,
pp.412-417, 1998.
- 海野, 児玉, 野崎, 西澤, 菊池, 松尾, ”ポテンシャル静圧擾乱があるファン動静翼およびバイパスダクト内の流れ解析”, 第14回ガスタービン秋季講演会講演論文集,
pp.37-42, 1999.
- M. Unno, H. Kodama, O. Nozaki and T. Nishizawa, “Unsteady Three-Dimensional
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2001.
- 山方, 海野, 児玉, 野崎, 西澤, 山本, “動静翼干渉による静翼非定常圧力予測”, 第16回ガスタービン秋季講演会講演論文集, pp.21-26,
2001.
- Y. Ooba, H. Kodama, Y. Nakamura, O. Nozaki, K. Yamamoto and T. Nishizawa,
“Large Eddy Simulation Analysis of a 18-Lobe Convoluted Mixer Nozzle”, AIAA 2002-0717,
2002.
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