航技研数値風洞ＭＨＩＣＦＤ解析成果紹介
三菱重工業
中尾雅弘
航空宇宙技術研究所の数値風洞が完成した平成５年以降、三菱重工業としても、航空宇宙のさまざまや分野でこの数値風洞を利用させていただいた。ここでは、Ｈ２Ａロケット開発において活用した例と超音速輸送機関連のCFD解析作業として活用した例を中心に紹介する。
１． Ｈ２ＡロケットＣＦＤ解析1),2)
１．１ 目的
本解析は、平成８年から９年にかけて、H2Aロケット及びHOPEの開発のため、打上げ能力、飛行経路解析、ブースタ分離特性、構造設計等のベースとなる空力特性を取得する目的で行われた。
１．２ 成果
H2Aの開発においては、風洞試験のケースの一部をCFD解析へ置き換えることで開発期間の短縮とコスト削減を狙っていた。亜音速から超音速における各形態のデータベースを整備するのに合計４３７ケースのCFD解析が必要であった。計算格子は、図１に示す重ね合わせ格子を用いており、格子点数は最大で約２００万点である。従来のコンピュータシステムでは、H2Aの開発に合わせて短期間で大量の設計データを整備するという要求には応えることが不可能であったが、１６０個ものP.E.が存在し高い処理能力を有するスーパーコンピュータでは、短期間での解析が可能となりH2Aの短期開発に繋がった。一方で、メーカから遠隔操作する際、データ量が多い為、データの転送に時間が掛かり、ここがボトルネックとなることがあった。今後は、周辺環境を含めた全体として高性能なマシンが望まれる。
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図１ 重ね合わせ格子１）
− HOPE打上げ形態 − |
図２ 表面圧力分布１）
− H2Aロケット − |
図３ 空間圧力分布２）
− SRB-A分離 − |
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２． 推進系を含むSSTＣＦＤ解析3),4)
２．１ 目的
超音速輸送機の空力設計における重要な課題の１つとして、推進系を含めた機体の統合解析がある。超音速輸送機は亜音速輸送機とは異なり、推進系から発生する衝撃波が機体と強く干渉する。このため巡航性能が低下しないように、機体と推進系の統合的な設計を実施することが必要である。本研究は平成７年度の通産省委託調査研究および航空宇宙技術研究所との共同研究の一環としてナセル吸排気条件を考慮したCFD解析を実施した。
２．２ 成果
超音速輸送機まわりの計算格子を図４に示す。ナセル部分は重ね合わせ格子を用いて、複雑な形状回りの解析を実現している。機体まわりの格子は65万点で、ナセル回りには同様に２５万点の格子を配している。ナセルまわりには図５に示すようにダイバータを模擬した詳細な格子を生成している。全機まわりの圧力分布を図６に示す。また、ナセル近傍での圧力分布を図７に示す。ナセルダイバータの影響により衝撃波が発生し、主翼下面に影響を与えていることがわかる。このような複雑形状のまわりの流れ場を解析するためにはNWTのような大規模システムの存在が不可欠であり、日本の航空宇宙分野の発展にとって非常に大きな役割を果たしたと言える。一方、実際の利用にあたっては、H-IIACFDの場合と同様、データ転送等や結果処理が追い付かないといった問題が生じたため、今後のシステムに対しては、これらの点の改善が望まれる。
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図４ 計算格子3）
− ＳＳＴ全機 − |
図５ 計算格子３）
− ナセル部拡大 − |
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図６ 表面圧力分布３）
M=2.4 α＝4.5° |
図７ ナセル近傍圧力分布３） |
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参考文献
- K. Ohyama, T.Kaiden, T.Tsujimoto， "Numerical Simulation for the HOPE-X Ascent
Configuration"，22nd INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON SPACE TECHNOLOGY AND SCIENCE，May，2000．
- 大山健一、海田武司、清水隆三、「H-IIロケットにおけるSRB分離の数値解析」、航空宇宙数値シミュレーション技術シンポジウム’９８、１９９８.６．
- 前川昭二、岩宮敏幸、坪井伸幸、海田武司、「推進系を含むSST空力特性のCFD解析」、第３４回飛行機シンポジウム、１９９６．
- T. Kaiden, M. Shibata, T. Iwamiya, “Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Simulation with Bleed and Bypass
Effects of Nacelles on SST”, International CFD Workshop for Super-Sonic Transport
Design 1998.
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