36
2018/10/25 1 2018/10/25 機械工学入門 自然エネルギー変換科学研究室 飯田明由 機械工学入門(流体力学) 0 2018/10/25 機械工学入門 1 1988年豊橋技術科学大学大学院工学研究科 エネルギー工学専攻修了 1989年~2001年 日立製作所機械研究所入社 新幹線の低騒音化に関する研究 大型発電機の高効率冷却手法に関する研究 中小型コンピューターの低騒音冷却技術の開発 高速エレベーターの開発 次期ディスクの流体連成振動に関する研究 2001年~2008年 工学院大学助教授 自動車空力騒音の発生機構に関する研究 トンボの飛翔に関する研究 縦軸風車の開発 2008年~ 豊橋技術科学大学教授 空力騒音の発生機構に関する基礎研究 マグナス効果を用いた風力発電システムの開発 マイクロエアビークルの開発 次世代スーパーコンピュータを用いた新世代設計技術の開発 自己紹介

機械工学入門(流体力学) 0aero.me.tut.ac.jp/Lectures/Intro/intro2018.pdf2018/10/25 1 機械工学入門 2018/10/25 自然エネルギー変換科学研究室 飯田明由

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Page 1: 機械工学入門(流体力学) 0aero.me.tut.ac.jp/Lectures/Intro/intro2018.pdf2018/10/25 1 機械工学入門 2018/10/25 自然エネルギー変換科学研究室 飯田明由

20181025

1

20181025 機械工学入門

自然エネルギー変換科学研究室

飯田明由

機械工学入門(流体力学) 0

20181025 機械工学入門

1

1988年豊橋技術科学大学大学院工学研究科 エネルギー工学専攻修了 1989年~2001年 日立製作所機械研究所入社 新幹線の低騒音化に関する研究 大型発電機の高効率冷却手法に関する研究 中小型コンピューターの低騒音冷却技術の開発 高速エレベーターの開発 次期ディスクの流体連成振動に関する研究 2001年~2008年 工学院大学助教授 自動車空力騒音の発生機構に関する研究 トンボの飛翔に関する研究 縦軸風車の開発 2008年~ 豊橋技術科学大学教授 空力騒音の発生機構に関する基礎研究 マグナス効果を用いた風力発電システムの開発 マイクロエアビークルの開発 次世代スーパーコンピュータを用いた新世代設計技術の開発

自己紹介

20181025

2

20181025 機械工学入門

2 自己紹介(2)

趣味 仕事(研究) ものづくりと自転車

鳥人間コンテスト

(滑空機3位人力機5位) 学生フォーミュラ(lsquo03~rsquo07)

20181025 機械工学入門

3 機械工学科

知能化(より賢く) 人型ロボット自律ロボット

機能の高度化(より複雑に) 昆虫型ロボットマイクロ

統合化 基盤

要素技術 統合化技術

マイクロナノ技術

新素材

要素技術(よりスムーズに) 歯車リンクアーム

材料開発(より丈夫で軽く) ハニカム材カーボンフィバー

応用

基礎

自動化(より便利に) センサー制御技術

基礎力学(現象解明) 熱流体材料機械力学

動力開発(環境に優しく) エンジン燃料電池

設計加工技術 最適化自動化

医療バイオ(生物から学ぶ) 関節運動機能再生医療

システム化(大規模化) 輸送環境大規模システム 共通基盤技術

ロボット開発

20181025

3

20181025 機械工学入門

4

数学 物理 化学

歴史

地理 英語 国語 音楽

美術 哲学

流体力学

機械力学

材料力学

設計製図 加工法

情報処理

エンジン工学

制御工学

航空工学 ロボット工学

電子工学

熱力学

機械工学(4力学)

20181025 機械工学入門

5

基礎科目流体力学

空気や水の流れについて調べそれを応用した機械や装置を開発

主に自然エネルギーと流れと音の関係について研究

流体力学とは

20181025

4

20181025 機械工学入門

6 研究紹介

20181025 機械工学入門

7 空力騒音とは

速度の6乗に比例して増大する (高速で急激に増大) 音源と音を伝播する媒質が同じ空気 (音源がはっきりしない) 渦の非定常運動が原因 (非線形性が強い)

20181025

5

20181025 機械工学入門

8 パンタグラフの騒音低減事例

20

30

40

50

60

70

80

100 160 250 400 630 1k 16k 25k 4k 63k 10k OA

Frequency [Hz]

SP

L [

dB

(A)]

Circular Cylinder

with small holes

Circular Cylinder

Background noise

of wind tunnel

20181025 機械工学入門

9 空力音の制御技術の開発

プラズマアクチュエータによる自動車フロントグリル騒音の制御

20181025

6

制御効果のデモ画像

(U0 = 37 ms pL = 025 Uj = 22 ms)

20181025 機械工学入門

10

Flow

平板翼列騒音(共鳴音)

bull 平板列からピーク性騒音の発生

bull 特定の流速で増大

bull 自動車グリル 熱交換機 建造物などで発生し

設計段階での予測対策が必要

Effects of velocity on SPL

Condition

bull N = 5

bull C = 30 mm

bull d = 12 mm

Flow U0

c

s

b

xy

zo

Noise Source of Automobile (httpwwwshoutwikicomwimagesauto776)

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化 20181022

11

Peak (U0 = 44 ms)

20181025

7

20181025 機械工学入門

12 楽器のシミュレーション

埋め込み境界法を用いた楽器の解析

20181025

8

20181025 機械工学入門

14 リードバルブ(移動境界)解析 Reed Vibration amp Flow

20181025 機械工学入門

15

ポリオフィリン紫外線を当てると発光

発光強度は酸素濃度に反比例

-3

-2

-1

0

1

2

3

0 02 04 06 08 1 12 14X D

Cp

PSPPiezoresistive SensorsSimulation

U = 75 ms = 15 deg

Flow

感圧塗料の開発

20181025

9

20181025 機械工学入門

16 PIV計測技術の開発

20181025 機械工学入門

17

110 mm

Paper wing

30 mm

トンボの羽ばたき運動と飛行性能を実験的に調べ羽ばたき型飛行ロボットを開発

飛行するトンボの周りの流れ

トンボの飛翔に関する研究

20181025

10

20181025 機械工学入門

18

廃熱によって音波を発生 熱音響冷凍機の駆動源

管内の音響共鳴周波数を利用したスターリングエンジン

熱音響冷凍機

熱音響エンジン

熱音響冷凍機の開発

20181025 機械工学入門

19

風車周りのLES解析流れ

風車の開発

20181025

11

自動車車外騒音予測

20181025 機械工学入門

20

フロントグリル

キャビティサンルーフ

20181025 機械工学入門

21 自動車の開発と技術分野 エンジン自動車開発の花形自動車のかなめ

熱力学燃焼工学材料力学

シャーシ安全性居住性スタイル

構造力学材料力学破壊力学振動工学

サスペンション車体の安定走行乗り心地

振動工学構造工学材料力学

タイヤ ニューマッチクタイヤの開発(ミシュラン) 材料(物性)振動工学構造工学

エアロダイナミックス車体に作用する流体力(省エネ高速化) 流体力学

電子制御安全工学人間工学デザイン工学etc

世界初のエアロダイナミックマシン

メルセデスW25

平均速度260kmh(1935年)

20181025

12

20181025 機械工学入門

22 自動車はどのようにして走るか

20181025 機械工学入門

23 ニュートンの運動方程式と摩擦力

ニュートンの運動方程式

F=ma

力は質量と加速度に比例する

同じ力でものを加速させる場合軽いものほど加速させやすい

rarr車を加速させるには軽いほうが良い

摩擦力

F=mW=mmg

摩擦力は摩擦係数と物体の重量に比例する

重量が重いほど摩擦力は大きくなる

rarr タイヤの力を路面に伝えるには重いほうが良い

軽いけれど摩擦力が大きくなるようにする必要がある

rarr 空気の力を利用する

20181025

13

20181025 機械工学入門

24 空気抵抗とは 雨粒の落下速度と空気抵抗

h=1000m

ghv

mghmv

vh

mghmmgmv

mghmv

2

2

1

00

02

10

2

1

2

1

2

22

2

   上空地上

一定

)45014010008192 kmsmv  (時速

実際には空気抵抗があるので1ms~5ms程度

(重力)mg

(空気抵抗)Av2

2

1

(浮力)Vg

V=

20181025 機械工学入門

25

20kmh

転がり抵抗55 空気抵抗45

30kmh

転がり抵抗 30 空気抵抗70

自転車のドラフティング

後ろの人は楽(60 ~70)

坂道 勾配5 10kmh

登坂抵抗 80 転がり抵抗13

自転車に作用する力

空気抵抗

伝達損失

(小さい)

mg(重力)

登坂抵抗

ころがり抵抗

(摩擦)

20181025

14

20181025 機械工学入門

26 自動車の空気抵抗

空気抵抗係数Cd 自動車を走行が空気によってどれだけ妨げられるかを表したもの空気抵抗は速度の2乗に比例するため高速になればなるほど問題となる

][

][

][

2

1

2

3

2

mA

smU

mkg

Cd

AUCdD

前面投影面積

速度

空気密度

空気抵抗係数

20181025 機械工学入門

27 空気抵抗と燃費

Cd=026rarr02 燃費10改善

20181025

15

20181025 機械工学入門

28 何故抵抗が生じるのか

物体の後ろには渦ができる

(渦の中心は圧力が低くなる)

2

2

P

物体の前側は速度がゼロになる(運動量が変化する) 力が作用する(運動量保存則)

20181025 機械工学入門

29 風洞実験

人工的に風を作り

車などの性質を調べる装置

20181025

16

20181025 機械工学入門

30

車を走らせる代わりに風洞内で風を流して

車の周りの空気の流れを調べる

自動車開発への応用

20181025 機械工学入門

31 流体力の計測方法

20181025

17

20181025 機械工学入門

32

模型なのでいろいろと

試すことができる

模型実験の利点

20181025 機械工学入門

33 ナビエストークスの式

流体は粘々しているせん断応力

流体を速く動かそうとすると粘り気による力が働く

ニュートンの式に流体の性質である圧力

と粘り気による力の項を加えた式を考える

z

w

y

v

x

u

x

uw

yv

xu

tDt

D

gradgradpDt

D

vFv

2

3

11

m

m

ミレニアム懸賞問題

PneNP予想

ホッジ予想

ポアンカレ予想

リーマン予想

ヤン-ミルズ方程式と質量ギャップ問題

ナビエ-ストークス方程式の解の存在と滑らかさ

バーチスウィンナートン=ダイアー予想 慣性力=圧力+粘性力

20181025

18

20181025 機械工学入門

34 コンピュータの利用

20181025 機械工学入門

35 戦略HPCIプロジェクト

High Performance Computing Infrastructure

20181025

19

20181025 機械工学入門

36 HPCIプロジェクト(自動車関連)

1048708 「自動車用統合空力連成設計システムの研究開発」 自動車まるごと連成解析の実現による車体設計手法の革新

空力車両運動連成

外部音キャビン騒音

エンジンルームキャビン内熱環境解析

1048708 LES非定常空力解析を主体とした設計システム

超マルチ時間スケールLES(実時間で数分) rarr車両運動連成解析

超大規模LES(数十億要素数規模) rarr外部音キャビン騒音解析

超高速RANS(1ケース1分程度) rarr空力熱設計最適化

20181025 機械工学入門

37

5年後になにしているか

沖縄に台風が上陸したときの豊橋の天気は

今日何時に寝るか

技科大の天気と駅前の天気

近い将来や近所のことは

予測ができる

f(x)

コンピュータを使った予測方法

20181025

20

20181025 機械工学入門

38

コンピューターは四則演算しかできない

Sinの微分はなんでしょうかrarrコンピュータにはわからない

x

xvxxv

dx

dv

t

tvttv

dt

dv

)()(

)()(

ちょっと先の結果から現在の結果を引く (時間当たりの変化) 自分の隣の結果と自分自身の結果を引く(空間あたりの変化) 時間当たりの変化を求める

tやxを小さくすると微分と等しくなる微分がわからなくても

計算できる

POINTセルを細かく時間刻みを短くすれば現実に近づく

難しい方程式を簡単に

20181025 機械工学入門

39

計算したい物体の周りを

小さなセルに分割

各セルの将来の値を推定

(物理法則)

物理法則を用いて周囲の

セルの物理量を元に物理

量を計算 繰り返し

計算結果を出力

dt

dvmmaF

物理法則たとえば

コンピューターシミュレーション

20181025

21

40

細かくセルを分割して計算するには高速のコンピュータが必要

自動車の周囲 5mtimes3mtimes15mの空間を計算する

3m

5m 15m

各辺を1mmの格子で分割する2250億の小さなブロックに分割

実際の計算では場所によって大きさを変える車の場合は10億程度

流れの計算をするには10億個の連立方程式を作って計算

rarr気が遠くなる話だけど計算機は単純計算は得意

20181025 機械工学入門

シミュレーションの規模

20181025 機械工学入門

41 格子生成

20181025

22

20181025 機械工学入門

42

By Prof Makoto Tsubokura (Kobe Univ) And Suzuki Ltd

300億メッシュの解析事例(FFred)

20181025 機械工学入門

43

By Prof Makoto Tsubokura (Kobe Univ) And Suzuki Ltd

アニメーション(FrontFlowred)

20181025

23

20181025 機械工学入門

44

並列計算一つのコンピュータでは計算できない問題を

多数のコンピュータで計算

リチャードソン計算職人を6000人集めて天気予報を試みる

光が1秒間に進む距離300000キロメートル

クロック周波数37GHz (1秒間に370000000)

1クロックで光が進む距離8cm 程度

rarr通信速度から現在のコンピュータの速度は限界に近い

一つのパソコンに複数のCPU (インテル6コア)

10億の連立方程式を解くには速いコンピュータが必要

もっと速くもっと大規模に

20181025 機械工学入門

45

スパコンの性能は10年で1000倍 世界最速コンピュータ「京」 2011年6月 世界最高性能 816PFLOPSを達成

PC

コンピューターの性能

FLOPS1秒間あたりの演算回数

20181025

24

20181025 機械工学入門

46

物理法則に対するコンピュータシミュレーションの原理は簡単

ただし膨大な数の連立方程式を解く必要がある

そのためには高速のコンピュータが必要

コンピュータの速度も限界複数のコンピュータで計算するため

通信速度も重要

京に代表されるハイパフォーマンスコンピュータが必要

ソフトウェアや実証試験も重要他国に負けない技術開発

スーパーコンピューターが作れるのは米国と日本だけ

CRY1160MFlops 価格800万ドル

iPhone41GFlops 価格669ドル

コーヒーブレイク

20181025 機械工学入門

47 自動車コンソーシアム

20181025

25

20181025 機械工学入門

48

HPCによる自動車用次世代空力熱設計システムの研究開発

北海道大学 坪倉 誠(リーダー) ①階層的データ構造による超大規模格子作成

統合ユーザーインターフェースの開発

東大生研小野 謙二

②実走行状態における気流車両運動連成空力解析

北海道大学 坪倉 誠広島大学 中島卓司

③空力振動音響連成解析による車室内騒音の予測

豊橋技術科学大学 飯田明由

④エンジンルーム排気管系熱害

東京都市大学 郡 逸平

コンソーシアムの課題内容

20181025 機械工学入門

49

固体伝播

フレーム振動(低周波数) 車体剛性に関連

車体振動(高周波数)車体重量(質量則)構造(コインシデンス) HVAC(特に配管系)冷媒振動音気液2相流

空気伝播

車外空力騒音(比較的高い周波数)音源部位の特定困難

HAVC(ファン騒音)ダクト系の共鳴+広帯域騒音

伝達関数

音 流体力

車内騒音解析の考え方(SEA法)

20181025

26

20181025 機械工学入門

50

音響透過解析(反射回折透過) FrontFlowBlue-ACOUSTICS

振動解析(流体加振構造振動) Adventure

音源解析(物体表面圧力変動空力騒音) FrontFlowBlue

室内音場解析

FrontFlowBlue-ACOUSTICS

流体-音響メッシュ周波数領域

物体表面メッシュ

車内騒音解析手法

1way 連成解析 プログラム連成REVOCAP

20181025 機械工学入門

51

流体ソルバーによる 車外流れの流体解析

構造ソルバーによる 車体の振動解析

bullモックアップモデル

空力rArr構造振動rArr音響の連成解析により車室内の騒音を予測する

音響ソルバーによる 車室内騒音解析

ベンチマークテスト

流体メッシュ 構造メッシュ 流体側圧力分布

構造側圧力分布

REVOCAP_Coupler

によるマッピング

20181025

27

20181025 機械工学入門

52

流体解析空力音に寄与する音のスケール 1mm (10kHz) 境界層内の渦スケール 01 mm

境界層メッシュ解像度 200mm

解析メッシュ 200億要素

振動解析流体解析データを加える振動力とする周波数 10kHz

解析自由度規模 1億自由度

解像度 1mm

解析メッシュ 1000万要素

騒音解析振動解析結果を圧力境界または粒子速度境界 10kHz

解像度 3mm

解析メッシュ 10億要素

解析規模(最終目標)

スズキ MRワゴン

時速100km走行時の車内騒音

20181025 機械工学入門

53

流体解析 構造振動解析 音響解

解析ソフト FFB Ver 81 Adventure Cluster FFB-Acoustics Ver50

解析規模 52億要素 250万要素(1500 万自由度) 3700万要素

解析メッシュ 6面体メッシュ シェル要素(34角形)

ソリッド要素(456面体) 4面体要素

解析時間 京(4096ノード) 22時間1sec

CX1000 (96 コア) 7日6144step

FX10(24ノード) 30時間512周波数

最小メッシュサイズ

01mm 4mm 1mm

最小解像度 渦スケール 1mm 周波数4kHz 最大周波数の波長を20

分割 (4mm)

解析ドメイン 時間領域 時間領域 周波数処理

離散化方法 有限要素法 有限差分法 有限要素法

連成処理

データ

表面圧力変動

壁面加振動力

壁面振動加速度

音響粒子速度

今回の解析規模

20181025

28

20181025 機械工学入門

54 流体解析結果(1)

Cd値 解析0295(実験03)

20181025 機械工学入門

55

3000万要素

52億要素

メッシュ規模の影響 京(4096ノード32768コア)

22時間1sec

8000万要素

20181025

29

20181025 機械工学入門

56 流体解析結果 (2) 圧力変動強度(rms値)

渦度の絶対値

20181022

57 外部音解析

音源項 音源となる渦

流体圧力と音圧

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181025

30

20181022

58

流れ場 音場

車体周りの空力音響解析結果

音場解析事例(50億CFD+8千万CAA)

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181022

59

車体近傍には擬似音場が形成される

疑似音波が車内音に及ぼす影響が重要

擬似音場(圧力場)

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181025

31

20181025 機械工学入門

60

378Hz 638Hz

513Hz

38Hz 68Hz

52Hz 91Hz 赤字の値実験値

900Hz

リアドアガラス

ルーフ

モード解析結果

20181025 機械工学入門

61 振動解析結果(2) CX1000 (96 コア)

7日6144step

20181025

32

20181025 機械工学入門

62

要素数37089746

節点数 6738591

Tetrahedral Mesh

完全自動メッシュ

平均メッシュサイズ 4mm

4kHzの波長(85mm)を20分割

車内騒音解析

20181025 機械工学入門

63 車内騒音解析結果(1)

車体周りの流れに起因する車内騒音解析結果(100Hz)

注意外部流れは速度場の瞬時値室内音は平均音圧分布のため車外と室内の解析結果は時間的には同期していない点に注意

20181025

33

20181025 機械工学入門

64 車内騒音解析結果(2)

20181025 機械工学入門

65 車内騒音解析結果(3)

車外渦度場内部音響粒子速度ベクトル

20181025

34

20181025 機械工学入門

66 車内騒音解析結果(4)

圧力分布(実部)

20181025 機械工学入門

67

200Hz

125Hz

315Hz

613Hz

400Hz

800Hz

2000Hz

1000Hz

4000Hz

200Hz 1000Hz

車内騒音解析結果(5) FX10(24ノードtimes6 2304コア) 30時間512周波数

20181025

35

20181025 機械工学入門

68 解析結果の定量的な評価(2)

20181025 機械工学入門

69

洋上ウィンドファーム周りの流れ

翼周り流れに対する主流乱の影響 空力構造連成

格子点数1兆規模

ウィンドファームの開発(2015年から)

20181025

36

20181025 機械工学入門

70 風車回りの流れの計算結果

20181025 機械工学入門

71

httpaerometutacjp

iidametutacjp

自然エネルギー変換科学研究室

Page 2: 機械工学入門(流体力学) 0aero.me.tut.ac.jp/Lectures/Intro/intro2018.pdf2018/10/25 1 機械工学入門 2018/10/25 自然エネルギー変換科学研究室 飯田明由

20181025

2

20181025 機械工学入門

2 自己紹介(2)

趣味 仕事(研究) ものづくりと自転車

鳥人間コンテスト

(滑空機3位人力機5位) 学生フォーミュラ(lsquo03~rsquo07)

20181025 機械工学入門

3 機械工学科

知能化(より賢く) 人型ロボット自律ロボット

機能の高度化(より複雑に) 昆虫型ロボットマイクロ

統合化 基盤

要素技術 統合化技術

マイクロナノ技術

新素材

要素技術(よりスムーズに) 歯車リンクアーム

材料開発(より丈夫で軽く) ハニカム材カーボンフィバー

応用

基礎

自動化(より便利に) センサー制御技術

基礎力学(現象解明) 熱流体材料機械力学

動力開発(環境に優しく) エンジン燃料電池

設計加工技術 最適化自動化

医療バイオ(生物から学ぶ) 関節運動機能再生医療

システム化(大規模化) 輸送環境大規模システム 共通基盤技術

ロボット開発

20181025

3

20181025 機械工学入門

4

数学 物理 化学

歴史

地理 英語 国語 音楽

美術 哲学

流体力学

機械力学

材料力学

設計製図 加工法

情報処理

エンジン工学

制御工学

航空工学 ロボット工学

電子工学

熱力学

機械工学(4力学)

20181025 機械工学入門

5

基礎科目流体力学

空気や水の流れについて調べそれを応用した機械や装置を開発

主に自然エネルギーと流れと音の関係について研究

流体力学とは

20181025

4

20181025 機械工学入門

6 研究紹介

20181025 機械工学入門

7 空力騒音とは

速度の6乗に比例して増大する (高速で急激に増大) 音源と音を伝播する媒質が同じ空気 (音源がはっきりしない) 渦の非定常運動が原因 (非線形性が強い)

20181025

5

20181025 機械工学入門

8 パンタグラフの騒音低減事例

20

30

40

50

60

70

80

100 160 250 400 630 1k 16k 25k 4k 63k 10k OA

Frequency [Hz]

SP

L [

dB

(A)]

Circular Cylinder

with small holes

Circular Cylinder

Background noise

of wind tunnel

20181025 機械工学入門

9 空力音の制御技術の開発

プラズマアクチュエータによる自動車フロントグリル騒音の制御

20181025

6

制御効果のデモ画像

(U0 = 37 ms pL = 025 Uj = 22 ms)

20181025 機械工学入門

10

Flow

平板翼列騒音(共鳴音)

bull 平板列からピーク性騒音の発生

bull 特定の流速で増大

bull 自動車グリル 熱交換機 建造物などで発生し

設計段階での予測対策が必要

Effects of velocity on SPL

Condition

bull N = 5

bull C = 30 mm

bull d = 12 mm

Flow U0

c

s

b

xy

zo

Noise Source of Automobile (httpwwwshoutwikicomwimagesauto776)

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化 20181022

11

Peak (U0 = 44 ms)

20181025

7

20181025 機械工学入門

12 楽器のシミュレーション

埋め込み境界法を用いた楽器の解析

20181025

8

20181025 機械工学入門

14 リードバルブ(移動境界)解析 Reed Vibration amp Flow

20181025 機械工学入門

15

ポリオフィリン紫外線を当てると発光

発光強度は酸素濃度に反比例

-3

-2

-1

0

1

2

3

0 02 04 06 08 1 12 14X D

Cp

PSPPiezoresistive SensorsSimulation

U = 75 ms = 15 deg

Flow

感圧塗料の開発

20181025

9

20181025 機械工学入門

16 PIV計測技術の開発

20181025 機械工学入門

17

110 mm

Paper wing

30 mm

トンボの羽ばたき運動と飛行性能を実験的に調べ羽ばたき型飛行ロボットを開発

飛行するトンボの周りの流れ

トンボの飛翔に関する研究

20181025

10

20181025 機械工学入門

18

廃熱によって音波を発生 熱音響冷凍機の駆動源

管内の音響共鳴周波数を利用したスターリングエンジン

熱音響冷凍機

熱音響エンジン

熱音響冷凍機の開発

20181025 機械工学入門

19

風車周りのLES解析流れ

風車の開発

20181025

11

自動車車外騒音予測

20181025 機械工学入門

20

フロントグリル

キャビティサンルーフ

20181025 機械工学入門

21 自動車の開発と技術分野 エンジン自動車開発の花形自動車のかなめ

熱力学燃焼工学材料力学

シャーシ安全性居住性スタイル

構造力学材料力学破壊力学振動工学

サスペンション車体の安定走行乗り心地

振動工学構造工学材料力学

タイヤ ニューマッチクタイヤの開発(ミシュラン) 材料(物性)振動工学構造工学

エアロダイナミックス車体に作用する流体力(省エネ高速化) 流体力学

電子制御安全工学人間工学デザイン工学etc

世界初のエアロダイナミックマシン

メルセデスW25

平均速度260kmh(1935年)

20181025

12

20181025 機械工学入門

22 自動車はどのようにして走るか

20181025 機械工学入門

23 ニュートンの運動方程式と摩擦力

ニュートンの運動方程式

F=ma

力は質量と加速度に比例する

同じ力でものを加速させる場合軽いものほど加速させやすい

rarr車を加速させるには軽いほうが良い

摩擦力

F=mW=mmg

摩擦力は摩擦係数と物体の重量に比例する

重量が重いほど摩擦力は大きくなる

rarr タイヤの力を路面に伝えるには重いほうが良い

軽いけれど摩擦力が大きくなるようにする必要がある

rarr 空気の力を利用する

20181025

13

20181025 機械工学入門

24 空気抵抗とは 雨粒の落下速度と空気抵抗

h=1000m

ghv

mghmv

vh

mghmmgmv

mghmv

2

2

1

00

02

10

2

1

2

1

2

22

2

   上空地上

一定

)45014010008192 kmsmv  (時速

実際には空気抵抗があるので1ms~5ms程度

(重力)mg

(空気抵抗)Av2

2

1

(浮力)Vg

V=

20181025 機械工学入門

25

20kmh

転がり抵抗55 空気抵抗45

30kmh

転がり抵抗 30 空気抵抗70

自転車のドラフティング

後ろの人は楽(60 ~70)

坂道 勾配5 10kmh

登坂抵抗 80 転がり抵抗13

自転車に作用する力

空気抵抗

伝達損失

(小さい)

mg(重力)

登坂抵抗

ころがり抵抗

(摩擦)

20181025

14

20181025 機械工学入門

26 自動車の空気抵抗

空気抵抗係数Cd 自動車を走行が空気によってどれだけ妨げられるかを表したもの空気抵抗は速度の2乗に比例するため高速になればなるほど問題となる

][

][

][

2

1

2

3

2

mA

smU

mkg

Cd

AUCdD

前面投影面積

速度

空気密度

空気抵抗係数

20181025 機械工学入門

27 空気抵抗と燃費

Cd=026rarr02 燃費10改善

20181025

15

20181025 機械工学入門

28 何故抵抗が生じるのか

物体の後ろには渦ができる

(渦の中心は圧力が低くなる)

2

2

P

物体の前側は速度がゼロになる(運動量が変化する) 力が作用する(運動量保存則)

20181025 機械工学入門

29 風洞実験

人工的に風を作り

車などの性質を調べる装置

20181025

16

20181025 機械工学入門

30

車を走らせる代わりに風洞内で風を流して

車の周りの空気の流れを調べる

自動車開発への応用

20181025 機械工学入門

31 流体力の計測方法

20181025

17

20181025 機械工学入門

32

模型なのでいろいろと

試すことができる

模型実験の利点

20181025 機械工学入門

33 ナビエストークスの式

流体は粘々しているせん断応力

流体を速く動かそうとすると粘り気による力が働く

ニュートンの式に流体の性質である圧力

と粘り気による力の項を加えた式を考える

z

w

y

v

x

u

x

uw

yv

xu

tDt

D

gradgradpDt

D

vFv

2

3

11

m

m

ミレニアム懸賞問題

PneNP予想

ホッジ予想

ポアンカレ予想

リーマン予想

ヤン-ミルズ方程式と質量ギャップ問題

ナビエ-ストークス方程式の解の存在と滑らかさ

バーチスウィンナートン=ダイアー予想 慣性力=圧力+粘性力

20181025

18

20181025 機械工学入門

34 コンピュータの利用

20181025 機械工学入門

35 戦略HPCIプロジェクト

High Performance Computing Infrastructure

20181025

19

20181025 機械工学入門

36 HPCIプロジェクト(自動車関連)

1048708 「自動車用統合空力連成設計システムの研究開発」 自動車まるごと連成解析の実現による車体設計手法の革新

空力車両運動連成

外部音キャビン騒音

エンジンルームキャビン内熱環境解析

1048708 LES非定常空力解析を主体とした設計システム

超マルチ時間スケールLES(実時間で数分) rarr車両運動連成解析

超大規模LES(数十億要素数規模) rarr外部音キャビン騒音解析

超高速RANS(1ケース1分程度) rarr空力熱設計最適化

20181025 機械工学入門

37

5年後になにしているか

沖縄に台風が上陸したときの豊橋の天気は

今日何時に寝るか

技科大の天気と駅前の天気

近い将来や近所のことは

予測ができる

f(x)

コンピュータを使った予測方法

20181025

20

20181025 機械工学入門

38

コンピューターは四則演算しかできない

Sinの微分はなんでしょうかrarrコンピュータにはわからない

x

xvxxv

dx

dv

t

tvttv

dt

dv

)()(

)()(

ちょっと先の結果から現在の結果を引く (時間当たりの変化) 自分の隣の結果と自分自身の結果を引く(空間あたりの変化) 時間当たりの変化を求める

tやxを小さくすると微分と等しくなる微分がわからなくても

計算できる

POINTセルを細かく時間刻みを短くすれば現実に近づく

難しい方程式を簡単に

20181025 機械工学入門

39

計算したい物体の周りを

小さなセルに分割

各セルの将来の値を推定

(物理法則)

物理法則を用いて周囲の

セルの物理量を元に物理

量を計算 繰り返し

計算結果を出力

dt

dvmmaF

物理法則たとえば

コンピューターシミュレーション

20181025

21

40

細かくセルを分割して計算するには高速のコンピュータが必要

自動車の周囲 5mtimes3mtimes15mの空間を計算する

3m

5m 15m

各辺を1mmの格子で分割する2250億の小さなブロックに分割

実際の計算では場所によって大きさを変える車の場合は10億程度

流れの計算をするには10億個の連立方程式を作って計算

rarr気が遠くなる話だけど計算機は単純計算は得意

20181025 機械工学入門

シミュレーションの規模

20181025 機械工学入門

41 格子生成

20181025

22

20181025 機械工学入門

42

By Prof Makoto Tsubokura (Kobe Univ) And Suzuki Ltd

300億メッシュの解析事例(FFred)

20181025 機械工学入門

43

By Prof Makoto Tsubokura (Kobe Univ) And Suzuki Ltd

アニメーション(FrontFlowred)

20181025

23

20181025 機械工学入門

44

並列計算一つのコンピュータでは計算できない問題を

多数のコンピュータで計算

リチャードソン計算職人を6000人集めて天気予報を試みる

光が1秒間に進む距離300000キロメートル

クロック周波数37GHz (1秒間に370000000)

1クロックで光が進む距離8cm 程度

rarr通信速度から現在のコンピュータの速度は限界に近い

一つのパソコンに複数のCPU (インテル6コア)

10億の連立方程式を解くには速いコンピュータが必要

もっと速くもっと大規模に

20181025 機械工学入門

45

スパコンの性能は10年で1000倍 世界最速コンピュータ「京」 2011年6月 世界最高性能 816PFLOPSを達成

PC

コンピューターの性能

FLOPS1秒間あたりの演算回数

20181025

24

20181025 機械工学入門

46

物理法則に対するコンピュータシミュレーションの原理は簡単

ただし膨大な数の連立方程式を解く必要がある

そのためには高速のコンピュータが必要

コンピュータの速度も限界複数のコンピュータで計算するため

通信速度も重要

京に代表されるハイパフォーマンスコンピュータが必要

ソフトウェアや実証試験も重要他国に負けない技術開発

スーパーコンピューターが作れるのは米国と日本だけ

CRY1160MFlops 価格800万ドル

iPhone41GFlops 価格669ドル

コーヒーブレイク

20181025 機械工学入門

47 自動車コンソーシアム

20181025

25

20181025 機械工学入門

48

HPCによる自動車用次世代空力熱設計システムの研究開発

北海道大学 坪倉 誠(リーダー) ①階層的データ構造による超大規模格子作成

統合ユーザーインターフェースの開発

東大生研小野 謙二

②実走行状態における気流車両運動連成空力解析

北海道大学 坪倉 誠広島大学 中島卓司

③空力振動音響連成解析による車室内騒音の予測

豊橋技術科学大学 飯田明由

④エンジンルーム排気管系熱害

東京都市大学 郡 逸平

コンソーシアムの課題内容

20181025 機械工学入門

49

固体伝播

フレーム振動(低周波数) 車体剛性に関連

車体振動(高周波数)車体重量(質量則)構造(コインシデンス) HVAC(特に配管系)冷媒振動音気液2相流

空気伝播

車外空力騒音(比較的高い周波数)音源部位の特定困難

HAVC(ファン騒音)ダクト系の共鳴+広帯域騒音

伝達関数

音 流体力

車内騒音解析の考え方(SEA法)

20181025

26

20181025 機械工学入門

50

音響透過解析(反射回折透過) FrontFlowBlue-ACOUSTICS

振動解析(流体加振構造振動) Adventure

音源解析(物体表面圧力変動空力騒音) FrontFlowBlue

室内音場解析

FrontFlowBlue-ACOUSTICS

流体-音響メッシュ周波数領域

物体表面メッシュ

車内騒音解析手法

1way 連成解析 プログラム連成REVOCAP

20181025 機械工学入門

51

流体ソルバーによる 車外流れの流体解析

構造ソルバーによる 車体の振動解析

bullモックアップモデル

空力rArr構造振動rArr音響の連成解析により車室内の騒音を予測する

音響ソルバーによる 車室内騒音解析

ベンチマークテスト

流体メッシュ 構造メッシュ 流体側圧力分布

構造側圧力分布

REVOCAP_Coupler

によるマッピング

20181025

27

20181025 機械工学入門

52

流体解析空力音に寄与する音のスケール 1mm (10kHz) 境界層内の渦スケール 01 mm

境界層メッシュ解像度 200mm

解析メッシュ 200億要素

振動解析流体解析データを加える振動力とする周波数 10kHz

解析自由度規模 1億自由度

解像度 1mm

解析メッシュ 1000万要素

騒音解析振動解析結果を圧力境界または粒子速度境界 10kHz

解像度 3mm

解析メッシュ 10億要素

解析規模(最終目標)

スズキ MRワゴン

時速100km走行時の車内騒音

20181025 機械工学入門

53

流体解析 構造振動解析 音響解

解析ソフト FFB Ver 81 Adventure Cluster FFB-Acoustics Ver50

解析規模 52億要素 250万要素(1500 万自由度) 3700万要素

解析メッシュ 6面体メッシュ シェル要素(34角形)

ソリッド要素(456面体) 4面体要素

解析時間 京(4096ノード) 22時間1sec

CX1000 (96 コア) 7日6144step

FX10(24ノード) 30時間512周波数

最小メッシュサイズ

01mm 4mm 1mm

最小解像度 渦スケール 1mm 周波数4kHz 最大周波数の波長を20

分割 (4mm)

解析ドメイン 時間領域 時間領域 周波数処理

離散化方法 有限要素法 有限差分法 有限要素法

連成処理

データ

表面圧力変動

壁面加振動力

壁面振動加速度

音響粒子速度

今回の解析規模

20181025

28

20181025 機械工学入門

54 流体解析結果(1)

Cd値 解析0295(実験03)

20181025 機械工学入門

55

3000万要素

52億要素

メッシュ規模の影響 京(4096ノード32768コア)

22時間1sec

8000万要素

20181025

29

20181025 機械工学入門

56 流体解析結果 (2) 圧力変動強度(rms値)

渦度の絶対値

20181022

57 外部音解析

音源項 音源となる渦

流体圧力と音圧

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181025

30

20181022

58

流れ場 音場

車体周りの空力音響解析結果

音場解析事例(50億CFD+8千万CAA)

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181022

59

車体近傍には擬似音場が形成される

疑似音波が車内音に及ぼす影響が重要

擬似音場(圧力場)

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181025

31

20181025 機械工学入門

60

378Hz 638Hz

513Hz

38Hz 68Hz

52Hz 91Hz 赤字の値実験値

900Hz

リアドアガラス

ルーフ

モード解析結果

20181025 機械工学入門

61 振動解析結果(2) CX1000 (96 コア)

7日6144step

20181025

32

20181025 機械工学入門

62

要素数37089746

節点数 6738591

Tetrahedral Mesh

完全自動メッシュ

平均メッシュサイズ 4mm

4kHzの波長(85mm)を20分割

車内騒音解析

20181025 機械工学入門

63 車内騒音解析結果(1)

車体周りの流れに起因する車内騒音解析結果(100Hz)

注意外部流れは速度場の瞬時値室内音は平均音圧分布のため車外と室内の解析結果は時間的には同期していない点に注意

20181025

33

20181025 機械工学入門

64 車内騒音解析結果(2)

20181025 機械工学入門

65 車内騒音解析結果(3)

車外渦度場内部音響粒子速度ベクトル

20181025

34

20181025 機械工学入門

66 車内騒音解析結果(4)

圧力分布(実部)

20181025 機械工学入門

67

200Hz

125Hz

315Hz

613Hz

400Hz

800Hz

2000Hz

1000Hz

4000Hz

200Hz 1000Hz

車内騒音解析結果(5) FX10(24ノードtimes6 2304コア) 30時間512周波数

20181025

35

20181025 機械工学入門

68 解析結果の定量的な評価(2)

20181025 機械工学入門

69

洋上ウィンドファーム周りの流れ

翼周り流れに対する主流乱の影響 空力構造連成

格子点数1兆規模

ウィンドファームの開発(2015年から)

20181025

36

20181025 機械工学入門

70 風車回りの流れの計算結果

20181025 機械工学入門

71

httpaerometutacjp

iidametutacjp

自然エネルギー変換科学研究室

Page 3: 機械工学入門(流体力学) 0aero.me.tut.ac.jp/Lectures/Intro/intro2018.pdf2018/10/25 1 機械工学入門 2018/10/25 自然エネルギー変換科学研究室 飯田明由

20181025

3

20181025 機械工学入門

4

数学 物理 化学

歴史

地理 英語 国語 音楽

美術 哲学

流体力学

機械力学

材料力学

設計製図 加工法

情報処理

エンジン工学

制御工学

航空工学 ロボット工学

電子工学

熱力学

機械工学(4力学)

20181025 機械工学入門

5

基礎科目流体力学

空気や水の流れについて調べそれを応用した機械や装置を開発

主に自然エネルギーと流れと音の関係について研究

流体力学とは

20181025

4

20181025 機械工学入門

6 研究紹介

20181025 機械工学入門

7 空力騒音とは

速度の6乗に比例して増大する (高速で急激に増大) 音源と音を伝播する媒質が同じ空気 (音源がはっきりしない) 渦の非定常運動が原因 (非線形性が強い)

20181025

5

20181025 機械工学入門

8 パンタグラフの騒音低減事例

20

30

40

50

60

70

80

100 160 250 400 630 1k 16k 25k 4k 63k 10k OA

Frequency [Hz]

SP

L [

dB

(A)]

Circular Cylinder

with small holes

Circular Cylinder

Background noise

of wind tunnel

20181025 機械工学入門

9 空力音の制御技術の開発

プラズマアクチュエータによる自動車フロントグリル騒音の制御

20181025

6

制御効果のデモ画像

(U0 = 37 ms pL = 025 Uj = 22 ms)

20181025 機械工学入門

10

Flow

平板翼列騒音(共鳴音)

bull 平板列からピーク性騒音の発生

bull 特定の流速で増大

bull 自動車グリル 熱交換機 建造物などで発生し

設計段階での予測対策が必要

Effects of velocity on SPL

Condition

bull N = 5

bull C = 30 mm

bull d = 12 mm

Flow U0

c

s

b

xy

zo

Noise Source of Automobile (httpwwwshoutwikicomwimagesauto776)

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化 20181022

11

Peak (U0 = 44 ms)

20181025

7

20181025 機械工学入門

12 楽器のシミュレーション

埋め込み境界法を用いた楽器の解析

20181025

8

20181025 機械工学入門

14 リードバルブ(移動境界)解析 Reed Vibration amp Flow

20181025 機械工学入門

15

ポリオフィリン紫外線を当てると発光

発光強度は酸素濃度に反比例

-3

-2

-1

0

1

2

3

0 02 04 06 08 1 12 14X D

Cp

PSPPiezoresistive SensorsSimulation

U = 75 ms = 15 deg

Flow

感圧塗料の開発

20181025

9

20181025 機械工学入門

16 PIV計測技術の開発

20181025 機械工学入門

17

110 mm

Paper wing

30 mm

トンボの羽ばたき運動と飛行性能を実験的に調べ羽ばたき型飛行ロボットを開発

飛行するトンボの周りの流れ

トンボの飛翔に関する研究

20181025

10

20181025 機械工学入門

18

廃熱によって音波を発生 熱音響冷凍機の駆動源

管内の音響共鳴周波数を利用したスターリングエンジン

熱音響冷凍機

熱音響エンジン

熱音響冷凍機の開発

20181025 機械工学入門

19

風車周りのLES解析流れ

風車の開発

20181025

11

自動車車外騒音予測

20181025 機械工学入門

20

フロントグリル

キャビティサンルーフ

20181025 機械工学入門

21 自動車の開発と技術分野 エンジン自動車開発の花形自動車のかなめ

熱力学燃焼工学材料力学

シャーシ安全性居住性スタイル

構造力学材料力学破壊力学振動工学

サスペンション車体の安定走行乗り心地

振動工学構造工学材料力学

タイヤ ニューマッチクタイヤの開発(ミシュラン) 材料(物性)振動工学構造工学

エアロダイナミックス車体に作用する流体力(省エネ高速化) 流体力学

電子制御安全工学人間工学デザイン工学etc

世界初のエアロダイナミックマシン

メルセデスW25

平均速度260kmh(1935年)

20181025

12

20181025 機械工学入門

22 自動車はどのようにして走るか

20181025 機械工学入門

23 ニュートンの運動方程式と摩擦力

ニュートンの運動方程式

F=ma

力は質量と加速度に比例する

同じ力でものを加速させる場合軽いものほど加速させやすい

rarr車を加速させるには軽いほうが良い

摩擦力

F=mW=mmg

摩擦力は摩擦係数と物体の重量に比例する

重量が重いほど摩擦力は大きくなる

rarr タイヤの力を路面に伝えるには重いほうが良い

軽いけれど摩擦力が大きくなるようにする必要がある

rarr 空気の力を利用する

20181025

13

20181025 機械工学入門

24 空気抵抗とは 雨粒の落下速度と空気抵抗

h=1000m

ghv

mghmv

vh

mghmmgmv

mghmv

2

2

1

00

02

10

2

1

2

1

2

22

2

   上空地上

一定

)45014010008192 kmsmv  (時速

実際には空気抵抗があるので1ms~5ms程度

(重力)mg

(空気抵抗)Av2

2

1

(浮力)Vg

V=

20181025 機械工学入門

25

20kmh

転がり抵抗55 空気抵抗45

30kmh

転がり抵抗 30 空気抵抗70

自転車のドラフティング

後ろの人は楽(60 ~70)

坂道 勾配5 10kmh

登坂抵抗 80 転がり抵抗13

自転車に作用する力

空気抵抗

伝達損失

(小さい)

mg(重力)

登坂抵抗

ころがり抵抗

(摩擦)

20181025

14

20181025 機械工学入門

26 自動車の空気抵抗

空気抵抗係数Cd 自動車を走行が空気によってどれだけ妨げられるかを表したもの空気抵抗は速度の2乗に比例するため高速になればなるほど問題となる

][

][

][

2

1

2

3

2

mA

smU

mkg

Cd

AUCdD

前面投影面積

速度

空気密度

空気抵抗係数

20181025 機械工学入門

27 空気抵抗と燃費

Cd=026rarr02 燃費10改善

20181025

15

20181025 機械工学入門

28 何故抵抗が生じるのか

物体の後ろには渦ができる

(渦の中心は圧力が低くなる)

2

2

P

物体の前側は速度がゼロになる(運動量が変化する) 力が作用する(運動量保存則)

20181025 機械工学入門

29 風洞実験

人工的に風を作り

車などの性質を調べる装置

20181025

16

20181025 機械工学入門

30

車を走らせる代わりに風洞内で風を流して

車の周りの空気の流れを調べる

自動車開発への応用

20181025 機械工学入門

31 流体力の計測方法

20181025

17

20181025 機械工学入門

32

模型なのでいろいろと

試すことができる

模型実験の利点

20181025 機械工学入門

33 ナビエストークスの式

流体は粘々しているせん断応力

流体を速く動かそうとすると粘り気による力が働く

ニュートンの式に流体の性質である圧力

と粘り気による力の項を加えた式を考える

z

w

y

v

x

u

x

uw

yv

xu

tDt

D

gradgradpDt

D

vFv

2

3

11

m

m

ミレニアム懸賞問題

PneNP予想

ホッジ予想

ポアンカレ予想

リーマン予想

ヤン-ミルズ方程式と質量ギャップ問題

ナビエ-ストークス方程式の解の存在と滑らかさ

バーチスウィンナートン=ダイアー予想 慣性力=圧力+粘性力

20181025

18

20181025 機械工学入門

34 コンピュータの利用

20181025 機械工学入門

35 戦略HPCIプロジェクト

High Performance Computing Infrastructure

20181025

19

20181025 機械工学入門

36 HPCIプロジェクト(自動車関連)

1048708 「自動車用統合空力連成設計システムの研究開発」 自動車まるごと連成解析の実現による車体設計手法の革新

空力車両運動連成

外部音キャビン騒音

エンジンルームキャビン内熱環境解析

1048708 LES非定常空力解析を主体とした設計システム

超マルチ時間スケールLES(実時間で数分) rarr車両運動連成解析

超大規模LES(数十億要素数規模) rarr外部音キャビン騒音解析

超高速RANS(1ケース1分程度) rarr空力熱設計最適化

20181025 機械工学入門

37

5年後になにしているか

沖縄に台風が上陸したときの豊橋の天気は

今日何時に寝るか

技科大の天気と駅前の天気

近い将来や近所のことは

予測ができる

f(x)

コンピュータを使った予測方法

20181025

20

20181025 機械工学入門

38

コンピューターは四則演算しかできない

Sinの微分はなんでしょうかrarrコンピュータにはわからない

x

xvxxv

dx

dv

t

tvttv

dt

dv

)()(

)()(

ちょっと先の結果から現在の結果を引く (時間当たりの変化) 自分の隣の結果と自分自身の結果を引く(空間あたりの変化) 時間当たりの変化を求める

tやxを小さくすると微分と等しくなる微分がわからなくても

計算できる

POINTセルを細かく時間刻みを短くすれば現実に近づく

難しい方程式を簡単に

20181025 機械工学入門

39

計算したい物体の周りを

小さなセルに分割

各セルの将来の値を推定

(物理法則)

物理法則を用いて周囲の

セルの物理量を元に物理

量を計算 繰り返し

計算結果を出力

dt

dvmmaF

物理法則たとえば

コンピューターシミュレーション

20181025

21

40

細かくセルを分割して計算するには高速のコンピュータが必要

自動車の周囲 5mtimes3mtimes15mの空間を計算する

3m

5m 15m

各辺を1mmの格子で分割する2250億の小さなブロックに分割

実際の計算では場所によって大きさを変える車の場合は10億程度

流れの計算をするには10億個の連立方程式を作って計算

rarr気が遠くなる話だけど計算機は単純計算は得意

20181025 機械工学入門

シミュレーションの規模

20181025 機械工学入門

41 格子生成

20181025

22

20181025 機械工学入門

42

By Prof Makoto Tsubokura (Kobe Univ) And Suzuki Ltd

300億メッシュの解析事例(FFred)

20181025 機械工学入門

43

By Prof Makoto Tsubokura (Kobe Univ) And Suzuki Ltd

アニメーション(FrontFlowred)

20181025

23

20181025 機械工学入門

44

並列計算一つのコンピュータでは計算できない問題を

多数のコンピュータで計算

リチャードソン計算職人を6000人集めて天気予報を試みる

光が1秒間に進む距離300000キロメートル

クロック周波数37GHz (1秒間に370000000)

1クロックで光が進む距離8cm 程度

rarr通信速度から現在のコンピュータの速度は限界に近い

一つのパソコンに複数のCPU (インテル6コア)

10億の連立方程式を解くには速いコンピュータが必要

もっと速くもっと大規模に

20181025 機械工学入門

45

スパコンの性能は10年で1000倍 世界最速コンピュータ「京」 2011年6月 世界最高性能 816PFLOPSを達成

PC

コンピューターの性能

FLOPS1秒間あたりの演算回数

20181025

24

20181025 機械工学入門

46

物理法則に対するコンピュータシミュレーションの原理は簡単

ただし膨大な数の連立方程式を解く必要がある

そのためには高速のコンピュータが必要

コンピュータの速度も限界複数のコンピュータで計算するため

通信速度も重要

京に代表されるハイパフォーマンスコンピュータが必要

ソフトウェアや実証試験も重要他国に負けない技術開発

スーパーコンピューターが作れるのは米国と日本だけ

CRY1160MFlops 価格800万ドル

iPhone41GFlops 価格669ドル

コーヒーブレイク

20181025 機械工学入門

47 自動車コンソーシアム

20181025

25

20181025 機械工学入門

48

HPCによる自動車用次世代空力熱設計システムの研究開発

北海道大学 坪倉 誠(リーダー) ①階層的データ構造による超大規模格子作成

統合ユーザーインターフェースの開発

東大生研小野 謙二

②実走行状態における気流車両運動連成空力解析

北海道大学 坪倉 誠広島大学 中島卓司

③空力振動音響連成解析による車室内騒音の予測

豊橋技術科学大学 飯田明由

④エンジンルーム排気管系熱害

東京都市大学 郡 逸平

コンソーシアムの課題内容

20181025 機械工学入門

49

固体伝播

フレーム振動(低周波数) 車体剛性に関連

車体振動(高周波数)車体重量(質量則)構造(コインシデンス) HVAC(特に配管系)冷媒振動音気液2相流

空気伝播

車外空力騒音(比較的高い周波数)音源部位の特定困難

HAVC(ファン騒音)ダクト系の共鳴+広帯域騒音

伝達関数

音 流体力

車内騒音解析の考え方(SEA法)

20181025

26

20181025 機械工学入門

50

音響透過解析(反射回折透過) FrontFlowBlue-ACOUSTICS

振動解析(流体加振構造振動) Adventure

音源解析(物体表面圧力変動空力騒音) FrontFlowBlue

室内音場解析

FrontFlowBlue-ACOUSTICS

流体-音響メッシュ周波数領域

物体表面メッシュ

車内騒音解析手法

1way 連成解析 プログラム連成REVOCAP

20181025 機械工学入門

51

流体ソルバーによる 車外流れの流体解析

構造ソルバーによる 車体の振動解析

bullモックアップモデル

空力rArr構造振動rArr音響の連成解析により車室内の騒音を予測する

音響ソルバーによる 車室内騒音解析

ベンチマークテスト

流体メッシュ 構造メッシュ 流体側圧力分布

構造側圧力分布

REVOCAP_Coupler

によるマッピング

20181025

27

20181025 機械工学入門

52

流体解析空力音に寄与する音のスケール 1mm (10kHz) 境界層内の渦スケール 01 mm

境界層メッシュ解像度 200mm

解析メッシュ 200億要素

振動解析流体解析データを加える振動力とする周波数 10kHz

解析自由度規模 1億自由度

解像度 1mm

解析メッシュ 1000万要素

騒音解析振動解析結果を圧力境界または粒子速度境界 10kHz

解像度 3mm

解析メッシュ 10億要素

解析規模(最終目標)

スズキ MRワゴン

時速100km走行時の車内騒音

20181025 機械工学入門

53

流体解析 構造振動解析 音響解

解析ソフト FFB Ver 81 Adventure Cluster FFB-Acoustics Ver50

解析規模 52億要素 250万要素(1500 万自由度) 3700万要素

解析メッシュ 6面体メッシュ シェル要素(34角形)

ソリッド要素(456面体) 4面体要素

解析時間 京(4096ノード) 22時間1sec

CX1000 (96 コア) 7日6144step

FX10(24ノード) 30時間512周波数

最小メッシュサイズ

01mm 4mm 1mm

最小解像度 渦スケール 1mm 周波数4kHz 最大周波数の波長を20

分割 (4mm)

解析ドメイン 時間領域 時間領域 周波数処理

離散化方法 有限要素法 有限差分法 有限要素法

連成処理

データ

表面圧力変動

壁面加振動力

壁面振動加速度

音響粒子速度

今回の解析規模

20181025

28

20181025 機械工学入門

54 流体解析結果(1)

Cd値 解析0295(実験03)

20181025 機械工学入門

55

3000万要素

52億要素

メッシュ規模の影響 京(4096ノード32768コア)

22時間1sec

8000万要素

20181025

29

20181025 機械工学入門

56 流体解析結果 (2) 圧力変動強度(rms値)

渦度の絶対値

20181022

57 外部音解析

音源項 音源となる渦

流体圧力と音圧

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181025

30

20181022

58

流れ場 音場

車体周りの空力音響解析結果

音場解析事例(50億CFD+8千万CAA)

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181022

59

車体近傍には擬似音場が形成される

疑似音波が車内音に及ぼす影響が重要

擬似音場(圧力場)

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181025

31

20181025 機械工学入門

60

378Hz 638Hz

513Hz

38Hz 68Hz

52Hz 91Hz 赤字の値実験値

900Hz

リアドアガラス

ルーフ

モード解析結果

20181025 機械工学入門

61 振動解析結果(2) CX1000 (96 コア)

7日6144step

20181025

32

20181025 機械工学入門

62

要素数37089746

節点数 6738591

Tetrahedral Mesh

完全自動メッシュ

平均メッシュサイズ 4mm

4kHzの波長(85mm)を20分割

車内騒音解析

20181025 機械工学入門

63 車内騒音解析結果(1)

車体周りの流れに起因する車内騒音解析結果(100Hz)

注意外部流れは速度場の瞬時値室内音は平均音圧分布のため車外と室内の解析結果は時間的には同期していない点に注意

20181025

33

20181025 機械工学入門

64 車内騒音解析結果(2)

20181025 機械工学入門

65 車内騒音解析結果(3)

車外渦度場内部音響粒子速度ベクトル

20181025

34

20181025 機械工学入門

66 車内騒音解析結果(4)

圧力分布(実部)

20181025 機械工学入門

67

200Hz

125Hz

315Hz

613Hz

400Hz

800Hz

2000Hz

1000Hz

4000Hz

200Hz 1000Hz

車内騒音解析結果(5) FX10(24ノードtimes6 2304コア) 30時間512周波数

20181025

35

20181025 機械工学入門

68 解析結果の定量的な評価(2)

20181025 機械工学入門

69

洋上ウィンドファーム周りの流れ

翼周り流れに対する主流乱の影響 空力構造連成

格子点数1兆規模

ウィンドファームの開発(2015年から)

20181025

36

20181025 機械工学入門

70 風車回りの流れの計算結果

20181025 機械工学入門

71

httpaerometutacjp

iidametutacjp

自然エネルギー変換科学研究室

Page 4: 機械工学入門(流体力学) 0aero.me.tut.ac.jp/Lectures/Intro/intro2018.pdf2018/10/25 1 機械工学入門 2018/10/25 自然エネルギー変換科学研究室 飯田明由

20181025

4

20181025 機械工学入門

6 研究紹介

20181025 機械工学入門

7 空力騒音とは

速度の6乗に比例して増大する (高速で急激に増大) 音源と音を伝播する媒質が同じ空気 (音源がはっきりしない) 渦の非定常運動が原因 (非線形性が強い)

20181025

5

20181025 機械工学入門

8 パンタグラフの騒音低減事例

20

30

40

50

60

70

80

100 160 250 400 630 1k 16k 25k 4k 63k 10k OA

Frequency [Hz]

SP

L [

dB

(A)]

Circular Cylinder

with small holes

Circular Cylinder

Background noise

of wind tunnel

20181025 機械工学入門

9 空力音の制御技術の開発

プラズマアクチュエータによる自動車フロントグリル騒音の制御

20181025

6

制御効果のデモ画像

(U0 = 37 ms pL = 025 Uj = 22 ms)

20181025 機械工学入門

10

Flow

平板翼列騒音(共鳴音)

bull 平板列からピーク性騒音の発生

bull 特定の流速で増大

bull 自動車グリル 熱交換機 建造物などで発生し

設計段階での予測対策が必要

Effects of velocity on SPL

Condition

bull N = 5

bull C = 30 mm

bull d = 12 mm

Flow U0

c

s

b

xy

zo

Noise Source of Automobile (httpwwwshoutwikicomwimagesauto776)

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化 20181022

11

Peak (U0 = 44 ms)

20181025

7

20181025 機械工学入門

12 楽器のシミュレーション

埋め込み境界法を用いた楽器の解析

20181025

8

20181025 機械工学入門

14 リードバルブ(移動境界)解析 Reed Vibration amp Flow

20181025 機械工学入門

15

ポリオフィリン紫外線を当てると発光

発光強度は酸素濃度に反比例

-3

-2

-1

0

1

2

3

0 02 04 06 08 1 12 14X D

Cp

PSPPiezoresistive SensorsSimulation

U = 75 ms = 15 deg

Flow

感圧塗料の開発

20181025

9

20181025 機械工学入門

16 PIV計測技術の開発

20181025 機械工学入門

17

110 mm

Paper wing

30 mm

トンボの羽ばたき運動と飛行性能を実験的に調べ羽ばたき型飛行ロボットを開発

飛行するトンボの周りの流れ

トンボの飛翔に関する研究

20181025

10

20181025 機械工学入門

18

廃熱によって音波を発生 熱音響冷凍機の駆動源

管内の音響共鳴周波数を利用したスターリングエンジン

熱音響冷凍機

熱音響エンジン

熱音響冷凍機の開発

20181025 機械工学入門

19

風車周りのLES解析流れ

風車の開発

20181025

11

自動車車外騒音予測

20181025 機械工学入門

20

フロントグリル

キャビティサンルーフ

20181025 機械工学入門

21 自動車の開発と技術分野 エンジン自動車開発の花形自動車のかなめ

熱力学燃焼工学材料力学

シャーシ安全性居住性スタイル

構造力学材料力学破壊力学振動工学

サスペンション車体の安定走行乗り心地

振動工学構造工学材料力学

タイヤ ニューマッチクタイヤの開発(ミシュラン) 材料(物性)振動工学構造工学

エアロダイナミックス車体に作用する流体力(省エネ高速化) 流体力学

電子制御安全工学人間工学デザイン工学etc

世界初のエアロダイナミックマシン

メルセデスW25

平均速度260kmh(1935年)

20181025

12

20181025 機械工学入門

22 自動車はどのようにして走るか

20181025 機械工学入門

23 ニュートンの運動方程式と摩擦力

ニュートンの運動方程式

F=ma

力は質量と加速度に比例する

同じ力でものを加速させる場合軽いものほど加速させやすい

rarr車を加速させるには軽いほうが良い

摩擦力

F=mW=mmg

摩擦力は摩擦係数と物体の重量に比例する

重量が重いほど摩擦力は大きくなる

rarr タイヤの力を路面に伝えるには重いほうが良い

軽いけれど摩擦力が大きくなるようにする必要がある

rarr 空気の力を利用する

20181025

13

20181025 機械工学入門

24 空気抵抗とは 雨粒の落下速度と空気抵抗

h=1000m

ghv

mghmv

vh

mghmmgmv

mghmv

2

2

1

00

02

10

2

1

2

1

2

22

2

   上空地上

一定

)45014010008192 kmsmv  (時速

実際には空気抵抗があるので1ms~5ms程度

(重力)mg

(空気抵抗)Av2

2

1

(浮力)Vg

V=

20181025 機械工学入門

25

20kmh

転がり抵抗55 空気抵抗45

30kmh

転がり抵抗 30 空気抵抗70

自転車のドラフティング

後ろの人は楽(60 ~70)

坂道 勾配5 10kmh

登坂抵抗 80 転がり抵抗13

自転車に作用する力

空気抵抗

伝達損失

(小さい)

mg(重力)

登坂抵抗

ころがり抵抗

(摩擦)

20181025

14

20181025 機械工学入門

26 自動車の空気抵抗

空気抵抗係数Cd 自動車を走行が空気によってどれだけ妨げられるかを表したもの空気抵抗は速度の2乗に比例するため高速になればなるほど問題となる

][

][

][

2

1

2

3

2

mA

smU

mkg

Cd

AUCdD

前面投影面積

速度

空気密度

空気抵抗係数

20181025 機械工学入門

27 空気抵抗と燃費

Cd=026rarr02 燃費10改善

20181025

15

20181025 機械工学入門

28 何故抵抗が生じるのか

物体の後ろには渦ができる

(渦の中心は圧力が低くなる)

2

2

P

物体の前側は速度がゼロになる(運動量が変化する) 力が作用する(運動量保存則)

20181025 機械工学入門

29 風洞実験

人工的に風を作り

車などの性質を調べる装置

20181025

16

20181025 機械工学入門

30

車を走らせる代わりに風洞内で風を流して

車の周りの空気の流れを調べる

自動車開発への応用

20181025 機械工学入門

31 流体力の計測方法

20181025

17

20181025 機械工学入門

32

模型なのでいろいろと

試すことができる

模型実験の利点

20181025 機械工学入門

33 ナビエストークスの式

流体は粘々しているせん断応力

流体を速く動かそうとすると粘り気による力が働く

ニュートンの式に流体の性質である圧力

と粘り気による力の項を加えた式を考える

z

w

y

v

x

u

x

uw

yv

xu

tDt

D

gradgradpDt

D

vFv

2

3

11

m

m

ミレニアム懸賞問題

PneNP予想

ホッジ予想

ポアンカレ予想

リーマン予想

ヤン-ミルズ方程式と質量ギャップ問題

ナビエ-ストークス方程式の解の存在と滑らかさ

バーチスウィンナートン=ダイアー予想 慣性力=圧力+粘性力

20181025

18

20181025 機械工学入門

34 コンピュータの利用

20181025 機械工学入門

35 戦略HPCIプロジェクト

High Performance Computing Infrastructure

20181025

19

20181025 機械工学入門

36 HPCIプロジェクト(自動車関連)

1048708 「自動車用統合空力連成設計システムの研究開発」 自動車まるごと連成解析の実現による車体設計手法の革新

空力車両運動連成

外部音キャビン騒音

エンジンルームキャビン内熱環境解析

1048708 LES非定常空力解析を主体とした設計システム

超マルチ時間スケールLES(実時間で数分) rarr車両運動連成解析

超大規模LES(数十億要素数規模) rarr外部音キャビン騒音解析

超高速RANS(1ケース1分程度) rarr空力熱設計最適化

20181025 機械工学入門

37

5年後になにしているか

沖縄に台風が上陸したときの豊橋の天気は

今日何時に寝るか

技科大の天気と駅前の天気

近い将来や近所のことは

予測ができる

f(x)

コンピュータを使った予測方法

20181025

20

20181025 機械工学入門

38

コンピューターは四則演算しかできない

Sinの微分はなんでしょうかrarrコンピュータにはわからない

x

xvxxv

dx

dv

t

tvttv

dt

dv

)()(

)()(

ちょっと先の結果から現在の結果を引く (時間当たりの変化) 自分の隣の結果と自分自身の結果を引く(空間あたりの変化) 時間当たりの変化を求める

tやxを小さくすると微分と等しくなる微分がわからなくても

計算できる

POINTセルを細かく時間刻みを短くすれば現実に近づく

難しい方程式を簡単に

20181025 機械工学入門

39

計算したい物体の周りを

小さなセルに分割

各セルの将来の値を推定

(物理法則)

物理法則を用いて周囲の

セルの物理量を元に物理

量を計算 繰り返し

計算結果を出力

dt

dvmmaF

物理法則たとえば

コンピューターシミュレーション

20181025

21

40

細かくセルを分割して計算するには高速のコンピュータが必要

自動車の周囲 5mtimes3mtimes15mの空間を計算する

3m

5m 15m

各辺を1mmの格子で分割する2250億の小さなブロックに分割

実際の計算では場所によって大きさを変える車の場合は10億程度

流れの計算をするには10億個の連立方程式を作って計算

rarr気が遠くなる話だけど計算機は単純計算は得意

20181025 機械工学入門

シミュレーションの規模

20181025 機械工学入門

41 格子生成

20181025

22

20181025 機械工学入門

42

By Prof Makoto Tsubokura (Kobe Univ) And Suzuki Ltd

300億メッシュの解析事例(FFred)

20181025 機械工学入門

43

By Prof Makoto Tsubokura (Kobe Univ) And Suzuki Ltd

アニメーション(FrontFlowred)

20181025

23

20181025 機械工学入門

44

並列計算一つのコンピュータでは計算できない問題を

多数のコンピュータで計算

リチャードソン計算職人を6000人集めて天気予報を試みる

光が1秒間に進む距離300000キロメートル

クロック周波数37GHz (1秒間に370000000)

1クロックで光が進む距離8cm 程度

rarr通信速度から現在のコンピュータの速度は限界に近い

一つのパソコンに複数のCPU (インテル6コア)

10億の連立方程式を解くには速いコンピュータが必要

もっと速くもっと大規模に

20181025 機械工学入門

45

スパコンの性能は10年で1000倍 世界最速コンピュータ「京」 2011年6月 世界最高性能 816PFLOPSを達成

PC

コンピューターの性能

FLOPS1秒間あたりの演算回数

20181025

24

20181025 機械工学入門

46

物理法則に対するコンピュータシミュレーションの原理は簡単

ただし膨大な数の連立方程式を解く必要がある

そのためには高速のコンピュータが必要

コンピュータの速度も限界複数のコンピュータで計算するため

通信速度も重要

京に代表されるハイパフォーマンスコンピュータが必要

ソフトウェアや実証試験も重要他国に負けない技術開発

スーパーコンピューターが作れるのは米国と日本だけ

CRY1160MFlops 価格800万ドル

iPhone41GFlops 価格669ドル

コーヒーブレイク

20181025 機械工学入門

47 自動車コンソーシアム

20181025

25

20181025 機械工学入門

48

HPCによる自動車用次世代空力熱設計システムの研究開発

北海道大学 坪倉 誠(リーダー) ①階層的データ構造による超大規模格子作成

統合ユーザーインターフェースの開発

東大生研小野 謙二

②実走行状態における気流車両運動連成空力解析

北海道大学 坪倉 誠広島大学 中島卓司

③空力振動音響連成解析による車室内騒音の予測

豊橋技術科学大学 飯田明由

④エンジンルーム排気管系熱害

東京都市大学 郡 逸平

コンソーシアムの課題内容

20181025 機械工学入門

49

固体伝播

フレーム振動(低周波数) 車体剛性に関連

車体振動(高周波数)車体重量(質量則)構造(コインシデンス) HVAC(特に配管系)冷媒振動音気液2相流

空気伝播

車外空力騒音(比較的高い周波数)音源部位の特定困難

HAVC(ファン騒音)ダクト系の共鳴+広帯域騒音

伝達関数

音 流体力

車内騒音解析の考え方(SEA法)

20181025

26

20181025 機械工学入門

50

音響透過解析(反射回折透過) FrontFlowBlue-ACOUSTICS

振動解析(流体加振構造振動) Adventure

音源解析(物体表面圧力変動空力騒音) FrontFlowBlue

室内音場解析

FrontFlowBlue-ACOUSTICS

流体-音響メッシュ周波数領域

物体表面メッシュ

車内騒音解析手法

1way 連成解析 プログラム連成REVOCAP

20181025 機械工学入門

51

流体ソルバーによる 車外流れの流体解析

構造ソルバーによる 車体の振動解析

bullモックアップモデル

空力rArr構造振動rArr音響の連成解析により車室内の騒音を予測する

音響ソルバーによる 車室内騒音解析

ベンチマークテスト

流体メッシュ 構造メッシュ 流体側圧力分布

構造側圧力分布

REVOCAP_Coupler

によるマッピング

20181025

27

20181025 機械工学入門

52

流体解析空力音に寄与する音のスケール 1mm (10kHz) 境界層内の渦スケール 01 mm

境界層メッシュ解像度 200mm

解析メッシュ 200億要素

振動解析流体解析データを加える振動力とする周波数 10kHz

解析自由度規模 1億自由度

解像度 1mm

解析メッシュ 1000万要素

騒音解析振動解析結果を圧力境界または粒子速度境界 10kHz

解像度 3mm

解析メッシュ 10億要素

解析規模(最終目標)

スズキ MRワゴン

時速100km走行時の車内騒音

20181025 機械工学入門

53

流体解析 構造振動解析 音響解

解析ソフト FFB Ver 81 Adventure Cluster FFB-Acoustics Ver50

解析規模 52億要素 250万要素(1500 万自由度) 3700万要素

解析メッシュ 6面体メッシュ シェル要素(34角形)

ソリッド要素(456面体) 4面体要素

解析時間 京(4096ノード) 22時間1sec

CX1000 (96 コア) 7日6144step

FX10(24ノード) 30時間512周波数

最小メッシュサイズ

01mm 4mm 1mm

最小解像度 渦スケール 1mm 周波数4kHz 最大周波数の波長を20

分割 (4mm)

解析ドメイン 時間領域 時間領域 周波数処理

離散化方法 有限要素法 有限差分法 有限要素法

連成処理

データ

表面圧力変動

壁面加振動力

壁面振動加速度

音響粒子速度

今回の解析規模

20181025

28

20181025 機械工学入門

54 流体解析結果(1)

Cd値 解析0295(実験03)

20181025 機械工学入門

55

3000万要素

52億要素

メッシュ規模の影響 京(4096ノード32768コア)

22時間1sec

8000万要素

20181025

29

20181025 機械工学入門

56 流体解析結果 (2) 圧力変動強度(rms値)

渦度の絶対値

20181022

57 外部音解析

音源項 音源となる渦

流体圧力と音圧

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181025

30

20181022

58

流れ場 音場

車体周りの空力音響解析結果

音場解析事例(50億CFD+8千万CAA)

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181022

59

車体近傍には擬似音場が形成される

疑似音波が車内音に及ぼす影響が重要

擬似音場(圧力場)

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181025

31

20181025 機械工学入門

60

378Hz 638Hz

513Hz

38Hz 68Hz

52Hz 91Hz 赤字の値実験値

900Hz

リアドアガラス

ルーフ

モード解析結果

20181025 機械工学入門

61 振動解析結果(2) CX1000 (96 コア)

7日6144step

20181025

32

20181025 機械工学入門

62

要素数37089746

節点数 6738591

Tetrahedral Mesh

完全自動メッシュ

平均メッシュサイズ 4mm

4kHzの波長(85mm)を20分割

車内騒音解析

20181025 機械工学入門

63 車内騒音解析結果(1)

車体周りの流れに起因する車内騒音解析結果(100Hz)

注意外部流れは速度場の瞬時値室内音は平均音圧分布のため車外と室内の解析結果は時間的には同期していない点に注意

20181025

33

20181025 機械工学入門

64 車内騒音解析結果(2)

20181025 機械工学入門

65 車内騒音解析結果(3)

車外渦度場内部音響粒子速度ベクトル

20181025

34

20181025 機械工学入門

66 車内騒音解析結果(4)

圧力分布(実部)

20181025 機械工学入門

67

200Hz

125Hz

315Hz

613Hz

400Hz

800Hz

2000Hz

1000Hz

4000Hz

200Hz 1000Hz

車内騒音解析結果(5) FX10(24ノードtimes6 2304コア) 30時間512周波数

20181025

35

20181025 機械工学入門

68 解析結果の定量的な評価(2)

20181025 機械工学入門

69

洋上ウィンドファーム周りの流れ

翼周り流れに対する主流乱の影響 空力構造連成

格子点数1兆規模

ウィンドファームの開発(2015年から)

20181025

36

20181025 機械工学入門

70 風車回りの流れの計算結果

20181025 機械工学入門

71

httpaerometutacjp

iidametutacjp

自然エネルギー変換科学研究室

Page 5: 機械工学入門(流体力学) 0aero.me.tut.ac.jp/Lectures/Intro/intro2018.pdf2018/10/25 1 機械工学入門 2018/10/25 自然エネルギー変換科学研究室 飯田明由

20181025

5

20181025 機械工学入門

8 パンタグラフの騒音低減事例

20

30

40

50

60

70

80

100 160 250 400 630 1k 16k 25k 4k 63k 10k OA

Frequency [Hz]

SP

L [

dB

(A)]

Circular Cylinder

with small holes

Circular Cylinder

Background noise

of wind tunnel

20181025 機械工学入門

9 空力音の制御技術の開発

プラズマアクチュエータによる自動車フロントグリル騒音の制御

20181025

6

制御効果のデモ画像

(U0 = 37 ms pL = 025 Uj = 22 ms)

20181025 機械工学入門

10

Flow

平板翼列騒音(共鳴音)

bull 平板列からピーク性騒音の発生

bull 特定の流速で増大

bull 自動車グリル 熱交換機 建造物などで発生し

設計段階での予測対策が必要

Effects of velocity on SPL

Condition

bull N = 5

bull C = 30 mm

bull d = 12 mm

Flow U0

c

s

b

xy

zo

Noise Source of Automobile (httpwwwshoutwikicomwimagesauto776)

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化 20181022

11

Peak (U0 = 44 ms)

20181025

7

20181025 機械工学入門

12 楽器のシミュレーション

埋め込み境界法を用いた楽器の解析

20181025

8

20181025 機械工学入門

14 リードバルブ(移動境界)解析 Reed Vibration amp Flow

20181025 機械工学入門

15

ポリオフィリン紫外線を当てると発光

発光強度は酸素濃度に反比例

-3

-2

-1

0

1

2

3

0 02 04 06 08 1 12 14X D

Cp

PSPPiezoresistive SensorsSimulation

U = 75 ms = 15 deg

Flow

感圧塗料の開発

20181025

9

20181025 機械工学入門

16 PIV計測技術の開発

20181025 機械工学入門

17

110 mm

Paper wing

30 mm

トンボの羽ばたき運動と飛行性能を実験的に調べ羽ばたき型飛行ロボットを開発

飛行するトンボの周りの流れ

トンボの飛翔に関する研究

20181025

10

20181025 機械工学入門

18

廃熱によって音波を発生 熱音響冷凍機の駆動源

管内の音響共鳴周波数を利用したスターリングエンジン

熱音響冷凍機

熱音響エンジン

熱音響冷凍機の開発

20181025 機械工学入門

19

風車周りのLES解析流れ

風車の開発

20181025

11

自動車車外騒音予測

20181025 機械工学入門

20

フロントグリル

キャビティサンルーフ

20181025 機械工学入門

21 自動車の開発と技術分野 エンジン自動車開発の花形自動車のかなめ

熱力学燃焼工学材料力学

シャーシ安全性居住性スタイル

構造力学材料力学破壊力学振動工学

サスペンション車体の安定走行乗り心地

振動工学構造工学材料力学

タイヤ ニューマッチクタイヤの開発(ミシュラン) 材料(物性)振動工学構造工学

エアロダイナミックス車体に作用する流体力(省エネ高速化) 流体力学

電子制御安全工学人間工学デザイン工学etc

世界初のエアロダイナミックマシン

メルセデスW25

平均速度260kmh(1935年)

20181025

12

20181025 機械工学入門

22 自動車はどのようにして走るか

20181025 機械工学入門

23 ニュートンの運動方程式と摩擦力

ニュートンの運動方程式

F=ma

力は質量と加速度に比例する

同じ力でものを加速させる場合軽いものほど加速させやすい

rarr車を加速させるには軽いほうが良い

摩擦力

F=mW=mmg

摩擦力は摩擦係数と物体の重量に比例する

重量が重いほど摩擦力は大きくなる

rarr タイヤの力を路面に伝えるには重いほうが良い

軽いけれど摩擦力が大きくなるようにする必要がある

rarr 空気の力を利用する

20181025

13

20181025 機械工学入門

24 空気抵抗とは 雨粒の落下速度と空気抵抗

h=1000m

ghv

mghmv

vh

mghmmgmv

mghmv

2

2

1

00

02

10

2

1

2

1

2

22

2

   上空地上

一定

)45014010008192 kmsmv  (時速

実際には空気抵抗があるので1ms~5ms程度

(重力)mg

(空気抵抗)Av2

2

1

(浮力)Vg

V=

20181025 機械工学入門

25

20kmh

転がり抵抗55 空気抵抗45

30kmh

転がり抵抗 30 空気抵抗70

自転車のドラフティング

後ろの人は楽(60 ~70)

坂道 勾配5 10kmh

登坂抵抗 80 転がり抵抗13

自転車に作用する力

空気抵抗

伝達損失

(小さい)

mg(重力)

登坂抵抗

ころがり抵抗

(摩擦)

20181025

14

20181025 機械工学入門

26 自動車の空気抵抗

空気抵抗係数Cd 自動車を走行が空気によってどれだけ妨げられるかを表したもの空気抵抗は速度の2乗に比例するため高速になればなるほど問題となる

][

][

][

2

1

2

3

2

mA

smU

mkg

Cd

AUCdD

前面投影面積

速度

空気密度

空気抵抗係数

20181025 機械工学入門

27 空気抵抗と燃費

Cd=026rarr02 燃費10改善

20181025

15

20181025 機械工学入門

28 何故抵抗が生じるのか

物体の後ろには渦ができる

(渦の中心は圧力が低くなる)

2

2

P

物体の前側は速度がゼロになる(運動量が変化する) 力が作用する(運動量保存則)

20181025 機械工学入門

29 風洞実験

人工的に風を作り

車などの性質を調べる装置

20181025

16

20181025 機械工学入門

30

車を走らせる代わりに風洞内で風を流して

車の周りの空気の流れを調べる

自動車開発への応用

20181025 機械工学入門

31 流体力の計測方法

20181025

17

20181025 機械工学入門

32

模型なのでいろいろと

試すことができる

模型実験の利点

20181025 機械工学入門

33 ナビエストークスの式

流体は粘々しているせん断応力

流体を速く動かそうとすると粘り気による力が働く

ニュートンの式に流体の性質である圧力

と粘り気による力の項を加えた式を考える

z

w

y

v

x

u

x

uw

yv

xu

tDt

D

gradgradpDt

D

vFv

2

3

11

m

m

ミレニアム懸賞問題

PneNP予想

ホッジ予想

ポアンカレ予想

リーマン予想

ヤン-ミルズ方程式と質量ギャップ問題

ナビエ-ストークス方程式の解の存在と滑らかさ

バーチスウィンナートン=ダイアー予想 慣性力=圧力+粘性力

20181025

18

20181025 機械工学入門

34 コンピュータの利用

20181025 機械工学入門

35 戦略HPCIプロジェクト

High Performance Computing Infrastructure

20181025

19

20181025 機械工学入門

36 HPCIプロジェクト(自動車関連)

1048708 「自動車用統合空力連成設計システムの研究開発」 自動車まるごと連成解析の実現による車体設計手法の革新

空力車両運動連成

外部音キャビン騒音

エンジンルームキャビン内熱環境解析

1048708 LES非定常空力解析を主体とした設計システム

超マルチ時間スケールLES(実時間で数分) rarr車両運動連成解析

超大規模LES(数十億要素数規模) rarr外部音キャビン騒音解析

超高速RANS(1ケース1分程度) rarr空力熱設計最適化

20181025 機械工学入門

37

5年後になにしているか

沖縄に台風が上陸したときの豊橋の天気は

今日何時に寝るか

技科大の天気と駅前の天気

近い将来や近所のことは

予測ができる

f(x)

コンピュータを使った予測方法

20181025

20

20181025 機械工学入門

38

コンピューターは四則演算しかできない

Sinの微分はなんでしょうかrarrコンピュータにはわからない

x

xvxxv

dx

dv

t

tvttv

dt

dv

)()(

)()(

ちょっと先の結果から現在の結果を引く (時間当たりの変化) 自分の隣の結果と自分自身の結果を引く(空間あたりの変化) 時間当たりの変化を求める

tやxを小さくすると微分と等しくなる微分がわからなくても

計算できる

POINTセルを細かく時間刻みを短くすれば現実に近づく

難しい方程式を簡単に

20181025 機械工学入門

39

計算したい物体の周りを

小さなセルに分割

各セルの将来の値を推定

(物理法則)

物理法則を用いて周囲の

セルの物理量を元に物理

量を計算 繰り返し

計算結果を出力

dt

dvmmaF

物理法則たとえば

コンピューターシミュレーション

20181025

21

40

細かくセルを分割して計算するには高速のコンピュータが必要

自動車の周囲 5mtimes3mtimes15mの空間を計算する

3m

5m 15m

各辺を1mmの格子で分割する2250億の小さなブロックに分割

実際の計算では場所によって大きさを変える車の場合は10億程度

流れの計算をするには10億個の連立方程式を作って計算

rarr気が遠くなる話だけど計算機は単純計算は得意

20181025 機械工学入門

シミュレーションの規模

20181025 機械工学入門

41 格子生成

20181025

22

20181025 機械工学入門

42

By Prof Makoto Tsubokura (Kobe Univ) And Suzuki Ltd

300億メッシュの解析事例(FFred)

20181025 機械工学入門

43

By Prof Makoto Tsubokura (Kobe Univ) And Suzuki Ltd

アニメーション(FrontFlowred)

20181025

23

20181025 機械工学入門

44

並列計算一つのコンピュータでは計算できない問題を

多数のコンピュータで計算

リチャードソン計算職人を6000人集めて天気予報を試みる

光が1秒間に進む距離300000キロメートル

クロック周波数37GHz (1秒間に370000000)

1クロックで光が進む距離8cm 程度

rarr通信速度から現在のコンピュータの速度は限界に近い

一つのパソコンに複数のCPU (インテル6コア)

10億の連立方程式を解くには速いコンピュータが必要

もっと速くもっと大規模に

20181025 機械工学入門

45

スパコンの性能は10年で1000倍 世界最速コンピュータ「京」 2011年6月 世界最高性能 816PFLOPSを達成

PC

コンピューターの性能

FLOPS1秒間あたりの演算回数

20181025

24

20181025 機械工学入門

46

物理法則に対するコンピュータシミュレーションの原理は簡単

ただし膨大な数の連立方程式を解く必要がある

そのためには高速のコンピュータが必要

コンピュータの速度も限界複数のコンピュータで計算するため

通信速度も重要

京に代表されるハイパフォーマンスコンピュータが必要

ソフトウェアや実証試験も重要他国に負けない技術開発

スーパーコンピューターが作れるのは米国と日本だけ

CRY1160MFlops 価格800万ドル

iPhone41GFlops 価格669ドル

コーヒーブレイク

20181025 機械工学入門

47 自動車コンソーシアム

20181025

25

20181025 機械工学入門

48

HPCによる自動車用次世代空力熱設計システムの研究開発

北海道大学 坪倉 誠(リーダー) ①階層的データ構造による超大規模格子作成

統合ユーザーインターフェースの開発

東大生研小野 謙二

②実走行状態における気流車両運動連成空力解析

北海道大学 坪倉 誠広島大学 中島卓司

③空力振動音響連成解析による車室内騒音の予測

豊橋技術科学大学 飯田明由

④エンジンルーム排気管系熱害

東京都市大学 郡 逸平

コンソーシアムの課題内容

20181025 機械工学入門

49

固体伝播

フレーム振動(低周波数) 車体剛性に関連

車体振動(高周波数)車体重量(質量則)構造(コインシデンス) HVAC(特に配管系)冷媒振動音気液2相流

空気伝播

車外空力騒音(比較的高い周波数)音源部位の特定困難

HAVC(ファン騒音)ダクト系の共鳴+広帯域騒音

伝達関数

音 流体力

車内騒音解析の考え方(SEA法)

20181025

26

20181025 機械工学入門

50

音響透過解析(反射回折透過) FrontFlowBlue-ACOUSTICS

振動解析(流体加振構造振動) Adventure

音源解析(物体表面圧力変動空力騒音) FrontFlowBlue

室内音場解析

FrontFlowBlue-ACOUSTICS

流体-音響メッシュ周波数領域

物体表面メッシュ

車内騒音解析手法

1way 連成解析 プログラム連成REVOCAP

20181025 機械工学入門

51

流体ソルバーによる 車外流れの流体解析

構造ソルバーによる 車体の振動解析

bullモックアップモデル

空力rArr構造振動rArr音響の連成解析により車室内の騒音を予測する

音響ソルバーによる 車室内騒音解析

ベンチマークテスト

流体メッシュ 構造メッシュ 流体側圧力分布

構造側圧力分布

REVOCAP_Coupler

によるマッピング

20181025

27

20181025 機械工学入門

52

流体解析空力音に寄与する音のスケール 1mm (10kHz) 境界層内の渦スケール 01 mm

境界層メッシュ解像度 200mm

解析メッシュ 200億要素

振動解析流体解析データを加える振動力とする周波数 10kHz

解析自由度規模 1億自由度

解像度 1mm

解析メッシュ 1000万要素

騒音解析振動解析結果を圧力境界または粒子速度境界 10kHz

解像度 3mm

解析メッシュ 10億要素

解析規模(最終目標)

スズキ MRワゴン

時速100km走行時の車内騒音

20181025 機械工学入門

53

流体解析 構造振動解析 音響解

解析ソフト FFB Ver 81 Adventure Cluster FFB-Acoustics Ver50

解析規模 52億要素 250万要素(1500 万自由度) 3700万要素

解析メッシュ 6面体メッシュ シェル要素(34角形)

ソリッド要素(456面体) 4面体要素

解析時間 京(4096ノード) 22時間1sec

CX1000 (96 コア) 7日6144step

FX10(24ノード) 30時間512周波数

最小メッシュサイズ

01mm 4mm 1mm

最小解像度 渦スケール 1mm 周波数4kHz 最大周波数の波長を20

分割 (4mm)

解析ドメイン 時間領域 時間領域 周波数処理

離散化方法 有限要素法 有限差分法 有限要素法

連成処理

データ

表面圧力変動

壁面加振動力

壁面振動加速度

音響粒子速度

今回の解析規模

20181025

28

20181025 機械工学入門

54 流体解析結果(1)

Cd値 解析0295(実験03)

20181025 機械工学入門

55

3000万要素

52億要素

メッシュ規模の影響 京(4096ノード32768コア)

22時間1sec

8000万要素

20181025

29

20181025 機械工学入門

56 流体解析結果 (2) 圧力変動強度(rms値)

渦度の絶対値

20181022

57 外部音解析

音源項 音源となる渦

流体圧力と音圧

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181025

30

20181022

58

流れ場 音場

車体周りの空力音響解析結果

音場解析事例(50億CFD+8千万CAA)

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181022

59

車体近傍には擬似音場が形成される

疑似音波が車内音に及ぼす影響が重要

擬似音場(圧力場)

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181025

31

20181025 機械工学入門

60

378Hz 638Hz

513Hz

38Hz 68Hz

52Hz 91Hz 赤字の値実験値

900Hz

リアドアガラス

ルーフ

モード解析結果

20181025 機械工学入門

61 振動解析結果(2) CX1000 (96 コア)

7日6144step

20181025

32

20181025 機械工学入門

62

要素数37089746

節点数 6738591

Tetrahedral Mesh

完全自動メッシュ

平均メッシュサイズ 4mm

4kHzの波長(85mm)を20分割

車内騒音解析

20181025 機械工学入門

63 車内騒音解析結果(1)

車体周りの流れに起因する車内騒音解析結果(100Hz)

注意外部流れは速度場の瞬時値室内音は平均音圧分布のため車外と室内の解析結果は時間的には同期していない点に注意

20181025

33

20181025 機械工学入門

64 車内騒音解析結果(2)

20181025 機械工学入門

65 車内騒音解析結果(3)

車外渦度場内部音響粒子速度ベクトル

20181025

34

20181025 機械工学入門

66 車内騒音解析結果(4)

圧力分布(実部)

20181025 機械工学入門

67

200Hz

125Hz

315Hz

613Hz

400Hz

800Hz

2000Hz

1000Hz

4000Hz

200Hz 1000Hz

車内騒音解析結果(5) FX10(24ノードtimes6 2304コア) 30時間512周波数

20181025

35

20181025 機械工学入門

68 解析結果の定量的な評価(2)

20181025 機械工学入門

69

洋上ウィンドファーム周りの流れ

翼周り流れに対する主流乱の影響 空力構造連成

格子点数1兆規模

ウィンドファームの開発(2015年から)

20181025

36

20181025 機械工学入門

70 風車回りの流れの計算結果

20181025 機械工学入門

71

httpaerometutacjp

iidametutacjp

自然エネルギー変換科学研究室

Page 6: 機械工学入門(流体力学) 0aero.me.tut.ac.jp/Lectures/Intro/intro2018.pdf2018/10/25 1 機械工学入門 2018/10/25 自然エネルギー変換科学研究室 飯田明由

20181025

6

制御効果のデモ画像

(U0 = 37 ms pL = 025 Uj = 22 ms)

20181025 機械工学入門

10

Flow

平板翼列騒音(共鳴音)

bull 平板列からピーク性騒音の発生

bull 特定の流速で増大

bull 自動車グリル 熱交換機 建造物などで発生し

設計段階での予測対策が必要

Effects of velocity on SPL

Condition

bull N = 5

bull C = 30 mm

bull d = 12 mm

Flow U0

c

s

b

xy

zo

Noise Source of Automobile (httpwwwshoutwikicomwimagesauto776)

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化 20181022

11

Peak (U0 = 44 ms)

20181025

7

20181025 機械工学入門

12 楽器のシミュレーション

埋め込み境界法を用いた楽器の解析

20181025

8

20181025 機械工学入門

14 リードバルブ(移動境界)解析 Reed Vibration amp Flow

20181025 機械工学入門

15

ポリオフィリン紫外線を当てると発光

発光強度は酸素濃度に反比例

-3

-2

-1

0

1

2

3

0 02 04 06 08 1 12 14X D

Cp

PSPPiezoresistive SensorsSimulation

U = 75 ms = 15 deg

Flow

感圧塗料の開発

20181025

9

20181025 機械工学入門

16 PIV計測技術の開発

20181025 機械工学入門

17

110 mm

Paper wing

30 mm

トンボの羽ばたき運動と飛行性能を実験的に調べ羽ばたき型飛行ロボットを開発

飛行するトンボの周りの流れ

トンボの飛翔に関する研究

20181025

10

20181025 機械工学入門

18

廃熱によって音波を発生 熱音響冷凍機の駆動源

管内の音響共鳴周波数を利用したスターリングエンジン

熱音響冷凍機

熱音響エンジン

熱音響冷凍機の開発

20181025 機械工学入門

19

風車周りのLES解析流れ

風車の開発

20181025

11

自動車車外騒音予測

20181025 機械工学入門

20

フロントグリル

キャビティサンルーフ

20181025 機械工学入門

21 自動車の開発と技術分野 エンジン自動車開発の花形自動車のかなめ

熱力学燃焼工学材料力学

シャーシ安全性居住性スタイル

構造力学材料力学破壊力学振動工学

サスペンション車体の安定走行乗り心地

振動工学構造工学材料力学

タイヤ ニューマッチクタイヤの開発(ミシュラン) 材料(物性)振動工学構造工学

エアロダイナミックス車体に作用する流体力(省エネ高速化) 流体力学

電子制御安全工学人間工学デザイン工学etc

世界初のエアロダイナミックマシン

メルセデスW25

平均速度260kmh(1935年)

20181025

12

20181025 機械工学入門

22 自動車はどのようにして走るか

20181025 機械工学入門

23 ニュートンの運動方程式と摩擦力

ニュートンの運動方程式

F=ma

力は質量と加速度に比例する

同じ力でものを加速させる場合軽いものほど加速させやすい

rarr車を加速させるには軽いほうが良い

摩擦力

F=mW=mmg

摩擦力は摩擦係数と物体の重量に比例する

重量が重いほど摩擦力は大きくなる

rarr タイヤの力を路面に伝えるには重いほうが良い

軽いけれど摩擦力が大きくなるようにする必要がある

rarr 空気の力を利用する

20181025

13

20181025 機械工学入門

24 空気抵抗とは 雨粒の落下速度と空気抵抗

h=1000m

ghv

mghmv

vh

mghmmgmv

mghmv

2

2

1

00

02

10

2

1

2

1

2

22

2

   上空地上

一定

)45014010008192 kmsmv  (時速

実際には空気抵抗があるので1ms~5ms程度

(重力)mg

(空気抵抗)Av2

2

1

(浮力)Vg

V=

20181025 機械工学入門

25

20kmh

転がり抵抗55 空気抵抗45

30kmh

転がり抵抗 30 空気抵抗70

自転車のドラフティング

後ろの人は楽(60 ~70)

坂道 勾配5 10kmh

登坂抵抗 80 転がり抵抗13

自転車に作用する力

空気抵抗

伝達損失

(小さい)

mg(重力)

登坂抵抗

ころがり抵抗

(摩擦)

20181025

14

20181025 機械工学入門

26 自動車の空気抵抗

空気抵抗係数Cd 自動車を走行が空気によってどれだけ妨げられるかを表したもの空気抵抗は速度の2乗に比例するため高速になればなるほど問題となる

][

][

][

2

1

2

3

2

mA

smU

mkg

Cd

AUCdD

前面投影面積

速度

空気密度

空気抵抗係数

20181025 機械工学入門

27 空気抵抗と燃費

Cd=026rarr02 燃費10改善

20181025

15

20181025 機械工学入門

28 何故抵抗が生じるのか

物体の後ろには渦ができる

(渦の中心は圧力が低くなる)

2

2

P

物体の前側は速度がゼロになる(運動量が変化する) 力が作用する(運動量保存則)

20181025 機械工学入門

29 風洞実験

人工的に風を作り

車などの性質を調べる装置

20181025

16

20181025 機械工学入門

30

車を走らせる代わりに風洞内で風を流して

車の周りの空気の流れを調べる

自動車開発への応用

20181025 機械工学入門

31 流体力の計測方法

20181025

17

20181025 機械工学入門

32

模型なのでいろいろと

試すことができる

模型実験の利点

20181025 機械工学入門

33 ナビエストークスの式

流体は粘々しているせん断応力

流体を速く動かそうとすると粘り気による力が働く

ニュートンの式に流体の性質である圧力

と粘り気による力の項を加えた式を考える

z

w

y

v

x

u

x

uw

yv

xu

tDt

D

gradgradpDt

D

vFv

2

3

11

m

m

ミレニアム懸賞問題

PneNP予想

ホッジ予想

ポアンカレ予想

リーマン予想

ヤン-ミルズ方程式と質量ギャップ問題

ナビエ-ストークス方程式の解の存在と滑らかさ

バーチスウィンナートン=ダイアー予想 慣性力=圧力+粘性力

20181025

18

20181025 機械工学入門

34 コンピュータの利用

20181025 機械工学入門

35 戦略HPCIプロジェクト

High Performance Computing Infrastructure

20181025

19

20181025 機械工学入門

36 HPCIプロジェクト(自動車関連)

1048708 「自動車用統合空力連成設計システムの研究開発」 自動車まるごと連成解析の実現による車体設計手法の革新

空力車両運動連成

外部音キャビン騒音

エンジンルームキャビン内熱環境解析

1048708 LES非定常空力解析を主体とした設計システム

超マルチ時間スケールLES(実時間で数分) rarr車両運動連成解析

超大規模LES(数十億要素数規模) rarr外部音キャビン騒音解析

超高速RANS(1ケース1分程度) rarr空力熱設計最適化

20181025 機械工学入門

37

5年後になにしているか

沖縄に台風が上陸したときの豊橋の天気は

今日何時に寝るか

技科大の天気と駅前の天気

近い将来や近所のことは

予測ができる

f(x)

コンピュータを使った予測方法

20181025

20

20181025 機械工学入門

38

コンピューターは四則演算しかできない

Sinの微分はなんでしょうかrarrコンピュータにはわからない

x

xvxxv

dx

dv

t

tvttv

dt

dv

)()(

)()(

ちょっと先の結果から現在の結果を引く (時間当たりの変化) 自分の隣の結果と自分自身の結果を引く(空間あたりの変化) 時間当たりの変化を求める

tやxを小さくすると微分と等しくなる微分がわからなくても

計算できる

POINTセルを細かく時間刻みを短くすれば現実に近づく

難しい方程式を簡単に

20181025 機械工学入門

39

計算したい物体の周りを

小さなセルに分割

各セルの将来の値を推定

(物理法則)

物理法則を用いて周囲の

セルの物理量を元に物理

量を計算 繰り返し

計算結果を出力

dt

dvmmaF

物理法則たとえば

コンピューターシミュレーション

20181025

21

40

細かくセルを分割して計算するには高速のコンピュータが必要

自動車の周囲 5mtimes3mtimes15mの空間を計算する

3m

5m 15m

各辺を1mmの格子で分割する2250億の小さなブロックに分割

実際の計算では場所によって大きさを変える車の場合は10億程度

流れの計算をするには10億個の連立方程式を作って計算

rarr気が遠くなる話だけど計算機は単純計算は得意

20181025 機械工学入門

シミュレーションの規模

20181025 機械工学入門

41 格子生成

20181025

22

20181025 機械工学入門

42

By Prof Makoto Tsubokura (Kobe Univ) And Suzuki Ltd

300億メッシュの解析事例(FFred)

20181025 機械工学入門

43

By Prof Makoto Tsubokura (Kobe Univ) And Suzuki Ltd

アニメーション(FrontFlowred)

20181025

23

20181025 機械工学入門

44

並列計算一つのコンピュータでは計算できない問題を

多数のコンピュータで計算

リチャードソン計算職人を6000人集めて天気予報を試みる

光が1秒間に進む距離300000キロメートル

クロック周波数37GHz (1秒間に370000000)

1クロックで光が進む距離8cm 程度

rarr通信速度から現在のコンピュータの速度は限界に近い

一つのパソコンに複数のCPU (インテル6コア)

10億の連立方程式を解くには速いコンピュータが必要

もっと速くもっと大規模に

20181025 機械工学入門

45

スパコンの性能は10年で1000倍 世界最速コンピュータ「京」 2011年6月 世界最高性能 816PFLOPSを達成

PC

コンピューターの性能

FLOPS1秒間あたりの演算回数

20181025

24

20181025 機械工学入門

46

物理法則に対するコンピュータシミュレーションの原理は簡単

ただし膨大な数の連立方程式を解く必要がある

そのためには高速のコンピュータが必要

コンピュータの速度も限界複数のコンピュータで計算するため

通信速度も重要

京に代表されるハイパフォーマンスコンピュータが必要

ソフトウェアや実証試験も重要他国に負けない技術開発

スーパーコンピューターが作れるのは米国と日本だけ

CRY1160MFlops 価格800万ドル

iPhone41GFlops 価格669ドル

コーヒーブレイク

20181025 機械工学入門

47 自動車コンソーシアム

20181025

25

20181025 機械工学入門

48

HPCによる自動車用次世代空力熱設計システムの研究開発

北海道大学 坪倉 誠(リーダー) ①階層的データ構造による超大規模格子作成

統合ユーザーインターフェースの開発

東大生研小野 謙二

②実走行状態における気流車両運動連成空力解析

北海道大学 坪倉 誠広島大学 中島卓司

③空力振動音響連成解析による車室内騒音の予測

豊橋技術科学大学 飯田明由

④エンジンルーム排気管系熱害

東京都市大学 郡 逸平

コンソーシアムの課題内容

20181025 機械工学入門

49

固体伝播

フレーム振動(低周波数) 車体剛性に関連

車体振動(高周波数)車体重量(質量則)構造(コインシデンス) HVAC(特に配管系)冷媒振動音気液2相流

空気伝播

車外空力騒音(比較的高い周波数)音源部位の特定困難

HAVC(ファン騒音)ダクト系の共鳴+広帯域騒音

伝達関数

音 流体力

車内騒音解析の考え方(SEA法)

20181025

26

20181025 機械工学入門

50

音響透過解析(反射回折透過) FrontFlowBlue-ACOUSTICS

振動解析(流体加振構造振動) Adventure

音源解析(物体表面圧力変動空力騒音) FrontFlowBlue

室内音場解析

FrontFlowBlue-ACOUSTICS

流体-音響メッシュ周波数領域

物体表面メッシュ

車内騒音解析手法

1way 連成解析 プログラム連成REVOCAP

20181025 機械工学入門

51

流体ソルバーによる 車外流れの流体解析

構造ソルバーによる 車体の振動解析

bullモックアップモデル

空力rArr構造振動rArr音響の連成解析により車室内の騒音を予測する

音響ソルバーによる 車室内騒音解析

ベンチマークテスト

流体メッシュ 構造メッシュ 流体側圧力分布

構造側圧力分布

REVOCAP_Coupler

によるマッピング

20181025

27

20181025 機械工学入門

52

流体解析空力音に寄与する音のスケール 1mm (10kHz) 境界層内の渦スケール 01 mm

境界層メッシュ解像度 200mm

解析メッシュ 200億要素

振動解析流体解析データを加える振動力とする周波数 10kHz

解析自由度規模 1億自由度

解像度 1mm

解析メッシュ 1000万要素

騒音解析振動解析結果を圧力境界または粒子速度境界 10kHz

解像度 3mm

解析メッシュ 10億要素

解析規模(最終目標)

スズキ MRワゴン

時速100km走行時の車内騒音

20181025 機械工学入門

53

流体解析 構造振動解析 音響解

解析ソフト FFB Ver 81 Adventure Cluster FFB-Acoustics Ver50

解析規模 52億要素 250万要素(1500 万自由度) 3700万要素

解析メッシュ 6面体メッシュ シェル要素(34角形)

ソリッド要素(456面体) 4面体要素

解析時間 京(4096ノード) 22時間1sec

CX1000 (96 コア) 7日6144step

FX10(24ノード) 30時間512周波数

最小メッシュサイズ

01mm 4mm 1mm

最小解像度 渦スケール 1mm 周波数4kHz 最大周波数の波長を20

分割 (4mm)

解析ドメイン 時間領域 時間領域 周波数処理

離散化方法 有限要素法 有限差分法 有限要素法

連成処理

データ

表面圧力変動

壁面加振動力

壁面振動加速度

音響粒子速度

今回の解析規模

20181025

28

20181025 機械工学入門

54 流体解析結果(1)

Cd値 解析0295(実験03)

20181025 機械工学入門

55

3000万要素

52億要素

メッシュ規模の影響 京(4096ノード32768コア)

22時間1sec

8000万要素

20181025

29

20181025 機械工学入門

56 流体解析結果 (2) 圧力変動強度(rms値)

渦度の絶対値

20181022

57 外部音解析

音源項 音源となる渦

流体圧力と音圧

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181025

30

20181022

58

流れ場 音場

車体周りの空力音響解析結果

音場解析事例(50億CFD+8千万CAA)

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181022

59

車体近傍には擬似音場が形成される

疑似音波が車内音に及ぼす影響が重要

擬似音場(圧力場)

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181025

31

20181025 機械工学入門

60

378Hz 638Hz

513Hz

38Hz 68Hz

52Hz 91Hz 赤字の値実験値

900Hz

リアドアガラス

ルーフ

モード解析結果

20181025 機械工学入門

61 振動解析結果(2) CX1000 (96 コア)

7日6144step

20181025

32

20181025 機械工学入門

62

要素数37089746

節点数 6738591

Tetrahedral Mesh

完全自動メッシュ

平均メッシュサイズ 4mm

4kHzの波長(85mm)を20分割

車内騒音解析

20181025 機械工学入門

63 車内騒音解析結果(1)

車体周りの流れに起因する車内騒音解析結果(100Hz)

注意外部流れは速度場の瞬時値室内音は平均音圧分布のため車外と室内の解析結果は時間的には同期していない点に注意

20181025

33

20181025 機械工学入門

64 車内騒音解析結果(2)

20181025 機械工学入門

65 車内騒音解析結果(3)

車外渦度場内部音響粒子速度ベクトル

20181025

34

20181025 機械工学入門

66 車内騒音解析結果(4)

圧力分布(実部)

20181025 機械工学入門

67

200Hz

125Hz

315Hz

613Hz

400Hz

800Hz

2000Hz

1000Hz

4000Hz

200Hz 1000Hz

車内騒音解析結果(5) FX10(24ノードtimes6 2304コア) 30時間512周波数

20181025

35

20181025 機械工学入門

68 解析結果の定量的な評価(2)

20181025 機械工学入門

69

洋上ウィンドファーム周りの流れ

翼周り流れに対する主流乱の影響 空力構造連成

格子点数1兆規模

ウィンドファームの開発(2015年から)

20181025

36

20181025 機械工学入門

70 風車回りの流れの計算結果

20181025 機械工学入門

71

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20181025

7

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12 楽器のシミュレーション

埋め込み境界法を用いた楽器の解析

20181025

8

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14 リードバルブ(移動境界)解析 Reed Vibration amp Flow

20181025 機械工学入門

15

ポリオフィリン紫外線を当てると発光

発光強度は酸素濃度に反比例

-3

-2

-1

0

1

2

3

0 02 04 06 08 1 12 14X D

Cp

PSPPiezoresistive SensorsSimulation

U = 75 ms = 15 deg

Flow

感圧塗料の開発

20181025

9

20181025 機械工学入門

16 PIV計測技術の開発

20181025 機械工学入門

17

110 mm

Paper wing

30 mm

トンボの羽ばたき運動と飛行性能を実験的に調べ羽ばたき型飛行ロボットを開発

飛行するトンボの周りの流れ

トンボの飛翔に関する研究

20181025

10

20181025 機械工学入門

18

廃熱によって音波を発生 熱音響冷凍機の駆動源

管内の音響共鳴周波数を利用したスターリングエンジン

熱音響冷凍機

熱音響エンジン

熱音響冷凍機の開発

20181025 機械工学入門

19

風車周りのLES解析流れ

風車の開発

20181025

11

自動車車外騒音予測

20181025 機械工学入門

20

フロントグリル

キャビティサンルーフ

20181025 機械工学入門

21 自動車の開発と技術分野 エンジン自動車開発の花形自動車のかなめ

熱力学燃焼工学材料力学

シャーシ安全性居住性スタイル

構造力学材料力学破壊力学振動工学

サスペンション車体の安定走行乗り心地

振動工学構造工学材料力学

タイヤ ニューマッチクタイヤの開発(ミシュラン) 材料(物性)振動工学構造工学

エアロダイナミックス車体に作用する流体力(省エネ高速化) 流体力学

電子制御安全工学人間工学デザイン工学etc

世界初のエアロダイナミックマシン

メルセデスW25

平均速度260kmh(1935年)

20181025

12

20181025 機械工学入門

22 自動車はどのようにして走るか

20181025 機械工学入門

23 ニュートンの運動方程式と摩擦力

ニュートンの運動方程式

F=ma

力は質量と加速度に比例する

同じ力でものを加速させる場合軽いものほど加速させやすい

rarr車を加速させるには軽いほうが良い

摩擦力

F=mW=mmg

摩擦力は摩擦係数と物体の重量に比例する

重量が重いほど摩擦力は大きくなる

rarr タイヤの力を路面に伝えるには重いほうが良い

軽いけれど摩擦力が大きくなるようにする必要がある

rarr 空気の力を利用する

20181025

13

20181025 機械工学入門

24 空気抵抗とは 雨粒の落下速度と空気抵抗

h=1000m

ghv

mghmv

vh

mghmmgmv

mghmv

2

2

1

00

02

10

2

1

2

1

2

22

2

   上空地上

一定

)45014010008192 kmsmv  (時速

実際には空気抵抗があるので1ms~5ms程度

(重力)mg

(空気抵抗)Av2

2

1

(浮力)Vg

V=

20181025 機械工学入門

25

20kmh

転がり抵抗55 空気抵抗45

30kmh

転がり抵抗 30 空気抵抗70

自転車のドラフティング

後ろの人は楽(60 ~70)

坂道 勾配5 10kmh

登坂抵抗 80 転がり抵抗13

自転車に作用する力

空気抵抗

伝達損失

(小さい)

mg(重力)

登坂抵抗

ころがり抵抗

(摩擦)

20181025

14

20181025 機械工学入門

26 自動車の空気抵抗

空気抵抗係数Cd 自動車を走行が空気によってどれだけ妨げられるかを表したもの空気抵抗は速度の2乗に比例するため高速になればなるほど問題となる

][

][

][

2

1

2

3

2

mA

smU

mkg

Cd

AUCdD

前面投影面積

速度

空気密度

空気抵抗係数

20181025 機械工学入門

27 空気抵抗と燃費

Cd=026rarr02 燃費10改善

20181025

15

20181025 機械工学入門

28 何故抵抗が生じるのか

物体の後ろには渦ができる

(渦の中心は圧力が低くなる)

2

2

P

物体の前側は速度がゼロになる(運動量が変化する) 力が作用する(運動量保存則)

20181025 機械工学入門

29 風洞実験

人工的に風を作り

車などの性質を調べる装置

20181025

16

20181025 機械工学入門

30

車を走らせる代わりに風洞内で風を流して

車の周りの空気の流れを調べる

自動車開発への応用

20181025 機械工学入門

31 流体力の計測方法

20181025

17

20181025 機械工学入門

32

模型なのでいろいろと

試すことができる

模型実験の利点

20181025 機械工学入門

33 ナビエストークスの式

流体は粘々しているせん断応力

流体を速く動かそうとすると粘り気による力が働く

ニュートンの式に流体の性質である圧力

と粘り気による力の項を加えた式を考える

z

w

y

v

x

u

x

uw

yv

xu

tDt

D

gradgradpDt

D

vFv

2

3

11

m

m

ミレニアム懸賞問題

PneNP予想

ホッジ予想

ポアンカレ予想

リーマン予想

ヤン-ミルズ方程式と質量ギャップ問題

ナビエ-ストークス方程式の解の存在と滑らかさ

バーチスウィンナートン=ダイアー予想 慣性力=圧力+粘性力

20181025

18

20181025 機械工学入門

34 コンピュータの利用

20181025 機械工学入門

35 戦略HPCIプロジェクト

High Performance Computing Infrastructure

20181025

19

20181025 機械工学入門

36 HPCIプロジェクト(自動車関連)

1048708 「自動車用統合空力連成設計システムの研究開発」 自動車まるごと連成解析の実現による車体設計手法の革新

空力車両運動連成

外部音キャビン騒音

エンジンルームキャビン内熱環境解析

1048708 LES非定常空力解析を主体とした設計システム

超マルチ時間スケールLES(実時間で数分) rarr車両運動連成解析

超大規模LES(数十億要素数規模) rarr外部音キャビン騒音解析

超高速RANS(1ケース1分程度) rarr空力熱設計最適化

20181025 機械工学入門

37

5年後になにしているか

沖縄に台風が上陸したときの豊橋の天気は

今日何時に寝るか

技科大の天気と駅前の天気

近い将来や近所のことは

予測ができる

f(x)

コンピュータを使った予測方法

20181025

20

20181025 機械工学入門

38

コンピューターは四則演算しかできない

Sinの微分はなんでしょうかrarrコンピュータにはわからない

x

xvxxv

dx

dv

t

tvttv

dt

dv

)()(

)()(

ちょっと先の結果から現在の結果を引く (時間当たりの変化) 自分の隣の結果と自分自身の結果を引く(空間あたりの変化) 時間当たりの変化を求める

tやxを小さくすると微分と等しくなる微分がわからなくても

計算できる

POINTセルを細かく時間刻みを短くすれば現実に近づく

難しい方程式を簡単に

20181025 機械工学入門

39

計算したい物体の周りを

小さなセルに分割

各セルの将来の値を推定

(物理法則)

物理法則を用いて周囲の

セルの物理量を元に物理

量を計算 繰り返し

計算結果を出力

dt

dvmmaF

物理法則たとえば

コンピューターシミュレーション

20181025

21

40

細かくセルを分割して計算するには高速のコンピュータが必要

自動車の周囲 5mtimes3mtimes15mの空間を計算する

3m

5m 15m

各辺を1mmの格子で分割する2250億の小さなブロックに分割

実際の計算では場所によって大きさを変える車の場合は10億程度

流れの計算をするには10億個の連立方程式を作って計算

rarr気が遠くなる話だけど計算機は単純計算は得意

20181025 機械工学入門

シミュレーションの規模

20181025 機械工学入門

41 格子生成

20181025

22

20181025 機械工学入門

42

By Prof Makoto Tsubokura (Kobe Univ) And Suzuki Ltd

300億メッシュの解析事例(FFred)

20181025 機械工学入門

43

By Prof Makoto Tsubokura (Kobe Univ) And Suzuki Ltd

アニメーション(FrontFlowred)

20181025

23

20181025 機械工学入門

44

並列計算一つのコンピュータでは計算できない問題を

多数のコンピュータで計算

リチャードソン計算職人を6000人集めて天気予報を試みる

光が1秒間に進む距離300000キロメートル

クロック周波数37GHz (1秒間に370000000)

1クロックで光が進む距離8cm 程度

rarr通信速度から現在のコンピュータの速度は限界に近い

一つのパソコンに複数のCPU (インテル6コア)

10億の連立方程式を解くには速いコンピュータが必要

もっと速くもっと大規模に

20181025 機械工学入門

45

スパコンの性能は10年で1000倍 世界最速コンピュータ「京」 2011年6月 世界最高性能 816PFLOPSを達成

PC

コンピューターの性能

FLOPS1秒間あたりの演算回数

20181025

24

20181025 機械工学入門

46

物理法則に対するコンピュータシミュレーションの原理は簡単

ただし膨大な数の連立方程式を解く必要がある

そのためには高速のコンピュータが必要

コンピュータの速度も限界複数のコンピュータで計算するため

通信速度も重要

京に代表されるハイパフォーマンスコンピュータが必要

ソフトウェアや実証試験も重要他国に負けない技術開発

スーパーコンピューターが作れるのは米国と日本だけ

CRY1160MFlops 価格800万ドル

iPhone41GFlops 価格669ドル

コーヒーブレイク

20181025 機械工学入門

47 自動車コンソーシアム

20181025

25

20181025 機械工学入門

48

HPCによる自動車用次世代空力熱設計システムの研究開発

北海道大学 坪倉 誠(リーダー) ①階層的データ構造による超大規模格子作成

統合ユーザーインターフェースの開発

東大生研小野 謙二

②実走行状態における気流車両運動連成空力解析

北海道大学 坪倉 誠広島大学 中島卓司

③空力振動音響連成解析による車室内騒音の予測

豊橋技術科学大学 飯田明由

④エンジンルーム排気管系熱害

東京都市大学 郡 逸平

コンソーシアムの課題内容

20181025 機械工学入門

49

固体伝播

フレーム振動(低周波数) 車体剛性に関連

車体振動(高周波数)車体重量(質量則)構造(コインシデンス) HVAC(特に配管系)冷媒振動音気液2相流

空気伝播

車外空力騒音(比較的高い周波数)音源部位の特定困難

HAVC(ファン騒音)ダクト系の共鳴+広帯域騒音

伝達関数

音 流体力

車内騒音解析の考え方(SEA法)

20181025

26

20181025 機械工学入門

50

音響透過解析(反射回折透過) FrontFlowBlue-ACOUSTICS

振動解析(流体加振構造振動) Adventure

音源解析(物体表面圧力変動空力騒音) FrontFlowBlue

室内音場解析

FrontFlowBlue-ACOUSTICS

流体-音響メッシュ周波数領域

物体表面メッシュ

車内騒音解析手法

1way 連成解析 プログラム連成REVOCAP

20181025 機械工学入門

51

流体ソルバーによる 車外流れの流体解析

構造ソルバーによる 車体の振動解析

bullモックアップモデル

空力rArr構造振動rArr音響の連成解析により車室内の騒音を予測する

音響ソルバーによる 車室内騒音解析

ベンチマークテスト

流体メッシュ 構造メッシュ 流体側圧力分布

構造側圧力分布

REVOCAP_Coupler

によるマッピング

20181025

27

20181025 機械工学入門

52

流体解析空力音に寄与する音のスケール 1mm (10kHz) 境界層内の渦スケール 01 mm

境界層メッシュ解像度 200mm

解析メッシュ 200億要素

振動解析流体解析データを加える振動力とする周波数 10kHz

解析自由度規模 1億自由度

解像度 1mm

解析メッシュ 1000万要素

騒音解析振動解析結果を圧力境界または粒子速度境界 10kHz

解像度 3mm

解析メッシュ 10億要素

解析規模(最終目標)

スズキ MRワゴン

時速100km走行時の車内騒音

20181025 機械工学入門

53

流体解析 構造振動解析 音響解

解析ソフト FFB Ver 81 Adventure Cluster FFB-Acoustics Ver50

解析規模 52億要素 250万要素(1500 万自由度) 3700万要素

解析メッシュ 6面体メッシュ シェル要素(34角形)

ソリッド要素(456面体) 4面体要素

解析時間 京(4096ノード) 22時間1sec

CX1000 (96 コア) 7日6144step

FX10(24ノード) 30時間512周波数

最小メッシュサイズ

01mm 4mm 1mm

最小解像度 渦スケール 1mm 周波数4kHz 最大周波数の波長を20

分割 (4mm)

解析ドメイン 時間領域 時間領域 周波数処理

離散化方法 有限要素法 有限差分法 有限要素法

連成処理

データ

表面圧力変動

壁面加振動力

壁面振動加速度

音響粒子速度

今回の解析規模

20181025

28

20181025 機械工学入門

54 流体解析結果(1)

Cd値 解析0295(実験03)

20181025 機械工学入門

55

3000万要素

52億要素

メッシュ規模の影響 京(4096ノード32768コア)

22時間1sec

8000万要素

20181025

29

20181025 機械工学入門

56 流体解析結果 (2) 圧力変動強度(rms値)

渦度の絶対値

20181022

57 外部音解析

音源項 音源となる渦

流体圧力と音圧

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181025

30

20181022

58

流れ場 音場

車体周りの空力音響解析結果

音場解析事例(50億CFD+8千万CAA)

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181022

59

車体近傍には擬似音場が形成される

疑似音波が車内音に及ぼす影響が重要

擬似音場(圧力場)

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181025

31

20181025 機械工学入門

60

378Hz 638Hz

513Hz

38Hz 68Hz

52Hz 91Hz 赤字の値実験値

900Hz

リアドアガラス

ルーフ

モード解析結果

20181025 機械工学入門

61 振動解析結果(2) CX1000 (96 コア)

7日6144step

20181025

32

20181025 機械工学入門

62

要素数37089746

節点数 6738591

Tetrahedral Mesh

完全自動メッシュ

平均メッシュサイズ 4mm

4kHzの波長(85mm)を20分割

車内騒音解析

20181025 機械工学入門

63 車内騒音解析結果(1)

車体周りの流れに起因する車内騒音解析結果(100Hz)

注意外部流れは速度場の瞬時値室内音は平均音圧分布のため車外と室内の解析結果は時間的には同期していない点に注意

20181025

33

20181025 機械工学入門

64 車内騒音解析結果(2)

20181025 機械工学入門

65 車内騒音解析結果(3)

車外渦度場内部音響粒子速度ベクトル

20181025

34

20181025 機械工学入門

66 車内騒音解析結果(4)

圧力分布(実部)

20181025 機械工学入門

67

200Hz

125Hz

315Hz

613Hz

400Hz

800Hz

2000Hz

1000Hz

4000Hz

200Hz 1000Hz

車内騒音解析結果(5) FX10(24ノードtimes6 2304コア) 30時間512周波数

20181025

35

20181025 機械工学入門

68 解析結果の定量的な評価(2)

20181025 機械工学入門

69

洋上ウィンドファーム周りの流れ

翼周り流れに対する主流乱の影響 空力構造連成

格子点数1兆規模

ウィンドファームの開発(2015年から)

20181025

36

20181025 機械工学入門

70 風車回りの流れの計算結果

20181025 機械工学入門

71

httpaerometutacjp

iidametutacjp

自然エネルギー変換科学研究室

Page 8: 機械工学入門(流体力学) 0aero.me.tut.ac.jp/Lectures/Intro/intro2018.pdf2018/10/25 1 機械工学入門 2018/10/25 自然エネルギー変換科学研究室 飯田明由

20181025

8

20181025 機械工学入門

14 リードバルブ(移動境界)解析 Reed Vibration amp Flow

20181025 機械工学入門

15

ポリオフィリン紫外線を当てると発光

発光強度は酸素濃度に反比例

-3

-2

-1

0

1

2

3

0 02 04 06 08 1 12 14X D

Cp

PSPPiezoresistive SensorsSimulation

U = 75 ms = 15 deg

Flow

感圧塗料の開発

20181025

9

20181025 機械工学入門

16 PIV計測技術の開発

20181025 機械工学入門

17

110 mm

Paper wing

30 mm

トンボの羽ばたき運動と飛行性能を実験的に調べ羽ばたき型飛行ロボットを開発

飛行するトンボの周りの流れ

トンボの飛翔に関する研究

20181025

10

20181025 機械工学入門

18

廃熱によって音波を発生 熱音響冷凍機の駆動源

管内の音響共鳴周波数を利用したスターリングエンジン

熱音響冷凍機

熱音響エンジン

熱音響冷凍機の開発

20181025 機械工学入門

19

風車周りのLES解析流れ

風車の開発

20181025

11

自動車車外騒音予測

20181025 機械工学入門

20

フロントグリル

キャビティサンルーフ

20181025 機械工学入門

21 自動車の開発と技術分野 エンジン自動車開発の花形自動車のかなめ

熱力学燃焼工学材料力学

シャーシ安全性居住性スタイル

構造力学材料力学破壊力学振動工学

サスペンション車体の安定走行乗り心地

振動工学構造工学材料力学

タイヤ ニューマッチクタイヤの開発(ミシュラン) 材料(物性)振動工学構造工学

エアロダイナミックス車体に作用する流体力(省エネ高速化) 流体力学

電子制御安全工学人間工学デザイン工学etc

世界初のエアロダイナミックマシン

メルセデスW25

平均速度260kmh(1935年)

20181025

12

20181025 機械工学入門

22 自動車はどのようにして走るか

20181025 機械工学入門

23 ニュートンの運動方程式と摩擦力

ニュートンの運動方程式

F=ma

力は質量と加速度に比例する

同じ力でものを加速させる場合軽いものほど加速させやすい

rarr車を加速させるには軽いほうが良い

摩擦力

F=mW=mmg

摩擦力は摩擦係数と物体の重量に比例する

重量が重いほど摩擦力は大きくなる

rarr タイヤの力を路面に伝えるには重いほうが良い

軽いけれど摩擦力が大きくなるようにする必要がある

rarr 空気の力を利用する

20181025

13

20181025 機械工学入門

24 空気抵抗とは 雨粒の落下速度と空気抵抗

h=1000m

ghv

mghmv

vh

mghmmgmv

mghmv

2

2

1

00

02

10

2

1

2

1

2

22

2

   上空地上

一定

)45014010008192 kmsmv  (時速

実際には空気抵抗があるので1ms~5ms程度

(重力)mg

(空気抵抗)Av2

2

1

(浮力)Vg

V=

20181025 機械工学入門

25

20kmh

転がり抵抗55 空気抵抗45

30kmh

転がり抵抗 30 空気抵抗70

自転車のドラフティング

後ろの人は楽(60 ~70)

坂道 勾配5 10kmh

登坂抵抗 80 転がり抵抗13

自転車に作用する力

空気抵抗

伝達損失

(小さい)

mg(重力)

登坂抵抗

ころがり抵抗

(摩擦)

20181025

14

20181025 機械工学入門

26 自動車の空気抵抗

空気抵抗係数Cd 自動車を走行が空気によってどれだけ妨げられるかを表したもの空気抵抗は速度の2乗に比例するため高速になればなるほど問題となる

][

][

][

2

1

2

3

2

mA

smU

mkg

Cd

AUCdD

前面投影面積

速度

空気密度

空気抵抗係数

20181025 機械工学入門

27 空気抵抗と燃費

Cd=026rarr02 燃費10改善

20181025

15

20181025 機械工学入門

28 何故抵抗が生じるのか

物体の後ろには渦ができる

(渦の中心は圧力が低くなる)

2

2

P

物体の前側は速度がゼロになる(運動量が変化する) 力が作用する(運動量保存則)

20181025 機械工学入門

29 風洞実験

人工的に風を作り

車などの性質を調べる装置

20181025

16

20181025 機械工学入門

30

車を走らせる代わりに風洞内で風を流して

車の周りの空気の流れを調べる

自動車開発への応用

20181025 機械工学入門

31 流体力の計測方法

20181025

17

20181025 機械工学入門

32

模型なのでいろいろと

試すことができる

模型実験の利点

20181025 機械工学入門

33 ナビエストークスの式

流体は粘々しているせん断応力

流体を速く動かそうとすると粘り気による力が働く

ニュートンの式に流体の性質である圧力

と粘り気による力の項を加えた式を考える

z

w

y

v

x

u

x

uw

yv

xu

tDt

D

gradgradpDt

D

vFv

2

3

11

m

m

ミレニアム懸賞問題

PneNP予想

ホッジ予想

ポアンカレ予想

リーマン予想

ヤン-ミルズ方程式と質量ギャップ問題

ナビエ-ストークス方程式の解の存在と滑らかさ

バーチスウィンナートン=ダイアー予想 慣性力=圧力+粘性力

20181025

18

20181025 機械工学入門

34 コンピュータの利用

20181025 機械工学入門

35 戦略HPCIプロジェクト

High Performance Computing Infrastructure

20181025

19

20181025 機械工学入門

36 HPCIプロジェクト(自動車関連)

1048708 「自動車用統合空力連成設計システムの研究開発」 自動車まるごと連成解析の実現による車体設計手法の革新

空力車両運動連成

外部音キャビン騒音

エンジンルームキャビン内熱環境解析

1048708 LES非定常空力解析を主体とした設計システム

超マルチ時間スケールLES(実時間で数分) rarr車両運動連成解析

超大規模LES(数十億要素数規模) rarr外部音キャビン騒音解析

超高速RANS(1ケース1分程度) rarr空力熱設計最適化

20181025 機械工学入門

37

5年後になにしているか

沖縄に台風が上陸したときの豊橋の天気は

今日何時に寝るか

技科大の天気と駅前の天気

近い将来や近所のことは

予測ができる

f(x)

コンピュータを使った予測方法

20181025

20

20181025 機械工学入門

38

コンピューターは四則演算しかできない

Sinの微分はなんでしょうかrarrコンピュータにはわからない

x

xvxxv

dx

dv

t

tvttv

dt

dv

)()(

)()(

ちょっと先の結果から現在の結果を引く (時間当たりの変化) 自分の隣の結果と自分自身の結果を引く(空間あたりの変化) 時間当たりの変化を求める

tやxを小さくすると微分と等しくなる微分がわからなくても

計算できる

POINTセルを細かく時間刻みを短くすれば現実に近づく

難しい方程式を簡単に

20181025 機械工学入門

39

計算したい物体の周りを

小さなセルに分割

各セルの将来の値を推定

(物理法則)

物理法則を用いて周囲の

セルの物理量を元に物理

量を計算 繰り返し

計算結果を出力

dt

dvmmaF

物理法則たとえば

コンピューターシミュレーション

20181025

21

40

細かくセルを分割して計算するには高速のコンピュータが必要

自動車の周囲 5mtimes3mtimes15mの空間を計算する

3m

5m 15m

各辺を1mmの格子で分割する2250億の小さなブロックに分割

実際の計算では場所によって大きさを変える車の場合は10億程度

流れの計算をするには10億個の連立方程式を作って計算

rarr気が遠くなる話だけど計算機は単純計算は得意

20181025 機械工学入門

シミュレーションの規模

20181025 機械工学入門

41 格子生成

20181025

22

20181025 機械工学入門

42

By Prof Makoto Tsubokura (Kobe Univ) And Suzuki Ltd

300億メッシュの解析事例(FFred)

20181025 機械工学入門

43

By Prof Makoto Tsubokura (Kobe Univ) And Suzuki Ltd

アニメーション(FrontFlowred)

20181025

23

20181025 機械工学入門

44

並列計算一つのコンピュータでは計算できない問題を

多数のコンピュータで計算

リチャードソン計算職人を6000人集めて天気予報を試みる

光が1秒間に進む距離300000キロメートル

クロック周波数37GHz (1秒間に370000000)

1クロックで光が進む距離8cm 程度

rarr通信速度から現在のコンピュータの速度は限界に近い

一つのパソコンに複数のCPU (インテル6コア)

10億の連立方程式を解くには速いコンピュータが必要

もっと速くもっと大規模に

20181025 機械工学入門

45

スパコンの性能は10年で1000倍 世界最速コンピュータ「京」 2011年6月 世界最高性能 816PFLOPSを達成

PC

コンピューターの性能

FLOPS1秒間あたりの演算回数

20181025

24

20181025 機械工学入門

46

物理法則に対するコンピュータシミュレーションの原理は簡単

ただし膨大な数の連立方程式を解く必要がある

そのためには高速のコンピュータが必要

コンピュータの速度も限界複数のコンピュータで計算するため

通信速度も重要

京に代表されるハイパフォーマンスコンピュータが必要

ソフトウェアや実証試験も重要他国に負けない技術開発

スーパーコンピューターが作れるのは米国と日本だけ

CRY1160MFlops 価格800万ドル

iPhone41GFlops 価格669ドル

コーヒーブレイク

20181025 機械工学入門

47 自動車コンソーシアム

20181025

25

20181025 機械工学入門

48

HPCによる自動車用次世代空力熱設計システムの研究開発

北海道大学 坪倉 誠(リーダー) ①階層的データ構造による超大規模格子作成

統合ユーザーインターフェースの開発

東大生研小野 謙二

②実走行状態における気流車両運動連成空力解析

北海道大学 坪倉 誠広島大学 中島卓司

③空力振動音響連成解析による車室内騒音の予測

豊橋技術科学大学 飯田明由

④エンジンルーム排気管系熱害

東京都市大学 郡 逸平

コンソーシアムの課題内容

20181025 機械工学入門

49

固体伝播

フレーム振動(低周波数) 車体剛性に関連

車体振動(高周波数)車体重量(質量則)構造(コインシデンス) HVAC(特に配管系)冷媒振動音気液2相流

空気伝播

車外空力騒音(比較的高い周波数)音源部位の特定困難

HAVC(ファン騒音)ダクト系の共鳴+広帯域騒音

伝達関数

音 流体力

車内騒音解析の考え方(SEA法)

20181025

26

20181025 機械工学入門

50

音響透過解析(反射回折透過) FrontFlowBlue-ACOUSTICS

振動解析(流体加振構造振動) Adventure

音源解析(物体表面圧力変動空力騒音) FrontFlowBlue

室内音場解析

FrontFlowBlue-ACOUSTICS

流体-音響メッシュ周波数領域

物体表面メッシュ

車内騒音解析手法

1way 連成解析 プログラム連成REVOCAP

20181025 機械工学入門

51

流体ソルバーによる 車外流れの流体解析

構造ソルバーによる 車体の振動解析

bullモックアップモデル

空力rArr構造振動rArr音響の連成解析により車室内の騒音を予測する

音響ソルバーによる 車室内騒音解析

ベンチマークテスト

流体メッシュ 構造メッシュ 流体側圧力分布

構造側圧力分布

REVOCAP_Coupler

によるマッピング

20181025

27

20181025 機械工学入門

52

流体解析空力音に寄与する音のスケール 1mm (10kHz) 境界層内の渦スケール 01 mm

境界層メッシュ解像度 200mm

解析メッシュ 200億要素

振動解析流体解析データを加える振動力とする周波数 10kHz

解析自由度規模 1億自由度

解像度 1mm

解析メッシュ 1000万要素

騒音解析振動解析結果を圧力境界または粒子速度境界 10kHz

解像度 3mm

解析メッシュ 10億要素

解析規模(最終目標)

スズキ MRワゴン

時速100km走行時の車内騒音

20181025 機械工学入門

53

流体解析 構造振動解析 音響解

解析ソフト FFB Ver 81 Adventure Cluster FFB-Acoustics Ver50

解析規模 52億要素 250万要素(1500 万自由度) 3700万要素

解析メッシュ 6面体メッシュ シェル要素(34角形)

ソリッド要素(456面体) 4面体要素

解析時間 京(4096ノード) 22時間1sec

CX1000 (96 コア) 7日6144step

FX10(24ノード) 30時間512周波数

最小メッシュサイズ

01mm 4mm 1mm

最小解像度 渦スケール 1mm 周波数4kHz 最大周波数の波長を20

分割 (4mm)

解析ドメイン 時間領域 時間領域 周波数処理

離散化方法 有限要素法 有限差分法 有限要素法

連成処理

データ

表面圧力変動

壁面加振動力

壁面振動加速度

音響粒子速度

今回の解析規模

20181025

28

20181025 機械工学入門

54 流体解析結果(1)

Cd値 解析0295(実験03)

20181025 機械工学入門

55

3000万要素

52億要素

メッシュ規模の影響 京(4096ノード32768コア)

22時間1sec

8000万要素

20181025

29

20181025 機械工学入門

56 流体解析結果 (2) 圧力変動強度(rms値)

渦度の絶対値

20181022

57 外部音解析

音源項 音源となる渦

流体圧力と音圧

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181025

30

20181022

58

流れ場 音場

車体周りの空力音響解析結果

音場解析事例(50億CFD+8千万CAA)

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181022

59

車体近傍には擬似音場が形成される

疑似音波が車内音に及ぼす影響が重要

擬似音場(圧力場)

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181025

31

20181025 機械工学入門

60

378Hz 638Hz

513Hz

38Hz 68Hz

52Hz 91Hz 赤字の値実験値

900Hz

リアドアガラス

ルーフ

モード解析結果

20181025 機械工学入門

61 振動解析結果(2) CX1000 (96 コア)

7日6144step

20181025

32

20181025 機械工学入門

62

要素数37089746

節点数 6738591

Tetrahedral Mesh

完全自動メッシュ

平均メッシュサイズ 4mm

4kHzの波長(85mm)を20分割

車内騒音解析

20181025 機械工学入門

63 車内騒音解析結果(1)

車体周りの流れに起因する車内騒音解析結果(100Hz)

注意外部流れは速度場の瞬時値室内音は平均音圧分布のため車外と室内の解析結果は時間的には同期していない点に注意

20181025

33

20181025 機械工学入門

64 車内騒音解析結果(2)

20181025 機械工学入門

65 車内騒音解析結果(3)

車外渦度場内部音響粒子速度ベクトル

20181025

34

20181025 機械工学入門

66 車内騒音解析結果(4)

圧力分布(実部)

20181025 機械工学入門

67

200Hz

125Hz

315Hz

613Hz

400Hz

800Hz

2000Hz

1000Hz

4000Hz

200Hz 1000Hz

車内騒音解析結果(5) FX10(24ノードtimes6 2304コア) 30時間512周波数

20181025

35

20181025 機械工学入門

68 解析結果の定量的な評価(2)

20181025 機械工学入門

69

洋上ウィンドファーム周りの流れ

翼周り流れに対する主流乱の影響 空力構造連成

格子点数1兆規模

ウィンドファームの開発(2015年から)

20181025

36

20181025 機械工学入門

70 風車回りの流れの計算結果

20181025 機械工学入門

71

httpaerometutacjp

iidametutacjp

自然エネルギー変換科学研究室

Page 9: 機械工学入門(流体力学) 0aero.me.tut.ac.jp/Lectures/Intro/intro2018.pdf2018/10/25 1 機械工学入門 2018/10/25 自然エネルギー変換科学研究室 飯田明由

20181025

9

20181025 機械工学入門

16 PIV計測技術の開発

20181025 機械工学入門

17

110 mm

Paper wing

30 mm

トンボの羽ばたき運動と飛行性能を実験的に調べ羽ばたき型飛行ロボットを開発

飛行するトンボの周りの流れ

トンボの飛翔に関する研究

20181025

10

20181025 機械工学入門

18

廃熱によって音波を発生 熱音響冷凍機の駆動源

管内の音響共鳴周波数を利用したスターリングエンジン

熱音響冷凍機

熱音響エンジン

熱音響冷凍機の開発

20181025 機械工学入門

19

風車周りのLES解析流れ

風車の開発

20181025

11

自動車車外騒音予測

20181025 機械工学入門

20

フロントグリル

キャビティサンルーフ

20181025 機械工学入門

21 自動車の開発と技術分野 エンジン自動車開発の花形自動車のかなめ

熱力学燃焼工学材料力学

シャーシ安全性居住性スタイル

構造力学材料力学破壊力学振動工学

サスペンション車体の安定走行乗り心地

振動工学構造工学材料力学

タイヤ ニューマッチクタイヤの開発(ミシュラン) 材料(物性)振動工学構造工学

エアロダイナミックス車体に作用する流体力(省エネ高速化) 流体力学

電子制御安全工学人間工学デザイン工学etc

世界初のエアロダイナミックマシン

メルセデスW25

平均速度260kmh(1935年)

20181025

12

20181025 機械工学入門

22 自動車はどのようにして走るか

20181025 機械工学入門

23 ニュートンの運動方程式と摩擦力

ニュートンの運動方程式

F=ma

力は質量と加速度に比例する

同じ力でものを加速させる場合軽いものほど加速させやすい

rarr車を加速させるには軽いほうが良い

摩擦力

F=mW=mmg

摩擦力は摩擦係数と物体の重量に比例する

重量が重いほど摩擦力は大きくなる

rarr タイヤの力を路面に伝えるには重いほうが良い

軽いけれど摩擦力が大きくなるようにする必要がある

rarr 空気の力を利用する

20181025

13

20181025 機械工学入門

24 空気抵抗とは 雨粒の落下速度と空気抵抗

h=1000m

ghv

mghmv

vh

mghmmgmv

mghmv

2

2

1

00

02

10

2

1

2

1

2

22

2

   上空地上

一定

)45014010008192 kmsmv  (時速

実際には空気抵抗があるので1ms~5ms程度

(重力)mg

(空気抵抗)Av2

2

1

(浮力)Vg

V=

20181025 機械工学入門

25

20kmh

転がり抵抗55 空気抵抗45

30kmh

転がり抵抗 30 空気抵抗70

自転車のドラフティング

後ろの人は楽(60 ~70)

坂道 勾配5 10kmh

登坂抵抗 80 転がり抵抗13

自転車に作用する力

空気抵抗

伝達損失

(小さい)

mg(重力)

登坂抵抗

ころがり抵抗

(摩擦)

20181025

14

20181025 機械工学入門

26 自動車の空気抵抗

空気抵抗係数Cd 自動車を走行が空気によってどれだけ妨げられるかを表したもの空気抵抗は速度の2乗に比例するため高速になればなるほど問題となる

][

][

][

2

1

2

3

2

mA

smU

mkg

Cd

AUCdD

前面投影面積

速度

空気密度

空気抵抗係数

20181025 機械工学入門

27 空気抵抗と燃費

Cd=026rarr02 燃費10改善

20181025

15

20181025 機械工学入門

28 何故抵抗が生じるのか

物体の後ろには渦ができる

(渦の中心は圧力が低くなる)

2

2

P

物体の前側は速度がゼロになる(運動量が変化する) 力が作用する(運動量保存則)

20181025 機械工学入門

29 風洞実験

人工的に風を作り

車などの性質を調べる装置

20181025

16

20181025 機械工学入門

30

車を走らせる代わりに風洞内で風を流して

車の周りの空気の流れを調べる

自動車開発への応用

20181025 機械工学入門

31 流体力の計測方法

20181025

17

20181025 機械工学入門

32

模型なのでいろいろと

試すことができる

模型実験の利点

20181025 機械工学入門

33 ナビエストークスの式

流体は粘々しているせん断応力

流体を速く動かそうとすると粘り気による力が働く

ニュートンの式に流体の性質である圧力

と粘り気による力の項を加えた式を考える

z

w

y

v

x

u

x

uw

yv

xu

tDt

D

gradgradpDt

D

vFv

2

3

11

m

m

ミレニアム懸賞問題

PneNP予想

ホッジ予想

ポアンカレ予想

リーマン予想

ヤン-ミルズ方程式と質量ギャップ問題

ナビエ-ストークス方程式の解の存在と滑らかさ

バーチスウィンナートン=ダイアー予想 慣性力=圧力+粘性力

20181025

18

20181025 機械工学入門

34 コンピュータの利用

20181025 機械工学入門

35 戦略HPCIプロジェクト

High Performance Computing Infrastructure

20181025

19

20181025 機械工学入門

36 HPCIプロジェクト(自動車関連)

1048708 「自動車用統合空力連成設計システムの研究開発」 自動車まるごと連成解析の実現による車体設計手法の革新

空力車両運動連成

外部音キャビン騒音

エンジンルームキャビン内熱環境解析

1048708 LES非定常空力解析を主体とした設計システム

超マルチ時間スケールLES(実時間で数分) rarr車両運動連成解析

超大規模LES(数十億要素数規模) rarr外部音キャビン騒音解析

超高速RANS(1ケース1分程度) rarr空力熱設計最適化

20181025 機械工学入門

37

5年後になにしているか

沖縄に台風が上陸したときの豊橋の天気は

今日何時に寝るか

技科大の天気と駅前の天気

近い将来や近所のことは

予測ができる

f(x)

コンピュータを使った予測方法

20181025

20

20181025 機械工学入門

38

コンピューターは四則演算しかできない

Sinの微分はなんでしょうかrarrコンピュータにはわからない

x

xvxxv

dx

dv

t

tvttv

dt

dv

)()(

)()(

ちょっと先の結果から現在の結果を引く (時間当たりの変化) 自分の隣の結果と自分自身の結果を引く(空間あたりの変化) 時間当たりの変化を求める

tやxを小さくすると微分と等しくなる微分がわからなくても

計算できる

POINTセルを細かく時間刻みを短くすれば現実に近づく

難しい方程式を簡単に

20181025 機械工学入門

39

計算したい物体の周りを

小さなセルに分割

各セルの将来の値を推定

(物理法則)

物理法則を用いて周囲の

セルの物理量を元に物理

量を計算 繰り返し

計算結果を出力

dt

dvmmaF

物理法則たとえば

コンピューターシミュレーション

20181025

21

40

細かくセルを分割して計算するには高速のコンピュータが必要

自動車の周囲 5mtimes3mtimes15mの空間を計算する

3m

5m 15m

各辺を1mmの格子で分割する2250億の小さなブロックに分割

実際の計算では場所によって大きさを変える車の場合は10億程度

流れの計算をするには10億個の連立方程式を作って計算

rarr気が遠くなる話だけど計算機は単純計算は得意

20181025 機械工学入門

シミュレーションの規模

20181025 機械工学入門

41 格子生成

20181025

22

20181025 機械工学入門

42

By Prof Makoto Tsubokura (Kobe Univ) And Suzuki Ltd

300億メッシュの解析事例(FFred)

20181025 機械工学入門

43

By Prof Makoto Tsubokura (Kobe Univ) And Suzuki Ltd

アニメーション(FrontFlowred)

20181025

23

20181025 機械工学入門

44

並列計算一つのコンピュータでは計算できない問題を

多数のコンピュータで計算

リチャードソン計算職人を6000人集めて天気予報を試みる

光が1秒間に進む距離300000キロメートル

クロック周波数37GHz (1秒間に370000000)

1クロックで光が進む距離8cm 程度

rarr通信速度から現在のコンピュータの速度は限界に近い

一つのパソコンに複数のCPU (インテル6コア)

10億の連立方程式を解くには速いコンピュータが必要

もっと速くもっと大規模に

20181025 機械工学入門

45

スパコンの性能は10年で1000倍 世界最速コンピュータ「京」 2011年6月 世界最高性能 816PFLOPSを達成

PC

コンピューターの性能

FLOPS1秒間あたりの演算回数

20181025

24

20181025 機械工学入門

46

物理法則に対するコンピュータシミュレーションの原理は簡単

ただし膨大な数の連立方程式を解く必要がある

そのためには高速のコンピュータが必要

コンピュータの速度も限界複数のコンピュータで計算するため

通信速度も重要

京に代表されるハイパフォーマンスコンピュータが必要

ソフトウェアや実証試験も重要他国に負けない技術開発

スーパーコンピューターが作れるのは米国と日本だけ

CRY1160MFlops 価格800万ドル

iPhone41GFlops 価格669ドル

コーヒーブレイク

20181025 機械工学入門

47 自動車コンソーシアム

20181025

25

20181025 機械工学入門

48

HPCによる自動車用次世代空力熱設計システムの研究開発

北海道大学 坪倉 誠(リーダー) ①階層的データ構造による超大規模格子作成

統合ユーザーインターフェースの開発

東大生研小野 謙二

②実走行状態における気流車両運動連成空力解析

北海道大学 坪倉 誠広島大学 中島卓司

③空力振動音響連成解析による車室内騒音の予測

豊橋技術科学大学 飯田明由

④エンジンルーム排気管系熱害

東京都市大学 郡 逸平

コンソーシアムの課題内容

20181025 機械工学入門

49

固体伝播

フレーム振動(低周波数) 車体剛性に関連

車体振動(高周波数)車体重量(質量則)構造(コインシデンス) HVAC(特に配管系)冷媒振動音気液2相流

空気伝播

車外空力騒音(比較的高い周波数)音源部位の特定困難

HAVC(ファン騒音)ダクト系の共鳴+広帯域騒音

伝達関数

音 流体力

車内騒音解析の考え方(SEA法)

20181025

26

20181025 機械工学入門

50

音響透過解析(反射回折透過) FrontFlowBlue-ACOUSTICS

振動解析(流体加振構造振動) Adventure

音源解析(物体表面圧力変動空力騒音) FrontFlowBlue

室内音場解析

FrontFlowBlue-ACOUSTICS

流体-音響メッシュ周波数領域

物体表面メッシュ

車内騒音解析手法

1way 連成解析 プログラム連成REVOCAP

20181025 機械工学入門

51

流体ソルバーによる 車外流れの流体解析

構造ソルバーによる 車体の振動解析

bullモックアップモデル

空力rArr構造振動rArr音響の連成解析により車室内の騒音を予測する

音響ソルバーによる 車室内騒音解析

ベンチマークテスト

流体メッシュ 構造メッシュ 流体側圧力分布

構造側圧力分布

REVOCAP_Coupler

によるマッピング

20181025

27

20181025 機械工学入門

52

流体解析空力音に寄与する音のスケール 1mm (10kHz) 境界層内の渦スケール 01 mm

境界層メッシュ解像度 200mm

解析メッシュ 200億要素

振動解析流体解析データを加える振動力とする周波数 10kHz

解析自由度規模 1億自由度

解像度 1mm

解析メッシュ 1000万要素

騒音解析振動解析結果を圧力境界または粒子速度境界 10kHz

解像度 3mm

解析メッシュ 10億要素

解析規模(最終目標)

スズキ MRワゴン

時速100km走行時の車内騒音

20181025 機械工学入門

53

流体解析 構造振動解析 音響解

解析ソフト FFB Ver 81 Adventure Cluster FFB-Acoustics Ver50

解析規模 52億要素 250万要素(1500 万自由度) 3700万要素

解析メッシュ 6面体メッシュ シェル要素(34角形)

ソリッド要素(456面体) 4面体要素

解析時間 京(4096ノード) 22時間1sec

CX1000 (96 コア) 7日6144step

FX10(24ノード) 30時間512周波数

最小メッシュサイズ

01mm 4mm 1mm

最小解像度 渦スケール 1mm 周波数4kHz 最大周波数の波長を20

分割 (4mm)

解析ドメイン 時間領域 時間領域 周波数処理

離散化方法 有限要素法 有限差分法 有限要素法

連成処理

データ

表面圧力変動

壁面加振動力

壁面振動加速度

音響粒子速度

今回の解析規模

20181025

28

20181025 機械工学入門

54 流体解析結果(1)

Cd値 解析0295(実験03)

20181025 機械工学入門

55

3000万要素

52億要素

メッシュ規模の影響 京(4096ノード32768コア)

22時間1sec

8000万要素

20181025

29

20181025 機械工学入門

56 流体解析結果 (2) 圧力変動強度(rms値)

渦度の絶対値

20181022

57 外部音解析

音源項 音源となる渦

流体圧力と音圧

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181025

30

20181022

58

流れ場 音場

車体周りの空力音響解析結果

音場解析事例(50億CFD+8千万CAA)

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181022

59

車体近傍には擬似音場が形成される

疑似音波が車内音に及ぼす影響が重要

擬似音場(圧力場)

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181025

31

20181025 機械工学入門

60

378Hz 638Hz

513Hz

38Hz 68Hz

52Hz 91Hz 赤字の値実験値

900Hz

リアドアガラス

ルーフ

モード解析結果

20181025 機械工学入門

61 振動解析結果(2) CX1000 (96 コア)

7日6144step

20181025

32

20181025 機械工学入門

62

要素数37089746

節点数 6738591

Tetrahedral Mesh

完全自動メッシュ

平均メッシュサイズ 4mm

4kHzの波長(85mm)を20分割

車内騒音解析

20181025 機械工学入門

63 車内騒音解析結果(1)

車体周りの流れに起因する車内騒音解析結果(100Hz)

注意外部流れは速度場の瞬時値室内音は平均音圧分布のため車外と室内の解析結果は時間的には同期していない点に注意

20181025

33

20181025 機械工学入門

64 車内騒音解析結果(2)

20181025 機械工学入門

65 車内騒音解析結果(3)

車外渦度場内部音響粒子速度ベクトル

20181025

34

20181025 機械工学入門

66 車内騒音解析結果(4)

圧力分布(実部)

20181025 機械工学入門

67

200Hz

125Hz

315Hz

613Hz

400Hz

800Hz

2000Hz

1000Hz

4000Hz

200Hz 1000Hz

車内騒音解析結果(5) FX10(24ノードtimes6 2304コア) 30時間512周波数

20181025

35

20181025 機械工学入門

68 解析結果の定量的な評価(2)

20181025 機械工学入門

69

洋上ウィンドファーム周りの流れ

翼周り流れに対する主流乱の影響 空力構造連成

格子点数1兆規模

ウィンドファームの開発(2015年から)

20181025

36

20181025 機械工学入門

70 風車回りの流れの計算結果

20181025 機械工学入門

71

httpaerometutacjp

iidametutacjp

自然エネルギー変換科学研究室

Page 10: 機械工学入門(流体力学) 0aero.me.tut.ac.jp/Lectures/Intro/intro2018.pdf2018/10/25 1 機械工学入門 2018/10/25 自然エネルギー変換科学研究室 飯田明由

20181025

10

20181025 機械工学入門

18

廃熱によって音波を発生 熱音響冷凍機の駆動源

管内の音響共鳴周波数を利用したスターリングエンジン

熱音響冷凍機

熱音響エンジン

熱音響冷凍機の開発

20181025 機械工学入門

19

風車周りのLES解析流れ

風車の開発

20181025

11

自動車車外騒音予測

20181025 機械工学入門

20

フロントグリル

キャビティサンルーフ

20181025 機械工学入門

21 自動車の開発と技術分野 エンジン自動車開発の花形自動車のかなめ

熱力学燃焼工学材料力学

シャーシ安全性居住性スタイル

構造力学材料力学破壊力学振動工学

サスペンション車体の安定走行乗り心地

振動工学構造工学材料力学

タイヤ ニューマッチクタイヤの開発(ミシュラン) 材料(物性)振動工学構造工学

エアロダイナミックス車体に作用する流体力(省エネ高速化) 流体力学

電子制御安全工学人間工学デザイン工学etc

世界初のエアロダイナミックマシン

メルセデスW25

平均速度260kmh(1935年)

20181025

12

20181025 機械工学入門

22 自動車はどのようにして走るか

20181025 機械工学入門

23 ニュートンの運動方程式と摩擦力

ニュートンの運動方程式

F=ma

力は質量と加速度に比例する

同じ力でものを加速させる場合軽いものほど加速させやすい

rarr車を加速させるには軽いほうが良い

摩擦力

F=mW=mmg

摩擦力は摩擦係数と物体の重量に比例する

重量が重いほど摩擦力は大きくなる

rarr タイヤの力を路面に伝えるには重いほうが良い

軽いけれど摩擦力が大きくなるようにする必要がある

rarr 空気の力を利用する

20181025

13

20181025 機械工学入門

24 空気抵抗とは 雨粒の落下速度と空気抵抗

h=1000m

ghv

mghmv

vh

mghmmgmv

mghmv

2

2

1

00

02

10

2

1

2

1

2

22

2

   上空地上

一定

)45014010008192 kmsmv  (時速

実際には空気抵抗があるので1ms~5ms程度

(重力)mg

(空気抵抗)Av2

2

1

(浮力)Vg

V=

20181025 機械工学入門

25

20kmh

転がり抵抗55 空気抵抗45

30kmh

転がり抵抗 30 空気抵抗70

自転車のドラフティング

後ろの人は楽(60 ~70)

坂道 勾配5 10kmh

登坂抵抗 80 転がり抵抗13

自転車に作用する力

空気抵抗

伝達損失

(小さい)

mg(重力)

登坂抵抗

ころがり抵抗

(摩擦)

20181025

14

20181025 機械工学入門

26 自動車の空気抵抗

空気抵抗係数Cd 自動車を走行が空気によってどれだけ妨げられるかを表したもの空気抵抗は速度の2乗に比例するため高速になればなるほど問題となる

][

][

][

2

1

2

3

2

mA

smU

mkg

Cd

AUCdD

前面投影面積

速度

空気密度

空気抵抗係数

20181025 機械工学入門

27 空気抵抗と燃費

Cd=026rarr02 燃費10改善

20181025

15

20181025 機械工学入門

28 何故抵抗が生じるのか

物体の後ろには渦ができる

(渦の中心は圧力が低くなる)

2

2

P

物体の前側は速度がゼロになる(運動量が変化する) 力が作用する(運動量保存則)

20181025 機械工学入門

29 風洞実験

人工的に風を作り

車などの性質を調べる装置

20181025

16

20181025 機械工学入門

30

車を走らせる代わりに風洞内で風を流して

車の周りの空気の流れを調べる

自動車開発への応用

20181025 機械工学入門

31 流体力の計測方法

20181025

17

20181025 機械工学入門

32

模型なのでいろいろと

試すことができる

模型実験の利点

20181025 機械工学入門

33 ナビエストークスの式

流体は粘々しているせん断応力

流体を速く動かそうとすると粘り気による力が働く

ニュートンの式に流体の性質である圧力

と粘り気による力の項を加えた式を考える

z

w

y

v

x

u

x

uw

yv

xu

tDt

D

gradgradpDt

D

vFv

2

3

11

m

m

ミレニアム懸賞問題

PneNP予想

ホッジ予想

ポアンカレ予想

リーマン予想

ヤン-ミルズ方程式と質量ギャップ問題

ナビエ-ストークス方程式の解の存在と滑らかさ

バーチスウィンナートン=ダイアー予想 慣性力=圧力+粘性力

20181025

18

20181025 機械工学入門

34 コンピュータの利用

20181025 機械工学入門

35 戦略HPCIプロジェクト

High Performance Computing Infrastructure

20181025

19

20181025 機械工学入門

36 HPCIプロジェクト(自動車関連)

1048708 「自動車用統合空力連成設計システムの研究開発」 自動車まるごと連成解析の実現による車体設計手法の革新

空力車両運動連成

外部音キャビン騒音

エンジンルームキャビン内熱環境解析

1048708 LES非定常空力解析を主体とした設計システム

超マルチ時間スケールLES(実時間で数分) rarr車両運動連成解析

超大規模LES(数十億要素数規模) rarr外部音キャビン騒音解析

超高速RANS(1ケース1分程度) rarr空力熱設計最適化

20181025 機械工学入門

37

5年後になにしているか

沖縄に台風が上陸したときの豊橋の天気は

今日何時に寝るか

技科大の天気と駅前の天気

近い将来や近所のことは

予測ができる

f(x)

コンピュータを使った予測方法

20181025

20

20181025 機械工学入門

38

コンピューターは四則演算しかできない

Sinの微分はなんでしょうかrarrコンピュータにはわからない

x

xvxxv

dx

dv

t

tvttv

dt

dv

)()(

)()(

ちょっと先の結果から現在の結果を引く (時間当たりの変化) 自分の隣の結果と自分自身の結果を引く(空間あたりの変化) 時間当たりの変化を求める

tやxを小さくすると微分と等しくなる微分がわからなくても

計算できる

POINTセルを細かく時間刻みを短くすれば現実に近づく

難しい方程式を簡単に

20181025 機械工学入門

39

計算したい物体の周りを

小さなセルに分割

各セルの将来の値を推定

(物理法則)

物理法則を用いて周囲の

セルの物理量を元に物理

量を計算 繰り返し

計算結果を出力

dt

dvmmaF

物理法則たとえば

コンピューターシミュレーション

20181025

21

40

細かくセルを分割して計算するには高速のコンピュータが必要

自動車の周囲 5mtimes3mtimes15mの空間を計算する

3m

5m 15m

各辺を1mmの格子で分割する2250億の小さなブロックに分割

実際の計算では場所によって大きさを変える車の場合は10億程度

流れの計算をするには10億個の連立方程式を作って計算

rarr気が遠くなる話だけど計算機は単純計算は得意

20181025 機械工学入門

シミュレーションの規模

20181025 機械工学入門

41 格子生成

20181025

22

20181025 機械工学入門

42

By Prof Makoto Tsubokura (Kobe Univ) And Suzuki Ltd

300億メッシュの解析事例(FFred)

20181025 機械工学入門

43

By Prof Makoto Tsubokura (Kobe Univ) And Suzuki Ltd

アニメーション(FrontFlowred)

20181025

23

20181025 機械工学入門

44

並列計算一つのコンピュータでは計算できない問題を

多数のコンピュータで計算

リチャードソン計算職人を6000人集めて天気予報を試みる

光が1秒間に進む距離300000キロメートル

クロック周波数37GHz (1秒間に370000000)

1クロックで光が進む距離8cm 程度

rarr通信速度から現在のコンピュータの速度は限界に近い

一つのパソコンに複数のCPU (インテル6コア)

10億の連立方程式を解くには速いコンピュータが必要

もっと速くもっと大規模に

20181025 機械工学入門

45

スパコンの性能は10年で1000倍 世界最速コンピュータ「京」 2011年6月 世界最高性能 816PFLOPSを達成

PC

コンピューターの性能

FLOPS1秒間あたりの演算回数

20181025

24

20181025 機械工学入門

46

物理法則に対するコンピュータシミュレーションの原理は簡単

ただし膨大な数の連立方程式を解く必要がある

そのためには高速のコンピュータが必要

コンピュータの速度も限界複数のコンピュータで計算するため

通信速度も重要

京に代表されるハイパフォーマンスコンピュータが必要

ソフトウェアや実証試験も重要他国に負けない技術開発

スーパーコンピューターが作れるのは米国と日本だけ

CRY1160MFlops 価格800万ドル

iPhone41GFlops 価格669ドル

コーヒーブレイク

20181025 機械工学入門

47 自動車コンソーシアム

20181025

25

20181025 機械工学入門

48

HPCによる自動車用次世代空力熱設計システムの研究開発

北海道大学 坪倉 誠(リーダー) ①階層的データ構造による超大規模格子作成

統合ユーザーインターフェースの開発

東大生研小野 謙二

②実走行状態における気流車両運動連成空力解析

北海道大学 坪倉 誠広島大学 中島卓司

③空力振動音響連成解析による車室内騒音の予測

豊橋技術科学大学 飯田明由

④エンジンルーム排気管系熱害

東京都市大学 郡 逸平

コンソーシアムの課題内容

20181025 機械工学入門

49

固体伝播

フレーム振動(低周波数) 車体剛性に関連

車体振動(高周波数)車体重量(質量則)構造(コインシデンス) HVAC(特に配管系)冷媒振動音気液2相流

空気伝播

車外空力騒音(比較的高い周波数)音源部位の特定困難

HAVC(ファン騒音)ダクト系の共鳴+広帯域騒音

伝達関数

音 流体力

車内騒音解析の考え方(SEA法)

20181025

26

20181025 機械工学入門

50

音響透過解析(反射回折透過) FrontFlowBlue-ACOUSTICS

振動解析(流体加振構造振動) Adventure

音源解析(物体表面圧力変動空力騒音) FrontFlowBlue

室内音場解析

FrontFlowBlue-ACOUSTICS

流体-音響メッシュ周波数領域

物体表面メッシュ

車内騒音解析手法

1way 連成解析 プログラム連成REVOCAP

20181025 機械工学入門

51

流体ソルバーによる 車外流れの流体解析

構造ソルバーによる 車体の振動解析

bullモックアップモデル

空力rArr構造振動rArr音響の連成解析により車室内の騒音を予測する

音響ソルバーによる 車室内騒音解析

ベンチマークテスト

流体メッシュ 構造メッシュ 流体側圧力分布

構造側圧力分布

REVOCAP_Coupler

によるマッピング

20181025

27

20181025 機械工学入門

52

流体解析空力音に寄与する音のスケール 1mm (10kHz) 境界層内の渦スケール 01 mm

境界層メッシュ解像度 200mm

解析メッシュ 200億要素

振動解析流体解析データを加える振動力とする周波数 10kHz

解析自由度規模 1億自由度

解像度 1mm

解析メッシュ 1000万要素

騒音解析振動解析結果を圧力境界または粒子速度境界 10kHz

解像度 3mm

解析メッシュ 10億要素

解析規模(最終目標)

スズキ MRワゴン

時速100km走行時の車内騒音

20181025 機械工学入門

53

流体解析 構造振動解析 音響解

解析ソフト FFB Ver 81 Adventure Cluster FFB-Acoustics Ver50

解析規模 52億要素 250万要素(1500 万自由度) 3700万要素

解析メッシュ 6面体メッシュ シェル要素(34角形)

ソリッド要素(456面体) 4面体要素

解析時間 京(4096ノード) 22時間1sec

CX1000 (96 コア) 7日6144step

FX10(24ノード) 30時間512周波数

最小メッシュサイズ

01mm 4mm 1mm

最小解像度 渦スケール 1mm 周波数4kHz 最大周波数の波長を20

分割 (4mm)

解析ドメイン 時間領域 時間領域 周波数処理

離散化方法 有限要素法 有限差分法 有限要素法

連成処理

データ

表面圧力変動

壁面加振動力

壁面振動加速度

音響粒子速度

今回の解析規模

20181025

28

20181025 機械工学入門

54 流体解析結果(1)

Cd値 解析0295(実験03)

20181025 機械工学入門

55

3000万要素

52億要素

メッシュ規模の影響 京(4096ノード32768コア)

22時間1sec

8000万要素

20181025

29

20181025 機械工学入門

56 流体解析結果 (2) 圧力変動強度(rms値)

渦度の絶対値

20181022

57 外部音解析

音源項 音源となる渦

流体圧力と音圧

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181025

30

20181022

58

流れ場 音場

車体周りの空力音響解析結果

音場解析事例(50億CFD+8千万CAA)

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181022

59

車体近傍には擬似音場が形成される

疑似音波が車内音に及ぼす影響が重要

擬似音場(圧力場)

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181025

31

20181025 機械工学入門

60

378Hz 638Hz

513Hz

38Hz 68Hz

52Hz 91Hz 赤字の値実験値

900Hz

リアドアガラス

ルーフ

モード解析結果

20181025 機械工学入門

61 振動解析結果(2) CX1000 (96 コア)

7日6144step

20181025

32

20181025 機械工学入門

62

要素数37089746

節点数 6738591

Tetrahedral Mesh

完全自動メッシュ

平均メッシュサイズ 4mm

4kHzの波長(85mm)を20分割

車内騒音解析

20181025 機械工学入門

63 車内騒音解析結果(1)

車体周りの流れに起因する車内騒音解析結果(100Hz)

注意外部流れは速度場の瞬時値室内音は平均音圧分布のため車外と室内の解析結果は時間的には同期していない点に注意

20181025

33

20181025 機械工学入門

64 車内騒音解析結果(2)

20181025 機械工学入門

65 車内騒音解析結果(3)

車外渦度場内部音響粒子速度ベクトル

20181025

34

20181025 機械工学入門

66 車内騒音解析結果(4)

圧力分布(実部)

20181025 機械工学入門

67

200Hz

125Hz

315Hz

613Hz

400Hz

800Hz

2000Hz

1000Hz

4000Hz

200Hz 1000Hz

車内騒音解析結果(5) FX10(24ノードtimes6 2304コア) 30時間512周波数

20181025

35

20181025 機械工学入門

68 解析結果の定量的な評価(2)

20181025 機械工学入門

69

洋上ウィンドファーム周りの流れ

翼周り流れに対する主流乱の影響 空力構造連成

格子点数1兆規模

ウィンドファームの開発(2015年から)

20181025

36

20181025 機械工学入門

70 風車回りの流れの計算結果

20181025 機械工学入門

71

httpaerometutacjp

iidametutacjp

自然エネルギー変換科学研究室

Page 11: 機械工学入門(流体力学) 0aero.me.tut.ac.jp/Lectures/Intro/intro2018.pdf2018/10/25 1 機械工学入門 2018/10/25 自然エネルギー変換科学研究室 飯田明由

20181025

11

自動車車外騒音予測

20181025 機械工学入門

20

フロントグリル

キャビティサンルーフ

20181025 機械工学入門

21 自動車の開発と技術分野 エンジン自動車開発の花形自動車のかなめ

熱力学燃焼工学材料力学

シャーシ安全性居住性スタイル

構造力学材料力学破壊力学振動工学

サスペンション車体の安定走行乗り心地

振動工学構造工学材料力学

タイヤ ニューマッチクタイヤの開発(ミシュラン) 材料(物性)振動工学構造工学

エアロダイナミックス車体に作用する流体力(省エネ高速化) 流体力学

電子制御安全工学人間工学デザイン工学etc

世界初のエアロダイナミックマシン

メルセデスW25

平均速度260kmh(1935年)

20181025

12

20181025 機械工学入門

22 自動車はどのようにして走るか

20181025 機械工学入門

23 ニュートンの運動方程式と摩擦力

ニュートンの運動方程式

F=ma

力は質量と加速度に比例する

同じ力でものを加速させる場合軽いものほど加速させやすい

rarr車を加速させるには軽いほうが良い

摩擦力

F=mW=mmg

摩擦力は摩擦係数と物体の重量に比例する

重量が重いほど摩擦力は大きくなる

rarr タイヤの力を路面に伝えるには重いほうが良い

軽いけれど摩擦力が大きくなるようにする必要がある

rarr 空気の力を利用する

20181025

13

20181025 機械工学入門

24 空気抵抗とは 雨粒の落下速度と空気抵抗

h=1000m

ghv

mghmv

vh

mghmmgmv

mghmv

2

2

1

00

02

10

2

1

2

1

2

22

2

   上空地上

一定

)45014010008192 kmsmv  (時速

実際には空気抵抗があるので1ms~5ms程度

(重力)mg

(空気抵抗)Av2

2

1

(浮力)Vg

V=

20181025 機械工学入門

25

20kmh

転がり抵抗55 空気抵抗45

30kmh

転がり抵抗 30 空気抵抗70

自転車のドラフティング

後ろの人は楽(60 ~70)

坂道 勾配5 10kmh

登坂抵抗 80 転がり抵抗13

自転車に作用する力

空気抵抗

伝達損失

(小さい)

mg(重力)

登坂抵抗

ころがり抵抗

(摩擦)

20181025

14

20181025 機械工学入門

26 自動車の空気抵抗

空気抵抗係数Cd 自動車を走行が空気によってどれだけ妨げられるかを表したもの空気抵抗は速度の2乗に比例するため高速になればなるほど問題となる

][

][

][

2

1

2

3

2

mA

smU

mkg

Cd

AUCdD

前面投影面積

速度

空気密度

空気抵抗係数

20181025 機械工学入門

27 空気抵抗と燃費

Cd=026rarr02 燃費10改善

20181025

15

20181025 機械工学入門

28 何故抵抗が生じるのか

物体の後ろには渦ができる

(渦の中心は圧力が低くなる)

2

2

P

物体の前側は速度がゼロになる(運動量が変化する) 力が作用する(運動量保存則)

20181025 機械工学入門

29 風洞実験

人工的に風を作り

車などの性質を調べる装置

20181025

16

20181025 機械工学入門

30

車を走らせる代わりに風洞内で風を流して

車の周りの空気の流れを調べる

自動車開発への応用

20181025 機械工学入門

31 流体力の計測方法

20181025

17

20181025 機械工学入門

32

模型なのでいろいろと

試すことができる

模型実験の利点

20181025 機械工学入門

33 ナビエストークスの式

流体は粘々しているせん断応力

流体を速く動かそうとすると粘り気による力が働く

ニュートンの式に流体の性質である圧力

と粘り気による力の項を加えた式を考える

z

w

y

v

x

u

x

uw

yv

xu

tDt

D

gradgradpDt

D

vFv

2

3

11

m

m

ミレニアム懸賞問題

PneNP予想

ホッジ予想

ポアンカレ予想

リーマン予想

ヤン-ミルズ方程式と質量ギャップ問題

ナビエ-ストークス方程式の解の存在と滑らかさ

バーチスウィンナートン=ダイアー予想 慣性力=圧力+粘性力

20181025

18

20181025 機械工学入門

34 コンピュータの利用

20181025 機械工学入門

35 戦略HPCIプロジェクト

High Performance Computing Infrastructure

20181025

19

20181025 機械工学入門

36 HPCIプロジェクト(自動車関連)

1048708 「自動車用統合空力連成設計システムの研究開発」 自動車まるごと連成解析の実現による車体設計手法の革新

空力車両運動連成

外部音キャビン騒音

エンジンルームキャビン内熱環境解析

1048708 LES非定常空力解析を主体とした設計システム

超マルチ時間スケールLES(実時間で数分) rarr車両運動連成解析

超大規模LES(数十億要素数規模) rarr外部音キャビン騒音解析

超高速RANS(1ケース1分程度) rarr空力熱設計最適化

20181025 機械工学入門

37

5年後になにしているか

沖縄に台風が上陸したときの豊橋の天気は

今日何時に寝るか

技科大の天気と駅前の天気

近い将来や近所のことは

予測ができる

f(x)

コンピュータを使った予測方法

20181025

20

20181025 機械工学入門

38

コンピューターは四則演算しかできない

Sinの微分はなんでしょうかrarrコンピュータにはわからない

x

xvxxv

dx

dv

t

tvttv

dt

dv

)()(

)()(

ちょっと先の結果から現在の結果を引く (時間当たりの変化) 自分の隣の結果と自分自身の結果を引く(空間あたりの変化) 時間当たりの変化を求める

tやxを小さくすると微分と等しくなる微分がわからなくても

計算できる

POINTセルを細かく時間刻みを短くすれば現実に近づく

難しい方程式を簡単に

20181025 機械工学入門

39

計算したい物体の周りを

小さなセルに分割

各セルの将来の値を推定

(物理法則)

物理法則を用いて周囲の

セルの物理量を元に物理

量を計算 繰り返し

計算結果を出力

dt

dvmmaF

物理法則たとえば

コンピューターシミュレーション

20181025

21

40

細かくセルを分割して計算するには高速のコンピュータが必要

自動車の周囲 5mtimes3mtimes15mの空間を計算する

3m

5m 15m

各辺を1mmの格子で分割する2250億の小さなブロックに分割

実際の計算では場所によって大きさを変える車の場合は10億程度

流れの計算をするには10億個の連立方程式を作って計算

rarr気が遠くなる話だけど計算機は単純計算は得意

20181025 機械工学入門

シミュレーションの規模

20181025 機械工学入門

41 格子生成

20181025

22

20181025 機械工学入門

42

By Prof Makoto Tsubokura (Kobe Univ) And Suzuki Ltd

300億メッシュの解析事例(FFred)

20181025 機械工学入門

43

By Prof Makoto Tsubokura (Kobe Univ) And Suzuki Ltd

アニメーション(FrontFlowred)

20181025

23

20181025 機械工学入門

44

並列計算一つのコンピュータでは計算できない問題を

多数のコンピュータで計算

リチャードソン計算職人を6000人集めて天気予報を試みる

光が1秒間に進む距離300000キロメートル

クロック周波数37GHz (1秒間に370000000)

1クロックで光が進む距離8cm 程度

rarr通信速度から現在のコンピュータの速度は限界に近い

一つのパソコンに複数のCPU (インテル6コア)

10億の連立方程式を解くには速いコンピュータが必要

もっと速くもっと大規模に

20181025 機械工学入門

45

スパコンの性能は10年で1000倍 世界最速コンピュータ「京」 2011年6月 世界最高性能 816PFLOPSを達成

PC

コンピューターの性能

FLOPS1秒間あたりの演算回数

20181025

24

20181025 機械工学入門

46

物理法則に対するコンピュータシミュレーションの原理は簡単

ただし膨大な数の連立方程式を解く必要がある

そのためには高速のコンピュータが必要

コンピュータの速度も限界複数のコンピュータで計算するため

通信速度も重要

京に代表されるハイパフォーマンスコンピュータが必要

ソフトウェアや実証試験も重要他国に負けない技術開発

スーパーコンピューターが作れるのは米国と日本だけ

CRY1160MFlops 価格800万ドル

iPhone41GFlops 価格669ドル

コーヒーブレイク

20181025 機械工学入門

47 自動車コンソーシアム

20181025

25

20181025 機械工学入門

48

HPCによる自動車用次世代空力熱設計システムの研究開発

北海道大学 坪倉 誠(リーダー) ①階層的データ構造による超大規模格子作成

統合ユーザーインターフェースの開発

東大生研小野 謙二

②実走行状態における気流車両運動連成空力解析

北海道大学 坪倉 誠広島大学 中島卓司

③空力振動音響連成解析による車室内騒音の予測

豊橋技術科学大学 飯田明由

④エンジンルーム排気管系熱害

東京都市大学 郡 逸平

コンソーシアムの課題内容

20181025 機械工学入門

49

固体伝播

フレーム振動(低周波数) 車体剛性に関連

車体振動(高周波数)車体重量(質量則)構造(コインシデンス) HVAC(特に配管系)冷媒振動音気液2相流

空気伝播

車外空力騒音(比較的高い周波数)音源部位の特定困難

HAVC(ファン騒音)ダクト系の共鳴+広帯域騒音

伝達関数

音 流体力

車内騒音解析の考え方(SEA法)

20181025

26

20181025 機械工学入門

50

音響透過解析(反射回折透過) FrontFlowBlue-ACOUSTICS

振動解析(流体加振構造振動) Adventure

音源解析(物体表面圧力変動空力騒音) FrontFlowBlue

室内音場解析

FrontFlowBlue-ACOUSTICS

流体-音響メッシュ周波数領域

物体表面メッシュ

車内騒音解析手法

1way 連成解析 プログラム連成REVOCAP

20181025 機械工学入門

51

流体ソルバーによる 車外流れの流体解析

構造ソルバーによる 車体の振動解析

bullモックアップモデル

空力rArr構造振動rArr音響の連成解析により車室内の騒音を予測する

音響ソルバーによる 車室内騒音解析

ベンチマークテスト

流体メッシュ 構造メッシュ 流体側圧力分布

構造側圧力分布

REVOCAP_Coupler

によるマッピング

20181025

27

20181025 機械工学入門

52

流体解析空力音に寄与する音のスケール 1mm (10kHz) 境界層内の渦スケール 01 mm

境界層メッシュ解像度 200mm

解析メッシュ 200億要素

振動解析流体解析データを加える振動力とする周波数 10kHz

解析自由度規模 1億自由度

解像度 1mm

解析メッシュ 1000万要素

騒音解析振動解析結果を圧力境界または粒子速度境界 10kHz

解像度 3mm

解析メッシュ 10億要素

解析規模(最終目標)

スズキ MRワゴン

時速100km走行時の車内騒音

20181025 機械工学入門

53

流体解析 構造振動解析 音響解

解析ソフト FFB Ver 81 Adventure Cluster FFB-Acoustics Ver50

解析規模 52億要素 250万要素(1500 万自由度) 3700万要素

解析メッシュ 6面体メッシュ シェル要素(34角形)

ソリッド要素(456面体) 4面体要素

解析時間 京(4096ノード) 22時間1sec

CX1000 (96 コア) 7日6144step

FX10(24ノード) 30時間512周波数

最小メッシュサイズ

01mm 4mm 1mm

最小解像度 渦スケール 1mm 周波数4kHz 最大周波数の波長を20

分割 (4mm)

解析ドメイン 時間領域 時間領域 周波数処理

離散化方法 有限要素法 有限差分法 有限要素法

連成処理

データ

表面圧力変動

壁面加振動力

壁面振動加速度

音響粒子速度

今回の解析規模

20181025

28

20181025 機械工学入門

54 流体解析結果(1)

Cd値 解析0295(実験03)

20181025 機械工学入門

55

3000万要素

52億要素

メッシュ規模の影響 京(4096ノード32768コア)

22時間1sec

8000万要素

20181025

29

20181025 機械工学入門

56 流体解析結果 (2) 圧力変動強度(rms値)

渦度の絶対値

20181022

57 外部音解析

音源項 音源となる渦

流体圧力と音圧

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181025

30

20181022

58

流れ場 音場

車体周りの空力音響解析結果

音場解析事例(50億CFD+8千万CAA)

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181022

59

車体近傍には擬似音場が形成される

疑似音波が車内音に及ぼす影響が重要

擬似音場(圧力場)

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181025

31

20181025 機械工学入門

60

378Hz 638Hz

513Hz

38Hz 68Hz

52Hz 91Hz 赤字の値実験値

900Hz

リアドアガラス

ルーフ

モード解析結果

20181025 機械工学入門

61 振動解析結果(2) CX1000 (96 コア)

7日6144step

20181025

32

20181025 機械工学入門

62

要素数37089746

節点数 6738591

Tetrahedral Mesh

完全自動メッシュ

平均メッシュサイズ 4mm

4kHzの波長(85mm)を20分割

車内騒音解析

20181025 機械工学入門

63 車内騒音解析結果(1)

車体周りの流れに起因する車内騒音解析結果(100Hz)

注意外部流れは速度場の瞬時値室内音は平均音圧分布のため車外と室内の解析結果は時間的には同期していない点に注意

20181025

33

20181025 機械工学入門

64 車内騒音解析結果(2)

20181025 機械工学入門

65 車内騒音解析結果(3)

車外渦度場内部音響粒子速度ベクトル

20181025

34

20181025 機械工学入門

66 車内騒音解析結果(4)

圧力分布(実部)

20181025 機械工学入門

67

200Hz

125Hz

315Hz

613Hz

400Hz

800Hz

2000Hz

1000Hz

4000Hz

200Hz 1000Hz

車内騒音解析結果(5) FX10(24ノードtimes6 2304コア) 30時間512周波数

20181025

35

20181025 機械工学入門

68 解析結果の定量的な評価(2)

20181025 機械工学入門

69

洋上ウィンドファーム周りの流れ

翼周り流れに対する主流乱の影響 空力構造連成

格子点数1兆規模

ウィンドファームの開発(2015年から)

20181025

36

20181025 機械工学入門

70 風車回りの流れの計算結果

20181025 機械工学入門

71

httpaerometutacjp

iidametutacjp

自然エネルギー変換科学研究室

Page 12: 機械工学入門(流体力学) 0aero.me.tut.ac.jp/Lectures/Intro/intro2018.pdf2018/10/25 1 機械工学入門 2018/10/25 自然エネルギー変換科学研究室 飯田明由

20181025

12

20181025 機械工学入門

22 自動車はどのようにして走るか

20181025 機械工学入門

23 ニュートンの運動方程式と摩擦力

ニュートンの運動方程式

F=ma

力は質量と加速度に比例する

同じ力でものを加速させる場合軽いものほど加速させやすい

rarr車を加速させるには軽いほうが良い

摩擦力

F=mW=mmg

摩擦力は摩擦係数と物体の重量に比例する

重量が重いほど摩擦力は大きくなる

rarr タイヤの力を路面に伝えるには重いほうが良い

軽いけれど摩擦力が大きくなるようにする必要がある

rarr 空気の力を利用する

20181025

13

20181025 機械工学入門

24 空気抵抗とは 雨粒の落下速度と空気抵抗

h=1000m

ghv

mghmv

vh

mghmmgmv

mghmv

2

2

1

00

02

10

2

1

2

1

2

22

2

   上空地上

一定

)45014010008192 kmsmv  (時速

実際には空気抵抗があるので1ms~5ms程度

(重力)mg

(空気抵抗)Av2

2

1

(浮力)Vg

V=

20181025 機械工学入門

25

20kmh

転がり抵抗55 空気抵抗45

30kmh

転がり抵抗 30 空気抵抗70

自転車のドラフティング

後ろの人は楽(60 ~70)

坂道 勾配5 10kmh

登坂抵抗 80 転がり抵抗13

自転車に作用する力

空気抵抗

伝達損失

(小さい)

mg(重力)

登坂抵抗

ころがり抵抗

(摩擦)

20181025

14

20181025 機械工学入門

26 自動車の空気抵抗

空気抵抗係数Cd 自動車を走行が空気によってどれだけ妨げられるかを表したもの空気抵抗は速度の2乗に比例するため高速になればなるほど問題となる

][

][

][

2

1

2

3

2

mA

smU

mkg

Cd

AUCdD

前面投影面積

速度

空気密度

空気抵抗係数

20181025 機械工学入門

27 空気抵抗と燃費

Cd=026rarr02 燃費10改善

20181025

15

20181025 機械工学入門

28 何故抵抗が生じるのか

物体の後ろには渦ができる

(渦の中心は圧力が低くなる)

2

2

P

物体の前側は速度がゼロになる(運動量が変化する) 力が作用する(運動量保存則)

20181025 機械工学入門

29 風洞実験

人工的に風を作り

車などの性質を調べる装置

20181025

16

20181025 機械工学入門

30

車を走らせる代わりに風洞内で風を流して

車の周りの空気の流れを調べる

自動車開発への応用

20181025 機械工学入門

31 流体力の計測方法

20181025

17

20181025 機械工学入門

32

模型なのでいろいろと

試すことができる

模型実験の利点

20181025 機械工学入門

33 ナビエストークスの式

流体は粘々しているせん断応力

流体を速く動かそうとすると粘り気による力が働く

ニュートンの式に流体の性質である圧力

と粘り気による力の項を加えた式を考える

z

w

y

v

x

u

x

uw

yv

xu

tDt

D

gradgradpDt

D

vFv

2

3

11

m

m

ミレニアム懸賞問題

PneNP予想

ホッジ予想

ポアンカレ予想

リーマン予想

ヤン-ミルズ方程式と質量ギャップ問題

ナビエ-ストークス方程式の解の存在と滑らかさ

バーチスウィンナートン=ダイアー予想 慣性力=圧力+粘性力

20181025

18

20181025 機械工学入門

34 コンピュータの利用

20181025 機械工学入門

35 戦略HPCIプロジェクト

High Performance Computing Infrastructure

20181025

19

20181025 機械工学入門

36 HPCIプロジェクト(自動車関連)

1048708 「自動車用統合空力連成設計システムの研究開発」 自動車まるごと連成解析の実現による車体設計手法の革新

空力車両運動連成

外部音キャビン騒音

エンジンルームキャビン内熱環境解析

1048708 LES非定常空力解析を主体とした設計システム

超マルチ時間スケールLES(実時間で数分) rarr車両運動連成解析

超大規模LES(数十億要素数規模) rarr外部音キャビン騒音解析

超高速RANS(1ケース1分程度) rarr空力熱設計最適化

20181025 機械工学入門

37

5年後になにしているか

沖縄に台風が上陸したときの豊橋の天気は

今日何時に寝るか

技科大の天気と駅前の天気

近い将来や近所のことは

予測ができる

f(x)

コンピュータを使った予測方法

20181025

20

20181025 機械工学入門

38

コンピューターは四則演算しかできない

Sinの微分はなんでしょうかrarrコンピュータにはわからない

x

xvxxv

dx

dv

t

tvttv

dt

dv

)()(

)()(

ちょっと先の結果から現在の結果を引く (時間当たりの変化) 自分の隣の結果と自分自身の結果を引く(空間あたりの変化) 時間当たりの変化を求める

tやxを小さくすると微分と等しくなる微分がわからなくても

計算できる

POINTセルを細かく時間刻みを短くすれば現実に近づく

難しい方程式を簡単に

20181025 機械工学入門

39

計算したい物体の周りを

小さなセルに分割

各セルの将来の値を推定

(物理法則)

物理法則を用いて周囲の

セルの物理量を元に物理

量を計算 繰り返し

計算結果を出力

dt

dvmmaF

物理法則たとえば

コンピューターシミュレーション

20181025

21

40

細かくセルを分割して計算するには高速のコンピュータが必要

自動車の周囲 5mtimes3mtimes15mの空間を計算する

3m

5m 15m

各辺を1mmの格子で分割する2250億の小さなブロックに分割

実際の計算では場所によって大きさを変える車の場合は10億程度

流れの計算をするには10億個の連立方程式を作って計算

rarr気が遠くなる話だけど計算機は単純計算は得意

20181025 機械工学入門

シミュレーションの規模

20181025 機械工学入門

41 格子生成

20181025

22

20181025 機械工学入門

42

By Prof Makoto Tsubokura (Kobe Univ) And Suzuki Ltd

300億メッシュの解析事例(FFred)

20181025 機械工学入門

43

By Prof Makoto Tsubokura (Kobe Univ) And Suzuki Ltd

アニメーション(FrontFlowred)

20181025

23

20181025 機械工学入門

44

並列計算一つのコンピュータでは計算できない問題を

多数のコンピュータで計算

リチャードソン計算職人を6000人集めて天気予報を試みる

光が1秒間に進む距離300000キロメートル

クロック周波数37GHz (1秒間に370000000)

1クロックで光が進む距離8cm 程度

rarr通信速度から現在のコンピュータの速度は限界に近い

一つのパソコンに複数のCPU (インテル6コア)

10億の連立方程式を解くには速いコンピュータが必要

もっと速くもっと大規模に

20181025 機械工学入門

45

スパコンの性能は10年で1000倍 世界最速コンピュータ「京」 2011年6月 世界最高性能 816PFLOPSを達成

PC

コンピューターの性能

FLOPS1秒間あたりの演算回数

20181025

24

20181025 機械工学入門

46

物理法則に対するコンピュータシミュレーションの原理は簡単

ただし膨大な数の連立方程式を解く必要がある

そのためには高速のコンピュータが必要

コンピュータの速度も限界複数のコンピュータで計算するため

通信速度も重要

京に代表されるハイパフォーマンスコンピュータが必要

ソフトウェアや実証試験も重要他国に負けない技術開発

スーパーコンピューターが作れるのは米国と日本だけ

CRY1160MFlops 価格800万ドル

iPhone41GFlops 価格669ドル

コーヒーブレイク

20181025 機械工学入門

47 自動車コンソーシアム

20181025

25

20181025 機械工学入門

48

HPCによる自動車用次世代空力熱設計システムの研究開発

北海道大学 坪倉 誠(リーダー) ①階層的データ構造による超大規模格子作成

統合ユーザーインターフェースの開発

東大生研小野 謙二

②実走行状態における気流車両運動連成空力解析

北海道大学 坪倉 誠広島大学 中島卓司

③空力振動音響連成解析による車室内騒音の予測

豊橋技術科学大学 飯田明由

④エンジンルーム排気管系熱害

東京都市大学 郡 逸平

コンソーシアムの課題内容

20181025 機械工学入門

49

固体伝播

フレーム振動(低周波数) 車体剛性に関連

車体振動(高周波数)車体重量(質量則)構造(コインシデンス) HVAC(特に配管系)冷媒振動音気液2相流

空気伝播

車外空力騒音(比較的高い周波数)音源部位の特定困難

HAVC(ファン騒音)ダクト系の共鳴+広帯域騒音

伝達関数

音 流体力

車内騒音解析の考え方(SEA法)

20181025

26

20181025 機械工学入門

50

音響透過解析(反射回折透過) FrontFlowBlue-ACOUSTICS

振動解析(流体加振構造振動) Adventure

音源解析(物体表面圧力変動空力騒音) FrontFlowBlue

室内音場解析

FrontFlowBlue-ACOUSTICS

流体-音響メッシュ周波数領域

物体表面メッシュ

車内騒音解析手法

1way 連成解析 プログラム連成REVOCAP

20181025 機械工学入門

51

流体ソルバーによる 車外流れの流体解析

構造ソルバーによる 車体の振動解析

bullモックアップモデル

空力rArr構造振動rArr音響の連成解析により車室内の騒音を予測する

音響ソルバーによる 車室内騒音解析

ベンチマークテスト

流体メッシュ 構造メッシュ 流体側圧力分布

構造側圧力分布

REVOCAP_Coupler

によるマッピング

20181025

27

20181025 機械工学入門

52

流体解析空力音に寄与する音のスケール 1mm (10kHz) 境界層内の渦スケール 01 mm

境界層メッシュ解像度 200mm

解析メッシュ 200億要素

振動解析流体解析データを加える振動力とする周波数 10kHz

解析自由度規模 1億自由度

解像度 1mm

解析メッシュ 1000万要素

騒音解析振動解析結果を圧力境界または粒子速度境界 10kHz

解像度 3mm

解析メッシュ 10億要素

解析規模(最終目標)

スズキ MRワゴン

時速100km走行時の車内騒音

20181025 機械工学入門

53

流体解析 構造振動解析 音響解

解析ソフト FFB Ver 81 Adventure Cluster FFB-Acoustics Ver50

解析規模 52億要素 250万要素(1500 万自由度) 3700万要素

解析メッシュ 6面体メッシュ シェル要素(34角形)

ソリッド要素(456面体) 4面体要素

解析時間 京(4096ノード) 22時間1sec

CX1000 (96 コア) 7日6144step

FX10(24ノード) 30時間512周波数

最小メッシュサイズ

01mm 4mm 1mm

最小解像度 渦スケール 1mm 周波数4kHz 最大周波数の波長を20

分割 (4mm)

解析ドメイン 時間領域 時間領域 周波数処理

離散化方法 有限要素法 有限差分法 有限要素法

連成処理

データ

表面圧力変動

壁面加振動力

壁面振動加速度

音響粒子速度

今回の解析規模

20181025

28

20181025 機械工学入門

54 流体解析結果(1)

Cd値 解析0295(実験03)

20181025 機械工学入門

55

3000万要素

52億要素

メッシュ規模の影響 京(4096ノード32768コア)

22時間1sec

8000万要素

20181025

29

20181025 機械工学入門

56 流体解析結果 (2) 圧力変動強度(rms値)

渦度の絶対値

20181022

57 外部音解析

音源項 音源となる渦

流体圧力と音圧

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181025

30

20181022

58

流れ場 音場

車体周りの空力音響解析結果

音場解析事例(50億CFD+8千万CAA)

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181022

59

車体近傍には擬似音場が形成される

疑似音波が車内音に及ぼす影響が重要

擬似音場(圧力場)

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181025

31

20181025 機械工学入門

60

378Hz 638Hz

513Hz

38Hz 68Hz

52Hz 91Hz 赤字の値実験値

900Hz

リアドアガラス

ルーフ

モード解析結果

20181025 機械工学入門

61 振動解析結果(2) CX1000 (96 コア)

7日6144step

20181025

32

20181025 機械工学入門

62

要素数37089746

節点数 6738591

Tetrahedral Mesh

完全自動メッシュ

平均メッシュサイズ 4mm

4kHzの波長(85mm)を20分割

車内騒音解析

20181025 機械工学入門

63 車内騒音解析結果(1)

車体周りの流れに起因する車内騒音解析結果(100Hz)

注意外部流れは速度場の瞬時値室内音は平均音圧分布のため車外と室内の解析結果は時間的には同期していない点に注意

20181025

33

20181025 機械工学入門

64 車内騒音解析結果(2)

20181025 機械工学入門

65 車内騒音解析結果(3)

車外渦度場内部音響粒子速度ベクトル

20181025

34

20181025 機械工学入門

66 車内騒音解析結果(4)

圧力分布(実部)

20181025 機械工学入門

67

200Hz

125Hz

315Hz

613Hz

400Hz

800Hz

2000Hz

1000Hz

4000Hz

200Hz 1000Hz

車内騒音解析結果(5) FX10(24ノードtimes6 2304コア) 30時間512周波数

20181025

35

20181025 機械工学入門

68 解析結果の定量的な評価(2)

20181025 機械工学入門

69

洋上ウィンドファーム周りの流れ

翼周り流れに対する主流乱の影響 空力構造連成

格子点数1兆規模

ウィンドファームの開発(2015年から)

20181025

36

20181025 機械工学入門

70 風車回りの流れの計算結果

20181025 機械工学入門

71

httpaerometutacjp

iidametutacjp

自然エネルギー変換科学研究室

Page 13: 機械工学入門(流体力学) 0aero.me.tut.ac.jp/Lectures/Intro/intro2018.pdf2018/10/25 1 機械工学入門 2018/10/25 自然エネルギー変換科学研究室 飯田明由

20181025

13

20181025 機械工学入門

24 空気抵抗とは 雨粒の落下速度と空気抵抗

h=1000m

ghv

mghmv

vh

mghmmgmv

mghmv

2

2

1

00

02

10

2

1

2

1

2

22

2

   上空地上

一定

)45014010008192 kmsmv  (時速

実際には空気抵抗があるので1ms~5ms程度

(重力)mg

(空気抵抗)Av2

2

1

(浮力)Vg

V=

20181025 機械工学入門

25

20kmh

転がり抵抗55 空気抵抗45

30kmh

転がり抵抗 30 空気抵抗70

自転車のドラフティング

後ろの人は楽(60 ~70)

坂道 勾配5 10kmh

登坂抵抗 80 転がり抵抗13

自転車に作用する力

空気抵抗

伝達損失

(小さい)

mg(重力)

登坂抵抗

ころがり抵抗

(摩擦)

20181025

14

20181025 機械工学入門

26 自動車の空気抵抗

空気抵抗係数Cd 自動車を走行が空気によってどれだけ妨げられるかを表したもの空気抵抗は速度の2乗に比例するため高速になればなるほど問題となる

][

][

][

2

1

2

3

2

mA

smU

mkg

Cd

AUCdD

前面投影面積

速度

空気密度

空気抵抗係数

20181025 機械工学入門

27 空気抵抗と燃費

Cd=026rarr02 燃費10改善

20181025

15

20181025 機械工学入門

28 何故抵抗が生じるのか

物体の後ろには渦ができる

(渦の中心は圧力が低くなる)

2

2

P

物体の前側は速度がゼロになる(運動量が変化する) 力が作用する(運動量保存則)

20181025 機械工学入門

29 風洞実験

人工的に風を作り

車などの性質を調べる装置

20181025

16

20181025 機械工学入門

30

車を走らせる代わりに風洞内で風を流して

車の周りの空気の流れを調べる

自動車開発への応用

20181025 機械工学入門

31 流体力の計測方法

20181025

17

20181025 機械工学入門

32

模型なのでいろいろと

試すことができる

模型実験の利点

20181025 機械工学入門

33 ナビエストークスの式

流体は粘々しているせん断応力

流体を速く動かそうとすると粘り気による力が働く

ニュートンの式に流体の性質である圧力

と粘り気による力の項を加えた式を考える

z

w

y

v

x

u

x

uw

yv

xu

tDt

D

gradgradpDt

D

vFv

2

3

11

m

m

ミレニアム懸賞問題

PneNP予想

ホッジ予想

ポアンカレ予想

リーマン予想

ヤン-ミルズ方程式と質量ギャップ問題

ナビエ-ストークス方程式の解の存在と滑らかさ

バーチスウィンナートン=ダイアー予想 慣性力=圧力+粘性力

20181025

18

20181025 機械工学入門

34 コンピュータの利用

20181025 機械工学入門

35 戦略HPCIプロジェクト

High Performance Computing Infrastructure

20181025

19

20181025 機械工学入門

36 HPCIプロジェクト(自動車関連)

1048708 「自動車用統合空力連成設計システムの研究開発」 自動車まるごと連成解析の実現による車体設計手法の革新

空力車両運動連成

外部音キャビン騒音

エンジンルームキャビン内熱環境解析

1048708 LES非定常空力解析を主体とした設計システム

超マルチ時間スケールLES(実時間で数分) rarr車両運動連成解析

超大規模LES(数十億要素数規模) rarr外部音キャビン騒音解析

超高速RANS(1ケース1分程度) rarr空力熱設計最適化

20181025 機械工学入門

37

5年後になにしているか

沖縄に台風が上陸したときの豊橋の天気は

今日何時に寝るか

技科大の天気と駅前の天気

近い将来や近所のことは

予測ができる

f(x)

コンピュータを使った予測方法

20181025

20

20181025 機械工学入門

38

コンピューターは四則演算しかできない

Sinの微分はなんでしょうかrarrコンピュータにはわからない

x

xvxxv

dx

dv

t

tvttv

dt

dv

)()(

)()(

ちょっと先の結果から現在の結果を引く (時間当たりの変化) 自分の隣の結果と自分自身の結果を引く(空間あたりの変化) 時間当たりの変化を求める

tやxを小さくすると微分と等しくなる微分がわからなくても

計算できる

POINTセルを細かく時間刻みを短くすれば現実に近づく

難しい方程式を簡単に

20181025 機械工学入門

39

計算したい物体の周りを

小さなセルに分割

各セルの将来の値を推定

(物理法則)

物理法則を用いて周囲の

セルの物理量を元に物理

量を計算 繰り返し

計算結果を出力

dt

dvmmaF

物理法則たとえば

コンピューターシミュレーション

20181025

21

40

細かくセルを分割して計算するには高速のコンピュータが必要

自動車の周囲 5mtimes3mtimes15mの空間を計算する

3m

5m 15m

各辺を1mmの格子で分割する2250億の小さなブロックに分割

実際の計算では場所によって大きさを変える車の場合は10億程度

流れの計算をするには10億個の連立方程式を作って計算

rarr気が遠くなる話だけど計算機は単純計算は得意

20181025 機械工学入門

シミュレーションの規模

20181025 機械工学入門

41 格子生成

20181025

22

20181025 機械工学入門

42

By Prof Makoto Tsubokura (Kobe Univ) And Suzuki Ltd

300億メッシュの解析事例(FFred)

20181025 機械工学入門

43

By Prof Makoto Tsubokura (Kobe Univ) And Suzuki Ltd

アニメーション(FrontFlowred)

20181025

23

20181025 機械工学入門

44

並列計算一つのコンピュータでは計算できない問題を

多数のコンピュータで計算

リチャードソン計算職人を6000人集めて天気予報を試みる

光が1秒間に進む距離300000キロメートル

クロック周波数37GHz (1秒間に370000000)

1クロックで光が進む距離8cm 程度

rarr通信速度から現在のコンピュータの速度は限界に近い

一つのパソコンに複数のCPU (インテル6コア)

10億の連立方程式を解くには速いコンピュータが必要

もっと速くもっと大規模に

20181025 機械工学入門

45

スパコンの性能は10年で1000倍 世界最速コンピュータ「京」 2011年6月 世界最高性能 816PFLOPSを達成

PC

コンピューターの性能

FLOPS1秒間あたりの演算回数

20181025

24

20181025 機械工学入門

46

物理法則に対するコンピュータシミュレーションの原理は簡単

ただし膨大な数の連立方程式を解く必要がある

そのためには高速のコンピュータが必要

コンピュータの速度も限界複数のコンピュータで計算するため

通信速度も重要

京に代表されるハイパフォーマンスコンピュータが必要

ソフトウェアや実証試験も重要他国に負けない技術開発

スーパーコンピューターが作れるのは米国と日本だけ

CRY1160MFlops 価格800万ドル

iPhone41GFlops 価格669ドル

コーヒーブレイク

20181025 機械工学入門

47 自動車コンソーシアム

20181025

25

20181025 機械工学入門

48

HPCによる自動車用次世代空力熱設計システムの研究開発

北海道大学 坪倉 誠(リーダー) ①階層的データ構造による超大規模格子作成

統合ユーザーインターフェースの開発

東大生研小野 謙二

②実走行状態における気流車両運動連成空力解析

北海道大学 坪倉 誠広島大学 中島卓司

③空力振動音響連成解析による車室内騒音の予測

豊橋技術科学大学 飯田明由

④エンジンルーム排気管系熱害

東京都市大学 郡 逸平

コンソーシアムの課題内容

20181025 機械工学入門

49

固体伝播

フレーム振動(低周波数) 車体剛性に関連

車体振動(高周波数)車体重量(質量則)構造(コインシデンス) HVAC(特に配管系)冷媒振動音気液2相流

空気伝播

車外空力騒音(比較的高い周波数)音源部位の特定困難

HAVC(ファン騒音)ダクト系の共鳴+広帯域騒音

伝達関数

音 流体力

車内騒音解析の考え方(SEA法)

20181025

26

20181025 機械工学入門

50

音響透過解析(反射回折透過) FrontFlowBlue-ACOUSTICS

振動解析(流体加振構造振動) Adventure

音源解析(物体表面圧力変動空力騒音) FrontFlowBlue

室内音場解析

FrontFlowBlue-ACOUSTICS

流体-音響メッシュ周波数領域

物体表面メッシュ

車内騒音解析手法

1way 連成解析 プログラム連成REVOCAP

20181025 機械工学入門

51

流体ソルバーによる 車外流れの流体解析

構造ソルバーによる 車体の振動解析

bullモックアップモデル

空力rArr構造振動rArr音響の連成解析により車室内の騒音を予測する

音響ソルバーによる 車室内騒音解析

ベンチマークテスト

流体メッシュ 構造メッシュ 流体側圧力分布

構造側圧力分布

REVOCAP_Coupler

によるマッピング

20181025

27

20181025 機械工学入門

52

流体解析空力音に寄与する音のスケール 1mm (10kHz) 境界層内の渦スケール 01 mm

境界層メッシュ解像度 200mm

解析メッシュ 200億要素

振動解析流体解析データを加える振動力とする周波数 10kHz

解析自由度規模 1億自由度

解像度 1mm

解析メッシュ 1000万要素

騒音解析振動解析結果を圧力境界または粒子速度境界 10kHz

解像度 3mm

解析メッシュ 10億要素

解析規模(最終目標)

スズキ MRワゴン

時速100km走行時の車内騒音

20181025 機械工学入門

53

流体解析 構造振動解析 音響解

解析ソフト FFB Ver 81 Adventure Cluster FFB-Acoustics Ver50

解析規模 52億要素 250万要素(1500 万自由度) 3700万要素

解析メッシュ 6面体メッシュ シェル要素(34角形)

ソリッド要素(456面体) 4面体要素

解析時間 京(4096ノード) 22時間1sec

CX1000 (96 コア) 7日6144step

FX10(24ノード) 30時間512周波数

最小メッシュサイズ

01mm 4mm 1mm

最小解像度 渦スケール 1mm 周波数4kHz 最大周波数の波長を20

分割 (4mm)

解析ドメイン 時間領域 時間領域 周波数処理

離散化方法 有限要素法 有限差分法 有限要素法

連成処理

データ

表面圧力変動

壁面加振動力

壁面振動加速度

音響粒子速度

今回の解析規模

20181025

28

20181025 機械工学入門

54 流体解析結果(1)

Cd値 解析0295(実験03)

20181025 機械工学入門

55

3000万要素

52億要素

メッシュ規模の影響 京(4096ノード32768コア)

22時間1sec

8000万要素

20181025

29

20181025 機械工学入門

56 流体解析結果 (2) 圧力変動強度(rms値)

渦度の絶対値

20181022

57 外部音解析

音源項 音源となる渦

流体圧力と音圧

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181025

30

20181022

58

流れ場 音場

車体周りの空力音響解析結果

音場解析事例(50億CFD+8千万CAA)

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181022

59

車体近傍には擬似音場が形成される

疑似音波が車内音に及ぼす影響が重要

擬似音場(圧力場)

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181025

31

20181025 機械工学入門

60

378Hz 638Hz

513Hz

38Hz 68Hz

52Hz 91Hz 赤字の値実験値

900Hz

リアドアガラス

ルーフ

モード解析結果

20181025 機械工学入門

61 振動解析結果(2) CX1000 (96 コア)

7日6144step

20181025

32

20181025 機械工学入門

62

要素数37089746

節点数 6738591

Tetrahedral Mesh

完全自動メッシュ

平均メッシュサイズ 4mm

4kHzの波長(85mm)を20分割

車内騒音解析

20181025 機械工学入門

63 車内騒音解析結果(1)

車体周りの流れに起因する車内騒音解析結果(100Hz)

注意外部流れは速度場の瞬時値室内音は平均音圧分布のため車外と室内の解析結果は時間的には同期していない点に注意

20181025

33

20181025 機械工学入門

64 車内騒音解析結果(2)

20181025 機械工学入門

65 車内騒音解析結果(3)

車外渦度場内部音響粒子速度ベクトル

20181025

34

20181025 機械工学入門

66 車内騒音解析結果(4)

圧力分布(実部)

20181025 機械工学入門

67

200Hz

125Hz

315Hz

613Hz

400Hz

800Hz

2000Hz

1000Hz

4000Hz

200Hz 1000Hz

車内騒音解析結果(5) FX10(24ノードtimes6 2304コア) 30時間512周波数

20181025

35

20181025 機械工学入門

68 解析結果の定量的な評価(2)

20181025 機械工学入門

69

洋上ウィンドファーム周りの流れ

翼周り流れに対する主流乱の影響 空力構造連成

格子点数1兆規模

ウィンドファームの開発(2015年から)

20181025

36

20181025 機械工学入門

70 風車回りの流れの計算結果

20181025 機械工学入門

71

httpaerometutacjp

iidametutacjp

自然エネルギー変換科学研究室

Page 14: 機械工学入門(流体力学) 0aero.me.tut.ac.jp/Lectures/Intro/intro2018.pdf2018/10/25 1 機械工学入門 2018/10/25 自然エネルギー変換科学研究室 飯田明由

20181025

14

20181025 機械工学入門

26 自動車の空気抵抗

空気抵抗係数Cd 自動車を走行が空気によってどれだけ妨げられるかを表したもの空気抵抗は速度の2乗に比例するため高速になればなるほど問題となる

][

][

][

2

1

2

3

2

mA

smU

mkg

Cd

AUCdD

前面投影面積

速度

空気密度

空気抵抗係数

20181025 機械工学入門

27 空気抵抗と燃費

Cd=026rarr02 燃費10改善

20181025

15

20181025 機械工学入門

28 何故抵抗が生じるのか

物体の後ろには渦ができる

(渦の中心は圧力が低くなる)

2

2

P

物体の前側は速度がゼロになる(運動量が変化する) 力が作用する(運動量保存則)

20181025 機械工学入門

29 風洞実験

人工的に風を作り

車などの性質を調べる装置

20181025

16

20181025 機械工学入門

30

車を走らせる代わりに風洞内で風を流して

車の周りの空気の流れを調べる

自動車開発への応用

20181025 機械工学入門

31 流体力の計測方法

20181025

17

20181025 機械工学入門

32

模型なのでいろいろと

試すことができる

模型実験の利点

20181025 機械工学入門

33 ナビエストークスの式

流体は粘々しているせん断応力

流体を速く動かそうとすると粘り気による力が働く

ニュートンの式に流体の性質である圧力

と粘り気による力の項を加えた式を考える

z

w

y

v

x

u

x

uw

yv

xu

tDt

D

gradgradpDt

D

vFv

2

3

11

m

m

ミレニアム懸賞問題

PneNP予想

ホッジ予想

ポアンカレ予想

リーマン予想

ヤン-ミルズ方程式と質量ギャップ問題

ナビエ-ストークス方程式の解の存在と滑らかさ

バーチスウィンナートン=ダイアー予想 慣性力=圧力+粘性力

20181025

18

20181025 機械工学入門

34 コンピュータの利用

20181025 機械工学入門

35 戦略HPCIプロジェクト

High Performance Computing Infrastructure

20181025

19

20181025 機械工学入門

36 HPCIプロジェクト(自動車関連)

1048708 「自動車用統合空力連成設計システムの研究開発」 自動車まるごと連成解析の実現による車体設計手法の革新

空力車両運動連成

外部音キャビン騒音

エンジンルームキャビン内熱環境解析

1048708 LES非定常空力解析を主体とした設計システム

超マルチ時間スケールLES(実時間で数分) rarr車両運動連成解析

超大規模LES(数十億要素数規模) rarr外部音キャビン騒音解析

超高速RANS(1ケース1分程度) rarr空力熱設計最適化

20181025 機械工学入門

37

5年後になにしているか

沖縄に台風が上陸したときの豊橋の天気は

今日何時に寝るか

技科大の天気と駅前の天気

近い将来や近所のことは

予測ができる

f(x)

コンピュータを使った予測方法

20181025

20

20181025 機械工学入門

38

コンピューターは四則演算しかできない

Sinの微分はなんでしょうかrarrコンピュータにはわからない

x

xvxxv

dx

dv

t

tvttv

dt

dv

)()(

)()(

ちょっと先の結果から現在の結果を引く (時間当たりの変化) 自分の隣の結果と自分自身の結果を引く(空間あたりの変化) 時間当たりの変化を求める

tやxを小さくすると微分と等しくなる微分がわからなくても

計算できる

POINTセルを細かく時間刻みを短くすれば現実に近づく

難しい方程式を簡単に

20181025 機械工学入門

39

計算したい物体の周りを

小さなセルに分割

各セルの将来の値を推定

(物理法則)

物理法則を用いて周囲の

セルの物理量を元に物理

量を計算 繰り返し

計算結果を出力

dt

dvmmaF

物理法則たとえば

コンピューターシミュレーション

20181025

21

40

細かくセルを分割して計算するには高速のコンピュータが必要

自動車の周囲 5mtimes3mtimes15mの空間を計算する

3m

5m 15m

各辺を1mmの格子で分割する2250億の小さなブロックに分割

実際の計算では場所によって大きさを変える車の場合は10億程度

流れの計算をするには10億個の連立方程式を作って計算

rarr気が遠くなる話だけど計算機は単純計算は得意

20181025 機械工学入門

シミュレーションの規模

20181025 機械工学入門

41 格子生成

20181025

22

20181025 機械工学入門

42

By Prof Makoto Tsubokura (Kobe Univ) And Suzuki Ltd

300億メッシュの解析事例(FFred)

20181025 機械工学入門

43

By Prof Makoto Tsubokura (Kobe Univ) And Suzuki Ltd

アニメーション(FrontFlowred)

20181025

23

20181025 機械工学入門

44

並列計算一つのコンピュータでは計算できない問題を

多数のコンピュータで計算

リチャードソン計算職人を6000人集めて天気予報を試みる

光が1秒間に進む距離300000キロメートル

クロック周波数37GHz (1秒間に370000000)

1クロックで光が進む距離8cm 程度

rarr通信速度から現在のコンピュータの速度は限界に近い

一つのパソコンに複数のCPU (インテル6コア)

10億の連立方程式を解くには速いコンピュータが必要

もっと速くもっと大規模に

20181025 機械工学入門

45

スパコンの性能は10年で1000倍 世界最速コンピュータ「京」 2011年6月 世界最高性能 816PFLOPSを達成

PC

コンピューターの性能

FLOPS1秒間あたりの演算回数

20181025

24

20181025 機械工学入門

46

物理法則に対するコンピュータシミュレーションの原理は簡単

ただし膨大な数の連立方程式を解く必要がある

そのためには高速のコンピュータが必要

コンピュータの速度も限界複数のコンピュータで計算するため

通信速度も重要

京に代表されるハイパフォーマンスコンピュータが必要

ソフトウェアや実証試験も重要他国に負けない技術開発

スーパーコンピューターが作れるのは米国と日本だけ

CRY1160MFlops 価格800万ドル

iPhone41GFlops 価格669ドル

コーヒーブレイク

20181025 機械工学入門

47 自動車コンソーシアム

20181025

25

20181025 機械工学入門

48

HPCによる自動車用次世代空力熱設計システムの研究開発

北海道大学 坪倉 誠(リーダー) ①階層的データ構造による超大規模格子作成

統合ユーザーインターフェースの開発

東大生研小野 謙二

②実走行状態における気流車両運動連成空力解析

北海道大学 坪倉 誠広島大学 中島卓司

③空力振動音響連成解析による車室内騒音の予測

豊橋技術科学大学 飯田明由

④エンジンルーム排気管系熱害

東京都市大学 郡 逸平

コンソーシアムの課題内容

20181025 機械工学入門

49

固体伝播

フレーム振動(低周波数) 車体剛性に関連

車体振動(高周波数)車体重量(質量則)構造(コインシデンス) HVAC(特に配管系)冷媒振動音気液2相流

空気伝播

車外空力騒音(比較的高い周波数)音源部位の特定困難

HAVC(ファン騒音)ダクト系の共鳴+広帯域騒音

伝達関数

音 流体力

車内騒音解析の考え方(SEA法)

20181025

26

20181025 機械工学入門

50

音響透過解析(反射回折透過) FrontFlowBlue-ACOUSTICS

振動解析(流体加振構造振動) Adventure

音源解析(物体表面圧力変動空力騒音) FrontFlowBlue

室内音場解析

FrontFlowBlue-ACOUSTICS

流体-音響メッシュ周波数領域

物体表面メッシュ

車内騒音解析手法

1way 連成解析 プログラム連成REVOCAP

20181025 機械工学入門

51

流体ソルバーによる 車外流れの流体解析

構造ソルバーによる 車体の振動解析

bullモックアップモデル

空力rArr構造振動rArr音響の連成解析により車室内の騒音を予測する

音響ソルバーによる 車室内騒音解析

ベンチマークテスト

流体メッシュ 構造メッシュ 流体側圧力分布

構造側圧力分布

REVOCAP_Coupler

によるマッピング

20181025

27

20181025 機械工学入門

52

流体解析空力音に寄与する音のスケール 1mm (10kHz) 境界層内の渦スケール 01 mm

境界層メッシュ解像度 200mm

解析メッシュ 200億要素

振動解析流体解析データを加える振動力とする周波数 10kHz

解析自由度規模 1億自由度

解像度 1mm

解析メッシュ 1000万要素

騒音解析振動解析結果を圧力境界または粒子速度境界 10kHz

解像度 3mm

解析メッシュ 10億要素

解析規模(最終目標)

スズキ MRワゴン

時速100km走行時の車内騒音

20181025 機械工学入門

53

流体解析 構造振動解析 音響解

解析ソフト FFB Ver 81 Adventure Cluster FFB-Acoustics Ver50

解析規模 52億要素 250万要素(1500 万自由度) 3700万要素

解析メッシュ 6面体メッシュ シェル要素(34角形)

ソリッド要素(456面体) 4面体要素

解析時間 京(4096ノード) 22時間1sec

CX1000 (96 コア) 7日6144step

FX10(24ノード) 30時間512周波数

最小メッシュサイズ

01mm 4mm 1mm

最小解像度 渦スケール 1mm 周波数4kHz 最大周波数の波長を20

分割 (4mm)

解析ドメイン 時間領域 時間領域 周波数処理

離散化方法 有限要素法 有限差分法 有限要素法

連成処理

データ

表面圧力変動

壁面加振動力

壁面振動加速度

音響粒子速度

今回の解析規模

20181025

28

20181025 機械工学入門

54 流体解析結果(1)

Cd値 解析0295(実験03)

20181025 機械工学入門

55

3000万要素

52億要素

メッシュ規模の影響 京(4096ノード32768コア)

22時間1sec

8000万要素

20181025

29

20181025 機械工学入門

56 流体解析結果 (2) 圧力変動強度(rms値)

渦度の絶対値

20181022

57 外部音解析

音源項 音源となる渦

流体圧力と音圧

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181025

30

20181022

58

流れ場 音場

車体周りの空力音響解析結果

音場解析事例(50億CFD+8千万CAA)

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181022

59

車体近傍には擬似音場が形成される

疑似音波が車内音に及ぼす影響が重要

擬似音場(圧力場)

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181025

31

20181025 機械工学入門

60

378Hz 638Hz

513Hz

38Hz 68Hz

52Hz 91Hz 赤字の値実験値

900Hz

リアドアガラス

ルーフ

モード解析結果

20181025 機械工学入門

61 振動解析結果(2) CX1000 (96 コア)

7日6144step

20181025

32

20181025 機械工学入門

62

要素数37089746

節点数 6738591

Tetrahedral Mesh

完全自動メッシュ

平均メッシュサイズ 4mm

4kHzの波長(85mm)を20分割

車内騒音解析

20181025 機械工学入門

63 車内騒音解析結果(1)

車体周りの流れに起因する車内騒音解析結果(100Hz)

注意外部流れは速度場の瞬時値室内音は平均音圧分布のため車外と室内の解析結果は時間的には同期していない点に注意

20181025

33

20181025 機械工学入門

64 車内騒音解析結果(2)

20181025 機械工学入門

65 車内騒音解析結果(3)

車外渦度場内部音響粒子速度ベクトル

20181025

34

20181025 機械工学入門

66 車内騒音解析結果(4)

圧力分布(実部)

20181025 機械工学入門

67

200Hz

125Hz

315Hz

613Hz

400Hz

800Hz

2000Hz

1000Hz

4000Hz

200Hz 1000Hz

車内騒音解析結果(5) FX10(24ノードtimes6 2304コア) 30時間512周波数

20181025

35

20181025 機械工学入門

68 解析結果の定量的な評価(2)

20181025 機械工学入門

69

洋上ウィンドファーム周りの流れ

翼周り流れに対する主流乱の影響 空力構造連成

格子点数1兆規模

ウィンドファームの開発(2015年から)

20181025

36

20181025 機械工学入門

70 風車回りの流れの計算結果

20181025 機械工学入門

71

httpaerometutacjp

iidametutacjp

自然エネルギー変換科学研究室

Page 15: 機械工学入門(流体力学) 0aero.me.tut.ac.jp/Lectures/Intro/intro2018.pdf2018/10/25 1 機械工学入門 2018/10/25 自然エネルギー変換科学研究室 飯田明由

20181025

15

20181025 機械工学入門

28 何故抵抗が生じるのか

物体の後ろには渦ができる

(渦の中心は圧力が低くなる)

2

2

P

物体の前側は速度がゼロになる(運動量が変化する) 力が作用する(運動量保存則)

20181025 機械工学入門

29 風洞実験

人工的に風を作り

車などの性質を調べる装置

20181025

16

20181025 機械工学入門

30

車を走らせる代わりに風洞内で風を流して

車の周りの空気の流れを調べる

自動車開発への応用

20181025 機械工学入門

31 流体力の計測方法

20181025

17

20181025 機械工学入門

32

模型なのでいろいろと

試すことができる

模型実験の利点

20181025 機械工学入門

33 ナビエストークスの式

流体は粘々しているせん断応力

流体を速く動かそうとすると粘り気による力が働く

ニュートンの式に流体の性質である圧力

と粘り気による力の項を加えた式を考える

z

w

y

v

x

u

x

uw

yv

xu

tDt

D

gradgradpDt

D

vFv

2

3

11

m

m

ミレニアム懸賞問題

PneNP予想

ホッジ予想

ポアンカレ予想

リーマン予想

ヤン-ミルズ方程式と質量ギャップ問題

ナビエ-ストークス方程式の解の存在と滑らかさ

バーチスウィンナートン=ダイアー予想 慣性力=圧力+粘性力

20181025

18

20181025 機械工学入門

34 コンピュータの利用

20181025 機械工学入門

35 戦略HPCIプロジェクト

High Performance Computing Infrastructure

20181025

19

20181025 機械工学入門

36 HPCIプロジェクト(自動車関連)

1048708 「自動車用統合空力連成設計システムの研究開発」 自動車まるごと連成解析の実現による車体設計手法の革新

空力車両運動連成

外部音キャビン騒音

エンジンルームキャビン内熱環境解析

1048708 LES非定常空力解析を主体とした設計システム

超マルチ時間スケールLES(実時間で数分) rarr車両運動連成解析

超大規模LES(数十億要素数規模) rarr外部音キャビン騒音解析

超高速RANS(1ケース1分程度) rarr空力熱設計最適化

20181025 機械工学入門

37

5年後になにしているか

沖縄に台風が上陸したときの豊橋の天気は

今日何時に寝るか

技科大の天気と駅前の天気

近い将来や近所のことは

予測ができる

f(x)

コンピュータを使った予測方法

20181025

20

20181025 機械工学入門

38

コンピューターは四則演算しかできない

Sinの微分はなんでしょうかrarrコンピュータにはわからない

x

xvxxv

dx

dv

t

tvttv

dt

dv

)()(

)()(

ちょっと先の結果から現在の結果を引く (時間当たりの変化) 自分の隣の結果と自分自身の結果を引く(空間あたりの変化) 時間当たりの変化を求める

tやxを小さくすると微分と等しくなる微分がわからなくても

計算できる

POINTセルを細かく時間刻みを短くすれば現実に近づく

難しい方程式を簡単に

20181025 機械工学入門

39

計算したい物体の周りを

小さなセルに分割

各セルの将来の値を推定

(物理法則)

物理法則を用いて周囲の

セルの物理量を元に物理

量を計算 繰り返し

計算結果を出力

dt

dvmmaF

物理法則たとえば

コンピューターシミュレーション

20181025

21

40

細かくセルを分割して計算するには高速のコンピュータが必要

自動車の周囲 5mtimes3mtimes15mの空間を計算する

3m

5m 15m

各辺を1mmの格子で分割する2250億の小さなブロックに分割

実際の計算では場所によって大きさを変える車の場合は10億程度

流れの計算をするには10億個の連立方程式を作って計算

rarr気が遠くなる話だけど計算機は単純計算は得意

20181025 機械工学入門

シミュレーションの規模

20181025 機械工学入門

41 格子生成

20181025

22

20181025 機械工学入門

42

By Prof Makoto Tsubokura (Kobe Univ) And Suzuki Ltd

300億メッシュの解析事例(FFred)

20181025 機械工学入門

43

By Prof Makoto Tsubokura (Kobe Univ) And Suzuki Ltd

アニメーション(FrontFlowred)

20181025

23

20181025 機械工学入門

44

並列計算一つのコンピュータでは計算できない問題を

多数のコンピュータで計算

リチャードソン計算職人を6000人集めて天気予報を試みる

光が1秒間に進む距離300000キロメートル

クロック周波数37GHz (1秒間に370000000)

1クロックで光が進む距離8cm 程度

rarr通信速度から現在のコンピュータの速度は限界に近い

一つのパソコンに複数のCPU (インテル6コア)

10億の連立方程式を解くには速いコンピュータが必要

もっと速くもっと大規模に

20181025 機械工学入門

45

スパコンの性能は10年で1000倍 世界最速コンピュータ「京」 2011年6月 世界最高性能 816PFLOPSを達成

PC

コンピューターの性能

FLOPS1秒間あたりの演算回数

20181025

24

20181025 機械工学入門

46

物理法則に対するコンピュータシミュレーションの原理は簡単

ただし膨大な数の連立方程式を解く必要がある

そのためには高速のコンピュータが必要

コンピュータの速度も限界複数のコンピュータで計算するため

通信速度も重要

京に代表されるハイパフォーマンスコンピュータが必要

ソフトウェアや実証試験も重要他国に負けない技術開発

スーパーコンピューターが作れるのは米国と日本だけ

CRY1160MFlops 価格800万ドル

iPhone41GFlops 価格669ドル

コーヒーブレイク

20181025 機械工学入門

47 自動車コンソーシアム

20181025

25

20181025 機械工学入門

48

HPCによる自動車用次世代空力熱設計システムの研究開発

北海道大学 坪倉 誠(リーダー) ①階層的データ構造による超大規模格子作成

統合ユーザーインターフェースの開発

東大生研小野 謙二

②実走行状態における気流車両運動連成空力解析

北海道大学 坪倉 誠広島大学 中島卓司

③空力振動音響連成解析による車室内騒音の予測

豊橋技術科学大学 飯田明由

④エンジンルーム排気管系熱害

東京都市大学 郡 逸平

コンソーシアムの課題内容

20181025 機械工学入門

49

固体伝播

フレーム振動(低周波数) 車体剛性に関連

車体振動(高周波数)車体重量(質量則)構造(コインシデンス) HVAC(特に配管系)冷媒振動音気液2相流

空気伝播

車外空力騒音(比較的高い周波数)音源部位の特定困難

HAVC(ファン騒音)ダクト系の共鳴+広帯域騒音

伝達関数

音 流体力

車内騒音解析の考え方(SEA法)

20181025

26

20181025 機械工学入門

50

音響透過解析(反射回折透過) FrontFlowBlue-ACOUSTICS

振動解析(流体加振構造振動) Adventure

音源解析(物体表面圧力変動空力騒音) FrontFlowBlue

室内音場解析

FrontFlowBlue-ACOUSTICS

流体-音響メッシュ周波数領域

物体表面メッシュ

車内騒音解析手法

1way 連成解析 プログラム連成REVOCAP

20181025 機械工学入門

51

流体ソルバーによる 車外流れの流体解析

構造ソルバーによる 車体の振動解析

bullモックアップモデル

空力rArr構造振動rArr音響の連成解析により車室内の騒音を予測する

音響ソルバーによる 車室内騒音解析

ベンチマークテスト

流体メッシュ 構造メッシュ 流体側圧力分布

構造側圧力分布

REVOCAP_Coupler

によるマッピング

20181025

27

20181025 機械工学入門

52

流体解析空力音に寄与する音のスケール 1mm (10kHz) 境界層内の渦スケール 01 mm

境界層メッシュ解像度 200mm

解析メッシュ 200億要素

振動解析流体解析データを加える振動力とする周波数 10kHz

解析自由度規模 1億自由度

解像度 1mm

解析メッシュ 1000万要素

騒音解析振動解析結果を圧力境界または粒子速度境界 10kHz

解像度 3mm

解析メッシュ 10億要素

解析規模(最終目標)

スズキ MRワゴン

時速100km走行時の車内騒音

20181025 機械工学入門

53

流体解析 構造振動解析 音響解

解析ソフト FFB Ver 81 Adventure Cluster FFB-Acoustics Ver50

解析規模 52億要素 250万要素(1500 万自由度) 3700万要素

解析メッシュ 6面体メッシュ シェル要素(34角形)

ソリッド要素(456面体) 4面体要素

解析時間 京(4096ノード) 22時間1sec

CX1000 (96 コア) 7日6144step

FX10(24ノード) 30時間512周波数

最小メッシュサイズ

01mm 4mm 1mm

最小解像度 渦スケール 1mm 周波数4kHz 最大周波数の波長を20

分割 (4mm)

解析ドメイン 時間領域 時間領域 周波数処理

離散化方法 有限要素法 有限差分法 有限要素法

連成処理

データ

表面圧力変動

壁面加振動力

壁面振動加速度

音響粒子速度

今回の解析規模

20181025

28

20181025 機械工学入門

54 流体解析結果(1)

Cd値 解析0295(実験03)

20181025 機械工学入門

55

3000万要素

52億要素

メッシュ規模の影響 京(4096ノード32768コア)

22時間1sec

8000万要素

20181025

29

20181025 機械工学入門

56 流体解析結果 (2) 圧力変動強度(rms値)

渦度の絶対値

20181022

57 外部音解析

音源項 音源となる渦

流体圧力と音圧

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181025

30

20181022

58

流れ場 音場

車体周りの空力音響解析結果

音場解析事例(50億CFD+8千万CAA)

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181022

59

車体近傍には擬似音場が形成される

疑似音波が車内音に及ぼす影響が重要

擬似音場(圧力場)

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181025

31

20181025 機械工学入門

60

378Hz 638Hz

513Hz

38Hz 68Hz

52Hz 91Hz 赤字の値実験値

900Hz

リアドアガラス

ルーフ

モード解析結果

20181025 機械工学入門

61 振動解析結果(2) CX1000 (96 コア)

7日6144step

20181025

32

20181025 機械工学入門

62

要素数37089746

節点数 6738591

Tetrahedral Mesh

完全自動メッシュ

平均メッシュサイズ 4mm

4kHzの波長(85mm)を20分割

車内騒音解析

20181025 機械工学入門

63 車内騒音解析結果(1)

車体周りの流れに起因する車内騒音解析結果(100Hz)

注意外部流れは速度場の瞬時値室内音は平均音圧分布のため車外と室内の解析結果は時間的には同期していない点に注意

20181025

33

20181025 機械工学入門

64 車内騒音解析結果(2)

20181025 機械工学入門

65 車内騒音解析結果(3)

車外渦度場内部音響粒子速度ベクトル

20181025

34

20181025 機械工学入門

66 車内騒音解析結果(4)

圧力分布(実部)

20181025 機械工学入門

67

200Hz

125Hz

315Hz

613Hz

400Hz

800Hz

2000Hz

1000Hz

4000Hz

200Hz 1000Hz

車内騒音解析結果(5) FX10(24ノードtimes6 2304コア) 30時間512周波数

20181025

35

20181025 機械工学入門

68 解析結果の定量的な評価(2)

20181025 機械工学入門

69

洋上ウィンドファーム周りの流れ

翼周り流れに対する主流乱の影響 空力構造連成

格子点数1兆規模

ウィンドファームの開発(2015年から)

20181025

36

20181025 機械工学入門

70 風車回りの流れの計算結果

20181025 機械工学入門

71

httpaerometutacjp

iidametutacjp

自然エネルギー変換科学研究室

Page 16: 機械工学入門(流体力学) 0aero.me.tut.ac.jp/Lectures/Intro/intro2018.pdf2018/10/25 1 機械工学入門 2018/10/25 自然エネルギー変換科学研究室 飯田明由

20181025

16

20181025 機械工学入門

30

車を走らせる代わりに風洞内で風を流して

車の周りの空気の流れを調べる

自動車開発への応用

20181025 機械工学入門

31 流体力の計測方法

20181025

17

20181025 機械工学入門

32

模型なのでいろいろと

試すことができる

模型実験の利点

20181025 機械工学入門

33 ナビエストークスの式

流体は粘々しているせん断応力

流体を速く動かそうとすると粘り気による力が働く

ニュートンの式に流体の性質である圧力

と粘り気による力の項を加えた式を考える

z

w

y

v

x

u

x

uw

yv

xu

tDt

D

gradgradpDt

D

vFv

2

3

11

m

m

ミレニアム懸賞問題

PneNP予想

ホッジ予想

ポアンカレ予想

リーマン予想

ヤン-ミルズ方程式と質量ギャップ問題

ナビエ-ストークス方程式の解の存在と滑らかさ

バーチスウィンナートン=ダイアー予想 慣性力=圧力+粘性力

20181025

18

20181025 機械工学入門

34 コンピュータの利用

20181025 機械工学入門

35 戦略HPCIプロジェクト

High Performance Computing Infrastructure

20181025

19

20181025 機械工学入門

36 HPCIプロジェクト(自動車関連)

1048708 「自動車用統合空力連成設計システムの研究開発」 自動車まるごと連成解析の実現による車体設計手法の革新

空力車両運動連成

外部音キャビン騒音

エンジンルームキャビン内熱環境解析

1048708 LES非定常空力解析を主体とした設計システム

超マルチ時間スケールLES(実時間で数分) rarr車両運動連成解析

超大規模LES(数十億要素数規模) rarr外部音キャビン騒音解析

超高速RANS(1ケース1分程度) rarr空力熱設計最適化

20181025 機械工学入門

37

5年後になにしているか

沖縄に台風が上陸したときの豊橋の天気は

今日何時に寝るか

技科大の天気と駅前の天気

近い将来や近所のことは

予測ができる

f(x)

コンピュータを使った予測方法

20181025

20

20181025 機械工学入門

38

コンピューターは四則演算しかできない

Sinの微分はなんでしょうかrarrコンピュータにはわからない

x

xvxxv

dx

dv

t

tvttv

dt

dv

)()(

)()(

ちょっと先の結果から現在の結果を引く (時間当たりの変化) 自分の隣の結果と自分自身の結果を引く(空間あたりの変化) 時間当たりの変化を求める

tやxを小さくすると微分と等しくなる微分がわからなくても

計算できる

POINTセルを細かく時間刻みを短くすれば現実に近づく

難しい方程式を簡単に

20181025 機械工学入門

39

計算したい物体の周りを

小さなセルに分割

各セルの将来の値を推定

(物理法則)

物理法則を用いて周囲の

セルの物理量を元に物理

量を計算 繰り返し

計算結果を出力

dt

dvmmaF

物理法則たとえば

コンピューターシミュレーション

20181025

21

40

細かくセルを分割して計算するには高速のコンピュータが必要

自動車の周囲 5mtimes3mtimes15mの空間を計算する

3m

5m 15m

各辺を1mmの格子で分割する2250億の小さなブロックに分割

実際の計算では場所によって大きさを変える車の場合は10億程度

流れの計算をするには10億個の連立方程式を作って計算

rarr気が遠くなる話だけど計算機は単純計算は得意

20181025 機械工学入門

シミュレーションの規模

20181025 機械工学入門

41 格子生成

20181025

22

20181025 機械工学入門

42

By Prof Makoto Tsubokura (Kobe Univ) And Suzuki Ltd

300億メッシュの解析事例(FFred)

20181025 機械工学入門

43

By Prof Makoto Tsubokura (Kobe Univ) And Suzuki Ltd

アニメーション(FrontFlowred)

20181025

23

20181025 機械工学入門

44

並列計算一つのコンピュータでは計算できない問題を

多数のコンピュータで計算

リチャードソン計算職人を6000人集めて天気予報を試みる

光が1秒間に進む距離300000キロメートル

クロック周波数37GHz (1秒間に370000000)

1クロックで光が進む距離8cm 程度

rarr通信速度から現在のコンピュータの速度は限界に近い

一つのパソコンに複数のCPU (インテル6コア)

10億の連立方程式を解くには速いコンピュータが必要

もっと速くもっと大規模に

20181025 機械工学入門

45

スパコンの性能は10年で1000倍 世界最速コンピュータ「京」 2011年6月 世界最高性能 816PFLOPSを達成

PC

コンピューターの性能

FLOPS1秒間あたりの演算回数

20181025

24

20181025 機械工学入門

46

物理法則に対するコンピュータシミュレーションの原理は簡単

ただし膨大な数の連立方程式を解く必要がある

そのためには高速のコンピュータが必要

コンピュータの速度も限界複数のコンピュータで計算するため

通信速度も重要

京に代表されるハイパフォーマンスコンピュータが必要

ソフトウェアや実証試験も重要他国に負けない技術開発

スーパーコンピューターが作れるのは米国と日本だけ

CRY1160MFlops 価格800万ドル

iPhone41GFlops 価格669ドル

コーヒーブレイク

20181025 機械工学入門

47 自動車コンソーシアム

20181025

25

20181025 機械工学入門

48

HPCによる自動車用次世代空力熱設計システムの研究開発

北海道大学 坪倉 誠(リーダー) ①階層的データ構造による超大規模格子作成

統合ユーザーインターフェースの開発

東大生研小野 謙二

②実走行状態における気流車両運動連成空力解析

北海道大学 坪倉 誠広島大学 中島卓司

③空力振動音響連成解析による車室内騒音の予測

豊橋技術科学大学 飯田明由

④エンジンルーム排気管系熱害

東京都市大学 郡 逸平

コンソーシアムの課題内容

20181025 機械工学入門

49

固体伝播

フレーム振動(低周波数) 車体剛性に関連

車体振動(高周波数)車体重量(質量則)構造(コインシデンス) HVAC(特に配管系)冷媒振動音気液2相流

空気伝播

車外空力騒音(比較的高い周波数)音源部位の特定困難

HAVC(ファン騒音)ダクト系の共鳴+広帯域騒音

伝達関数

音 流体力

車内騒音解析の考え方(SEA法)

20181025

26

20181025 機械工学入門

50

音響透過解析(反射回折透過) FrontFlowBlue-ACOUSTICS

振動解析(流体加振構造振動) Adventure

音源解析(物体表面圧力変動空力騒音) FrontFlowBlue

室内音場解析

FrontFlowBlue-ACOUSTICS

流体-音響メッシュ周波数領域

物体表面メッシュ

車内騒音解析手法

1way 連成解析 プログラム連成REVOCAP

20181025 機械工学入門

51

流体ソルバーによる 車外流れの流体解析

構造ソルバーによる 車体の振動解析

bullモックアップモデル

空力rArr構造振動rArr音響の連成解析により車室内の騒音を予測する

音響ソルバーによる 車室内騒音解析

ベンチマークテスト

流体メッシュ 構造メッシュ 流体側圧力分布

構造側圧力分布

REVOCAP_Coupler

によるマッピング

20181025

27

20181025 機械工学入門

52

流体解析空力音に寄与する音のスケール 1mm (10kHz) 境界層内の渦スケール 01 mm

境界層メッシュ解像度 200mm

解析メッシュ 200億要素

振動解析流体解析データを加える振動力とする周波数 10kHz

解析自由度規模 1億自由度

解像度 1mm

解析メッシュ 1000万要素

騒音解析振動解析結果を圧力境界または粒子速度境界 10kHz

解像度 3mm

解析メッシュ 10億要素

解析規模(最終目標)

スズキ MRワゴン

時速100km走行時の車内騒音

20181025 機械工学入門

53

流体解析 構造振動解析 音響解

解析ソフト FFB Ver 81 Adventure Cluster FFB-Acoustics Ver50

解析規模 52億要素 250万要素(1500 万自由度) 3700万要素

解析メッシュ 6面体メッシュ シェル要素(34角形)

ソリッド要素(456面体) 4面体要素

解析時間 京(4096ノード) 22時間1sec

CX1000 (96 コア) 7日6144step

FX10(24ノード) 30時間512周波数

最小メッシュサイズ

01mm 4mm 1mm

最小解像度 渦スケール 1mm 周波数4kHz 最大周波数の波長を20

分割 (4mm)

解析ドメイン 時間領域 時間領域 周波数処理

離散化方法 有限要素法 有限差分法 有限要素法

連成処理

データ

表面圧力変動

壁面加振動力

壁面振動加速度

音響粒子速度

今回の解析規模

20181025

28

20181025 機械工学入門

54 流体解析結果(1)

Cd値 解析0295(実験03)

20181025 機械工学入門

55

3000万要素

52億要素

メッシュ規模の影響 京(4096ノード32768コア)

22時間1sec

8000万要素

20181025

29

20181025 機械工学入門

56 流体解析結果 (2) 圧力変動強度(rms値)

渦度の絶対値

20181022

57 外部音解析

音源項 音源となる渦

流体圧力と音圧

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181025

30

20181022

58

流れ場 音場

車体周りの空力音響解析結果

音場解析事例(50億CFD+8千万CAA)

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181022

59

車体近傍には擬似音場が形成される

疑似音波が車内音に及ぼす影響が重要

擬似音場(圧力場)

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181025

31

20181025 機械工学入門

60

378Hz 638Hz

513Hz

38Hz 68Hz

52Hz 91Hz 赤字の値実験値

900Hz

リアドアガラス

ルーフ

モード解析結果

20181025 機械工学入門

61 振動解析結果(2) CX1000 (96 コア)

7日6144step

20181025

32

20181025 機械工学入門

62

要素数37089746

節点数 6738591

Tetrahedral Mesh

完全自動メッシュ

平均メッシュサイズ 4mm

4kHzの波長(85mm)を20分割

車内騒音解析

20181025 機械工学入門

63 車内騒音解析結果(1)

車体周りの流れに起因する車内騒音解析結果(100Hz)

注意外部流れは速度場の瞬時値室内音は平均音圧分布のため車外と室内の解析結果は時間的には同期していない点に注意

20181025

33

20181025 機械工学入門

64 車内騒音解析結果(2)

20181025 機械工学入門

65 車内騒音解析結果(3)

車外渦度場内部音響粒子速度ベクトル

20181025

34

20181025 機械工学入門

66 車内騒音解析結果(4)

圧力分布(実部)

20181025 機械工学入門

67

200Hz

125Hz

315Hz

613Hz

400Hz

800Hz

2000Hz

1000Hz

4000Hz

200Hz 1000Hz

車内騒音解析結果(5) FX10(24ノードtimes6 2304コア) 30時間512周波数

20181025

35

20181025 機械工学入門

68 解析結果の定量的な評価(2)

20181025 機械工学入門

69

洋上ウィンドファーム周りの流れ

翼周り流れに対する主流乱の影響 空力構造連成

格子点数1兆規模

ウィンドファームの開発(2015年から)

20181025

36

20181025 機械工学入門

70 風車回りの流れの計算結果

20181025 機械工学入門

71

httpaerometutacjp

iidametutacjp

自然エネルギー変換科学研究室

Page 17: 機械工学入門(流体力学) 0aero.me.tut.ac.jp/Lectures/Intro/intro2018.pdf2018/10/25 1 機械工学入門 2018/10/25 自然エネルギー変換科学研究室 飯田明由

20181025

17

20181025 機械工学入門

32

模型なのでいろいろと

試すことができる

模型実験の利点

20181025 機械工学入門

33 ナビエストークスの式

流体は粘々しているせん断応力

流体を速く動かそうとすると粘り気による力が働く

ニュートンの式に流体の性質である圧力

と粘り気による力の項を加えた式を考える

z

w

y

v

x

u

x

uw

yv

xu

tDt

D

gradgradpDt

D

vFv

2

3

11

m

m

ミレニアム懸賞問題

PneNP予想

ホッジ予想

ポアンカレ予想

リーマン予想

ヤン-ミルズ方程式と質量ギャップ問題

ナビエ-ストークス方程式の解の存在と滑らかさ

バーチスウィンナートン=ダイアー予想 慣性力=圧力+粘性力

20181025

18

20181025 機械工学入門

34 コンピュータの利用

20181025 機械工学入門

35 戦略HPCIプロジェクト

High Performance Computing Infrastructure

20181025

19

20181025 機械工学入門

36 HPCIプロジェクト(自動車関連)

1048708 「自動車用統合空力連成設計システムの研究開発」 自動車まるごと連成解析の実現による車体設計手法の革新

空力車両運動連成

外部音キャビン騒音

エンジンルームキャビン内熱環境解析

1048708 LES非定常空力解析を主体とした設計システム

超マルチ時間スケールLES(実時間で数分) rarr車両運動連成解析

超大規模LES(数十億要素数規模) rarr外部音キャビン騒音解析

超高速RANS(1ケース1分程度) rarr空力熱設計最適化

20181025 機械工学入門

37

5年後になにしているか

沖縄に台風が上陸したときの豊橋の天気は

今日何時に寝るか

技科大の天気と駅前の天気

近い将来や近所のことは

予測ができる

f(x)

コンピュータを使った予測方法

20181025

20

20181025 機械工学入門

38

コンピューターは四則演算しかできない

Sinの微分はなんでしょうかrarrコンピュータにはわからない

x

xvxxv

dx

dv

t

tvttv

dt

dv

)()(

)()(

ちょっと先の結果から現在の結果を引く (時間当たりの変化) 自分の隣の結果と自分自身の結果を引く(空間あたりの変化) 時間当たりの変化を求める

tやxを小さくすると微分と等しくなる微分がわからなくても

計算できる

POINTセルを細かく時間刻みを短くすれば現実に近づく

難しい方程式を簡単に

20181025 機械工学入門

39

計算したい物体の周りを

小さなセルに分割

各セルの将来の値を推定

(物理法則)

物理法則を用いて周囲の

セルの物理量を元に物理

量を計算 繰り返し

計算結果を出力

dt

dvmmaF

物理法則たとえば

コンピューターシミュレーション

20181025

21

40

細かくセルを分割して計算するには高速のコンピュータが必要

自動車の周囲 5mtimes3mtimes15mの空間を計算する

3m

5m 15m

各辺を1mmの格子で分割する2250億の小さなブロックに分割

実際の計算では場所によって大きさを変える車の場合は10億程度

流れの計算をするには10億個の連立方程式を作って計算

rarr気が遠くなる話だけど計算機は単純計算は得意

20181025 機械工学入門

シミュレーションの規模

20181025 機械工学入門

41 格子生成

20181025

22

20181025 機械工学入門

42

By Prof Makoto Tsubokura (Kobe Univ) And Suzuki Ltd

300億メッシュの解析事例(FFred)

20181025 機械工学入門

43

By Prof Makoto Tsubokura (Kobe Univ) And Suzuki Ltd

アニメーション(FrontFlowred)

20181025

23

20181025 機械工学入門

44

並列計算一つのコンピュータでは計算できない問題を

多数のコンピュータで計算

リチャードソン計算職人を6000人集めて天気予報を試みる

光が1秒間に進む距離300000キロメートル

クロック周波数37GHz (1秒間に370000000)

1クロックで光が進む距離8cm 程度

rarr通信速度から現在のコンピュータの速度は限界に近い

一つのパソコンに複数のCPU (インテル6コア)

10億の連立方程式を解くには速いコンピュータが必要

もっと速くもっと大規模に

20181025 機械工学入門

45

スパコンの性能は10年で1000倍 世界最速コンピュータ「京」 2011年6月 世界最高性能 816PFLOPSを達成

PC

コンピューターの性能

FLOPS1秒間あたりの演算回数

20181025

24

20181025 機械工学入門

46

物理法則に対するコンピュータシミュレーションの原理は簡単

ただし膨大な数の連立方程式を解く必要がある

そのためには高速のコンピュータが必要

コンピュータの速度も限界複数のコンピュータで計算するため

通信速度も重要

京に代表されるハイパフォーマンスコンピュータが必要

ソフトウェアや実証試験も重要他国に負けない技術開発

スーパーコンピューターが作れるのは米国と日本だけ

CRY1160MFlops 価格800万ドル

iPhone41GFlops 価格669ドル

コーヒーブレイク

20181025 機械工学入門

47 自動車コンソーシアム

20181025

25

20181025 機械工学入門

48

HPCによる自動車用次世代空力熱設計システムの研究開発

北海道大学 坪倉 誠(リーダー) ①階層的データ構造による超大規模格子作成

統合ユーザーインターフェースの開発

東大生研小野 謙二

②実走行状態における気流車両運動連成空力解析

北海道大学 坪倉 誠広島大学 中島卓司

③空力振動音響連成解析による車室内騒音の予測

豊橋技術科学大学 飯田明由

④エンジンルーム排気管系熱害

東京都市大学 郡 逸平

コンソーシアムの課題内容

20181025 機械工学入門

49

固体伝播

フレーム振動(低周波数) 車体剛性に関連

車体振動(高周波数)車体重量(質量則)構造(コインシデンス) HVAC(特に配管系)冷媒振動音気液2相流

空気伝播

車外空力騒音(比較的高い周波数)音源部位の特定困難

HAVC(ファン騒音)ダクト系の共鳴+広帯域騒音

伝達関数

音 流体力

車内騒音解析の考え方(SEA法)

20181025

26

20181025 機械工学入門

50

音響透過解析(反射回折透過) FrontFlowBlue-ACOUSTICS

振動解析(流体加振構造振動) Adventure

音源解析(物体表面圧力変動空力騒音) FrontFlowBlue

室内音場解析

FrontFlowBlue-ACOUSTICS

流体-音響メッシュ周波数領域

物体表面メッシュ

車内騒音解析手法

1way 連成解析 プログラム連成REVOCAP

20181025 機械工学入門

51

流体ソルバーによる 車外流れの流体解析

構造ソルバーによる 車体の振動解析

bullモックアップモデル

空力rArr構造振動rArr音響の連成解析により車室内の騒音を予測する

音響ソルバーによる 車室内騒音解析

ベンチマークテスト

流体メッシュ 構造メッシュ 流体側圧力分布

構造側圧力分布

REVOCAP_Coupler

によるマッピング

20181025

27

20181025 機械工学入門

52

流体解析空力音に寄与する音のスケール 1mm (10kHz) 境界層内の渦スケール 01 mm

境界層メッシュ解像度 200mm

解析メッシュ 200億要素

振動解析流体解析データを加える振動力とする周波数 10kHz

解析自由度規模 1億自由度

解像度 1mm

解析メッシュ 1000万要素

騒音解析振動解析結果を圧力境界または粒子速度境界 10kHz

解像度 3mm

解析メッシュ 10億要素

解析規模(最終目標)

スズキ MRワゴン

時速100km走行時の車内騒音

20181025 機械工学入門

53

流体解析 構造振動解析 音響解

解析ソフト FFB Ver 81 Adventure Cluster FFB-Acoustics Ver50

解析規模 52億要素 250万要素(1500 万自由度) 3700万要素

解析メッシュ 6面体メッシュ シェル要素(34角形)

ソリッド要素(456面体) 4面体要素

解析時間 京(4096ノード) 22時間1sec

CX1000 (96 コア) 7日6144step

FX10(24ノード) 30時間512周波数

最小メッシュサイズ

01mm 4mm 1mm

最小解像度 渦スケール 1mm 周波数4kHz 最大周波数の波長を20

分割 (4mm)

解析ドメイン 時間領域 時間領域 周波数処理

離散化方法 有限要素法 有限差分法 有限要素法

連成処理

データ

表面圧力変動

壁面加振動力

壁面振動加速度

音響粒子速度

今回の解析規模

20181025

28

20181025 機械工学入門

54 流体解析結果(1)

Cd値 解析0295(実験03)

20181025 機械工学入門

55

3000万要素

52億要素

メッシュ規模の影響 京(4096ノード32768コア)

22時間1sec

8000万要素

20181025

29

20181025 機械工学入門

56 流体解析結果 (2) 圧力変動強度(rms値)

渦度の絶対値

20181022

57 外部音解析

音源項 音源となる渦

流体圧力と音圧

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181025

30

20181022

58

流れ場 音場

車体周りの空力音響解析結果

音場解析事例(50億CFD+8千万CAA)

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181022

59

車体近傍には擬似音場が形成される

疑似音波が車内音に及ぼす影響が重要

擬似音場(圧力場)

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181025

31

20181025 機械工学入門

60

378Hz 638Hz

513Hz

38Hz 68Hz

52Hz 91Hz 赤字の値実験値

900Hz

リアドアガラス

ルーフ

モード解析結果

20181025 機械工学入門

61 振動解析結果(2) CX1000 (96 コア)

7日6144step

20181025

32

20181025 機械工学入門

62

要素数37089746

節点数 6738591

Tetrahedral Mesh

完全自動メッシュ

平均メッシュサイズ 4mm

4kHzの波長(85mm)を20分割

車内騒音解析

20181025 機械工学入門

63 車内騒音解析結果(1)

車体周りの流れに起因する車内騒音解析結果(100Hz)

注意外部流れは速度場の瞬時値室内音は平均音圧分布のため車外と室内の解析結果は時間的には同期していない点に注意

20181025

33

20181025 機械工学入門

64 車内騒音解析結果(2)

20181025 機械工学入門

65 車内騒音解析結果(3)

車外渦度場内部音響粒子速度ベクトル

20181025

34

20181025 機械工学入門

66 車内騒音解析結果(4)

圧力分布(実部)

20181025 機械工学入門

67

200Hz

125Hz

315Hz

613Hz

400Hz

800Hz

2000Hz

1000Hz

4000Hz

200Hz 1000Hz

車内騒音解析結果(5) FX10(24ノードtimes6 2304コア) 30時間512周波数

20181025

35

20181025 機械工学入門

68 解析結果の定量的な評価(2)

20181025 機械工学入門

69

洋上ウィンドファーム周りの流れ

翼周り流れに対する主流乱の影響 空力構造連成

格子点数1兆規模

ウィンドファームの開発(2015年から)

20181025

36

20181025 機械工学入門

70 風車回りの流れの計算結果

20181025 機械工学入門

71

httpaerometutacjp

iidametutacjp

自然エネルギー変換科学研究室

Page 18: 機械工学入門(流体力学) 0aero.me.tut.ac.jp/Lectures/Intro/intro2018.pdf2018/10/25 1 機械工学入門 2018/10/25 自然エネルギー変換科学研究室 飯田明由

20181025

18

20181025 機械工学入門

34 コンピュータの利用

20181025 機械工学入門

35 戦略HPCIプロジェクト

High Performance Computing Infrastructure

20181025

19

20181025 機械工学入門

36 HPCIプロジェクト(自動車関連)

1048708 「自動車用統合空力連成設計システムの研究開発」 自動車まるごと連成解析の実現による車体設計手法の革新

空力車両運動連成

外部音キャビン騒音

エンジンルームキャビン内熱環境解析

1048708 LES非定常空力解析を主体とした設計システム

超マルチ時間スケールLES(実時間で数分) rarr車両運動連成解析

超大規模LES(数十億要素数規模) rarr外部音キャビン騒音解析

超高速RANS(1ケース1分程度) rarr空力熱設計最適化

20181025 機械工学入門

37

5年後になにしているか

沖縄に台風が上陸したときの豊橋の天気は

今日何時に寝るか

技科大の天気と駅前の天気

近い将来や近所のことは

予測ができる

f(x)

コンピュータを使った予測方法

20181025

20

20181025 機械工学入門

38

コンピューターは四則演算しかできない

Sinの微分はなんでしょうかrarrコンピュータにはわからない

x

xvxxv

dx

dv

t

tvttv

dt

dv

)()(

)()(

ちょっと先の結果から現在の結果を引く (時間当たりの変化) 自分の隣の結果と自分自身の結果を引く(空間あたりの変化) 時間当たりの変化を求める

tやxを小さくすると微分と等しくなる微分がわからなくても

計算できる

POINTセルを細かく時間刻みを短くすれば現実に近づく

難しい方程式を簡単に

20181025 機械工学入門

39

計算したい物体の周りを

小さなセルに分割

各セルの将来の値を推定

(物理法則)

物理法則を用いて周囲の

セルの物理量を元に物理

量を計算 繰り返し

計算結果を出力

dt

dvmmaF

物理法則たとえば

コンピューターシミュレーション

20181025

21

40

細かくセルを分割して計算するには高速のコンピュータが必要

自動車の周囲 5mtimes3mtimes15mの空間を計算する

3m

5m 15m

各辺を1mmの格子で分割する2250億の小さなブロックに分割

実際の計算では場所によって大きさを変える車の場合は10億程度

流れの計算をするには10億個の連立方程式を作って計算

rarr気が遠くなる話だけど計算機は単純計算は得意

20181025 機械工学入門

シミュレーションの規模

20181025 機械工学入門

41 格子生成

20181025

22

20181025 機械工学入門

42

By Prof Makoto Tsubokura (Kobe Univ) And Suzuki Ltd

300億メッシュの解析事例(FFred)

20181025 機械工学入門

43

By Prof Makoto Tsubokura (Kobe Univ) And Suzuki Ltd

アニメーション(FrontFlowred)

20181025

23

20181025 機械工学入門

44

並列計算一つのコンピュータでは計算できない問題を

多数のコンピュータで計算

リチャードソン計算職人を6000人集めて天気予報を試みる

光が1秒間に進む距離300000キロメートル

クロック周波数37GHz (1秒間に370000000)

1クロックで光が進む距離8cm 程度

rarr通信速度から現在のコンピュータの速度は限界に近い

一つのパソコンに複数のCPU (インテル6コア)

10億の連立方程式を解くには速いコンピュータが必要

もっと速くもっと大規模に

20181025 機械工学入門

45

スパコンの性能は10年で1000倍 世界最速コンピュータ「京」 2011年6月 世界最高性能 816PFLOPSを達成

PC

コンピューターの性能

FLOPS1秒間あたりの演算回数

20181025

24

20181025 機械工学入門

46

物理法則に対するコンピュータシミュレーションの原理は簡単

ただし膨大な数の連立方程式を解く必要がある

そのためには高速のコンピュータが必要

コンピュータの速度も限界複数のコンピュータで計算するため

通信速度も重要

京に代表されるハイパフォーマンスコンピュータが必要

ソフトウェアや実証試験も重要他国に負けない技術開発

スーパーコンピューターが作れるのは米国と日本だけ

CRY1160MFlops 価格800万ドル

iPhone41GFlops 価格669ドル

コーヒーブレイク

20181025 機械工学入門

47 自動車コンソーシアム

20181025

25

20181025 機械工学入門

48

HPCによる自動車用次世代空力熱設計システムの研究開発

北海道大学 坪倉 誠(リーダー) ①階層的データ構造による超大規模格子作成

統合ユーザーインターフェースの開発

東大生研小野 謙二

②実走行状態における気流車両運動連成空力解析

北海道大学 坪倉 誠広島大学 中島卓司

③空力振動音響連成解析による車室内騒音の予測

豊橋技術科学大学 飯田明由

④エンジンルーム排気管系熱害

東京都市大学 郡 逸平

コンソーシアムの課題内容

20181025 機械工学入門

49

固体伝播

フレーム振動(低周波数) 車体剛性に関連

車体振動(高周波数)車体重量(質量則)構造(コインシデンス) HVAC(特に配管系)冷媒振動音気液2相流

空気伝播

車外空力騒音(比較的高い周波数)音源部位の特定困難

HAVC(ファン騒音)ダクト系の共鳴+広帯域騒音

伝達関数

音 流体力

車内騒音解析の考え方(SEA法)

20181025

26

20181025 機械工学入門

50

音響透過解析(反射回折透過) FrontFlowBlue-ACOUSTICS

振動解析(流体加振構造振動) Adventure

音源解析(物体表面圧力変動空力騒音) FrontFlowBlue

室内音場解析

FrontFlowBlue-ACOUSTICS

流体-音響メッシュ周波数領域

物体表面メッシュ

車内騒音解析手法

1way 連成解析 プログラム連成REVOCAP

20181025 機械工学入門

51

流体ソルバーによる 車外流れの流体解析

構造ソルバーによる 車体の振動解析

bullモックアップモデル

空力rArr構造振動rArr音響の連成解析により車室内の騒音を予測する

音響ソルバーによる 車室内騒音解析

ベンチマークテスト

流体メッシュ 構造メッシュ 流体側圧力分布

構造側圧力分布

REVOCAP_Coupler

によるマッピング

20181025

27

20181025 機械工学入門

52

流体解析空力音に寄与する音のスケール 1mm (10kHz) 境界層内の渦スケール 01 mm

境界層メッシュ解像度 200mm

解析メッシュ 200億要素

振動解析流体解析データを加える振動力とする周波数 10kHz

解析自由度規模 1億自由度

解像度 1mm

解析メッシュ 1000万要素

騒音解析振動解析結果を圧力境界または粒子速度境界 10kHz

解像度 3mm

解析メッシュ 10億要素

解析規模(最終目標)

スズキ MRワゴン

時速100km走行時の車内騒音

20181025 機械工学入門

53

流体解析 構造振動解析 音響解

解析ソフト FFB Ver 81 Adventure Cluster FFB-Acoustics Ver50

解析規模 52億要素 250万要素(1500 万自由度) 3700万要素

解析メッシュ 6面体メッシュ シェル要素(34角形)

ソリッド要素(456面体) 4面体要素

解析時間 京(4096ノード) 22時間1sec

CX1000 (96 コア) 7日6144step

FX10(24ノード) 30時間512周波数

最小メッシュサイズ

01mm 4mm 1mm

最小解像度 渦スケール 1mm 周波数4kHz 最大周波数の波長を20

分割 (4mm)

解析ドメイン 時間領域 時間領域 周波数処理

離散化方法 有限要素法 有限差分法 有限要素法

連成処理

データ

表面圧力変動

壁面加振動力

壁面振動加速度

音響粒子速度

今回の解析規模

20181025

28

20181025 機械工学入門

54 流体解析結果(1)

Cd値 解析0295(実験03)

20181025 機械工学入門

55

3000万要素

52億要素

メッシュ規模の影響 京(4096ノード32768コア)

22時間1sec

8000万要素

20181025

29

20181025 機械工学入門

56 流体解析結果 (2) 圧力変動強度(rms値)

渦度の絶対値

20181022

57 外部音解析

音源項 音源となる渦

流体圧力と音圧

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181025

30

20181022

58

流れ場 音場

車体周りの空力音響解析結果

音場解析事例(50億CFD+8千万CAA)

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181022

59

車体近傍には擬似音場が形成される

疑似音波が車内音に及ぼす影響が重要

擬似音場(圧力場)

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181025

31

20181025 機械工学入門

60

378Hz 638Hz

513Hz

38Hz 68Hz

52Hz 91Hz 赤字の値実験値

900Hz

リアドアガラス

ルーフ

モード解析結果

20181025 機械工学入門

61 振動解析結果(2) CX1000 (96 コア)

7日6144step

20181025

32

20181025 機械工学入門

62

要素数37089746

節点数 6738591

Tetrahedral Mesh

完全自動メッシュ

平均メッシュサイズ 4mm

4kHzの波長(85mm)を20分割

車内騒音解析

20181025 機械工学入門

63 車内騒音解析結果(1)

車体周りの流れに起因する車内騒音解析結果(100Hz)

注意外部流れは速度場の瞬時値室内音は平均音圧分布のため車外と室内の解析結果は時間的には同期していない点に注意

20181025

33

20181025 機械工学入門

64 車内騒音解析結果(2)

20181025 機械工学入門

65 車内騒音解析結果(3)

車外渦度場内部音響粒子速度ベクトル

20181025

34

20181025 機械工学入門

66 車内騒音解析結果(4)

圧力分布(実部)

20181025 機械工学入門

67

200Hz

125Hz

315Hz

613Hz

400Hz

800Hz

2000Hz

1000Hz

4000Hz

200Hz 1000Hz

車内騒音解析結果(5) FX10(24ノードtimes6 2304コア) 30時間512周波数

20181025

35

20181025 機械工学入門

68 解析結果の定量的な評価(2)

20181025 機械工学入門

69

洋上ウィンドファーム周りの流れ

翼周り流れに対する主流乱の影響 空力構造連成

格子点数1兆規模

ウィンドファームの開発(2015年から)

20181025

36

20181025 機械工学入門

70 風車回りの流れの計算結果

20181025 機械工学入門

71

httpaerometutacjp

iidametutacjp

自然エネルギー変換科学研究室

Page 19: 機械工学入門(流体力学) 0aero.me.tut.ac.jp/Lectures/Intro/intro2018.pdf2018/10/25 1 機械工学入門 2018/10/25 自然エネルギー変換科学研究室 飯田明由

20181025

19

20181025 機械工学入門

36 HPCIプロジェクト(自動車関連)

1048708 「自動車用統合空力連成設計システムの研究開発」 自動車まるごと連成解析の実現による車体設計手法の革新

空力車両運動連成

外部音キャビン騒音

エンジンルームキャビン内熱環境解析

1048708 LES非定常空力解析を主体とした設計システム

超マルチ時間スケールLES(実時間で数分) rarr車両運動連成解析

超大規模LES(数十億要素数規模) rarr外部音キャビン騒音解析

超高速RANS(1ケース1分程度) rarr空力熱設計最適化

20181025 機械工学入門

37

5年後になにしているか

沖縄に台風が上陸したときの豊橋の天気は

今日何時に寝るか

技科大の天気と駅前の天気

近い将来や近所のことは

予測ができる

f(x)

コンピュータを使った予測方法

20181025

20

20181025 機械工学入門

38

コンピューターは四則演算しかできない

Sinの微分はなんでしょうかrarrコンピュータにはわからない

x

xvxxv

dx

dv

t

tvttv

dt

dv

)()(

)()(

ちょっと先の結果から現在の結果を引く (時間当たりの変化) 自分の隣の結果と自分自身の結果を引く(空間あたりの変化) 時間当たりの変化を求める

tやxを小さくすると微分と等しくなる微分がわからなくても

計算できる

POINTセルを細かく時間刻みを短くすれば現実に近づく

難しい方程式を簡単に

20181025 機械工学入門

39

計算したい物体の周りを

小さなセルに分割

各セルの将来の値を推定

(物理法則)

物理法則を用いて周囲の

セルの物理量を元に物理

量を計算 繰り返し

計算結果を出力

dt

dvmmaF

物理法則たとえば

コンピューターシミュレーション

20181025

21

40

細かくセルを分割して計算するには高速のコンピュータが必要

自動車の周囲 5mtimes3mtimes15mの空間を計算する

3m

5m 15m

各辺を1mmの格子で分割する2250億の小さなブロックに分割

実際の計算では場所によって大きさを変える車の場合は10億程度

流れの計算をするには10億個の連立方程式を作って計算

rarr気が遠くなる話だけど計算機は単純計算は得意

20181025 機械工学入門

シミュレーションの規模

20181025 機械工学入門

41 格子生成

20181025

22

20181025 機械工学入門

42

By Prof Makoto Tsubokura (Kobe Univ) And Suzuki Ltd

300億メッシュの解析事例(FFred)

20181025 機械工学入門

43

By Prof Makoto Tsubokura (Kobe Univ) And Suzuki Ltd

アニメーション(FrontFlowred)

20181025

23

20181025 機械工学入門

44

並列計算一つのコンピュータでは計算できない問題を

多数のコンピュータで計算

リチャードソン計算職人を6000人集めて天気予報を試みる

光が1秒間に進む距離300000キロメートル

クロック周波数37GHz (1秒間に370000000)

1クロックで光が進む距離8cm 程度

rarr通信速度から現在のコンピュータの速度は限界に近い

一つのパソコンに複数のCPU (インテル6コア)

10億の連立方程式を解くには速いコンピュータが必要

もっと速くもっと大規模に

20181025 機械工学入門

45

スパコンの性能は10年で1000倍 世界最速コンピュータ「京」 2011年6月 世界最高性能 816PFLOPSを達成

PC

コンピューターの性能

FLOPS1秒間あたりの演算回数

20181025

24

20181025 機械工学入門

46

物理法則に対するコンピュータシミュレーションの原理は簡単

ただし膨大な数の連立方程式を解く必要がある

そのためには高速のコンピュータが必要

コンピュータの速度も限界複数のコンピュータで計算するため

通信速度も重要

京に代表されるハイパフォーマンスコンピュータが必要

ソフトウェアや実証試験も重要他国に負けない技術開発

スーパーコンピューターが作れるのは米国と日本だけ

CRY1160MFlops 価格800万ドル

iPhone41GFlops 価格669ドル

コーヒーブレイク

20181025 機械工学入門

47 自動車コンソーシアム

20181025

25

20181025 機械工学入門

48

HPCによる自動車用次世代空力熱設計システムの研究開発

北海道大学 坪倉 誠(リーダー) ①階層的データ構造による超大規模格子作成

統合ユーザーインターフェースの開発

東大生研小野 謙二

②実走行状態における気流車両運動連成空力解析

北海道大学 坪倉 誠広島大学 中島卓司

③空力振動音響連成解析による車室内騒音の予測

豊橋技術科学大学 飯田明由

④エンジンルーム排気管系熱害

東京都市大学 郡 逸平

コンソーシアムの課題内容

20181025 機械工学入門

49

固体伝播

フレーム振動(低周波数) 車体剛性に関連

車体振動(高周波数)車体重量(質量則)構造(コインシデンス) HVAC(特に配管系)冷媒振動音気液2相流

空気伝播

車外空力騒音(比較的高い周波数)音源部位の特定困難

HAVC(ファン騒音)ダクト系の共鳴+広帯域騒音

伝達関数

音 流体力

車内騒音解析の考え方(SEA法)

20181025

26

20181025 機械工学入門

50

音響透過解析(反射回折透過) FrontFlowBlue-ACOUSTICS

振動解析(流体加振構造振動) Adventure

音源解析(物体表面圧力変動空力騒音) FrontFlowBlue

室内音場解析

FrontFlowBlue-ACOUSTICS

流体-音響メッシュ周波数領域

物体表面メッシュ

車内騒音解析手法

1way 連成解析 プログラム連成REVOCAP

20181025 機械工学入門

51

流体ソルバーによる 車外流れの流体解析

構造ソルバーによる 車体の振動解析

bullモックアップモデル

空力rArr構造振動rArr音響の連成解析により車室内の騒音を予測する

音響ソルバーによる 車室内騒音解析

ベンチマークテスト

流体メッシュ 構造メッシュ 流体側圧力分布

構造側圧力分布

REVOCAP_Coupler

によるマッピング

20181025

27

20181025 機械工学入門

52

流体解析空力音に寄与する音のスケール 1mm (10kHz) 境界層内の渦スケール 01 mm

境界層メッシュ解像度 200mm

解析メッシュ 200億要素

振動解析流体解析データを加える振動力とする周波数 10kHz

解析自由度規模 1億自由度

解像度 1mm

解析メッシュ 1000万要素

騒音解析振動解析結果を圧力境界または粒子速度境界 10kHz

解像度 3mm

解析メッシュ 10億要素

解析規模(最終目標)

スズキ MRワゴン

時速100km走行時の車内騒音

20181025 機械工学入門

53

流体解析 構造振動解析 音響解

解析ソフト FFB Ver 81 Adventure Cluster FFB-Acoustics Ver50

解析規模 52億要素 250万要素(1500 万自由度) 3700万要素

解析メッシュ 6面体メッシュ シェル要素(34角形)

ソリッド要素(456面体) 4面体要素

解析時間 京(4096ノード) 22時間1sec

CX1000 (96 コア) 7日6144step

FX10(24ノード) 30時間512周波数

最小メッシュサイズ

01mm 4mm 1mm

最小解像度 渦スケール 1mm 周波数4kHz 最大周波数の波長を20

分割 (4mm)

解析ドメイン 時間領域 時間領域 周波数処理

離散化方法 有限要素法 有限差分法 有限要素法

連成処理

データ

表面圧力変動

壁面加振動力

壁面振動加速度

音響粒子速度

今回の解析規模

20181025

28

20181025 機械工学入門

54 流体解析結果(1)

Cd値 解析0295(実験03)

20181025 機械工学入門

55

3000万要素

52億要素

メッシュ規模の影響 京(4096ノード32768コア)

22時間1sec

8000万要素

20181025

29

20181025 機械工学入門

56 流体解析結果 (2) 圧力変動強度(rms値)

渦度の絶対値

20181022

57 外部音解析

音源項 音源となる渦

流体圧力と音圧

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181025

30

20181022

58

流れ場 音場

車体周りの空力音響解析結果

音場解析事例(50億CFD+8千万CAA)

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181022

59

車体近傍には擬似音場が形成される

疑似音波が車内音に及ぼす影響が重要

擬似音場(圧力場)

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181025

31

20181025 機械工学入門

60

378Hz 638Hz

513Hz

38Hz 68Hz

52Hz 91Hz 赤字の値実験値

900Hz

リアドアガラス

ルーフ

モード解析結果

20181025 機械工学入門

61 振動解析結果(2) CX1000 (96 コア)

7日6144step

20181025

32

20181025 機械工学入門

62

要素数37089746

節点数 6738591

Tetrahedral Mesh

完全自動メッシュ

平均メッシュサイズ 4mm

4kHzの波長(85mm)を20分割

車内騒音解析

20181025 機械工学入門

63 車内騒音解析結果(1)

車体周りの流れに起因する車内騒音解析結果(100Hz)

注意外部流れは速度場の瞬時値室内音は平均音圧分布のため車外と室内の解析結果は時間的には同期していない点に注意

20181025

33

20181025 機械工学入門

64 車内騒音解析結果(2)

20181025 機械工学入門

65 車内騒音解析結果(3)

車外渦度場内部音響粒子速度ベクトル

20181025

34

20181025 機械工学入門

66 車内騒音解析結果(4)

圧力分布(実部)

20181025 機械工学入門

67

200Hz

125Hz

315Hz

613Hz

400Hz

800Hz

2000Hz

1000Hz

4000Hz

200Hz 1000Hz

車内騒音解析結果(5) FX10(24ノードtimes6 2304コア) 30時間512周波数

20181025

35

20181025 機械工学入門

68 解析結果の定量的な評価(2)

20181025 機械工学入門

69

洋上ウィンドファーム周りの流れ

翼周り流れに対する主流乱の影響 空力構造連成

格子点数1兆規模

ウィンドファームの開発(2015年から)

20181025

36

20181025 機械工学入門

70 風車回りの流れの計算結果

20181025 機械工学入門

71

httpaerometutacjp

iidametutacjp

自然エネルギー変換科学研究室

Page 20: 機械工学入門(流体力学) 0aero.me.tut.ac.jp/Lectures/Intro/intro2018.pdf2018/10/25 1 機械工学入門 2018/10/25 自然エネルギー変換科学研究室 飯田明由

20181025

20

20181025 機械工学入門

38

コンピューターは四則演算しかできない

Sinの微分はなんでしょうかrarrコンピュータにはわからない

x

xvxxv

dx

dv

t

tvttv

dt

dv

)()(

)()(

ちょっと先の結果から現在の結果を引く (時間当たりの変化) 自分の隣の結果と自分自身の結果を引く(空間あたりの変化) 時間当たりの変化を求める

tやxを小さくすると微分と等しくなる微分がわからなくても

計算できる

POINTセルを細かく時間刻みを短くすれば現実に近づく

難しい方程式を簡単に

20181025 機械工学入門

39

計算したい物体の周りを

小さなセルに分割

各セルの将来の値を推定

(物理法則)

物理法則を用いて周囲の

セルの物理量を元に物理

量を計算 繰り返し

計算結果を出力

dt

dvmmaF

物理法則たとえば

コンピューターシミュレーション

20181025

21

40

細かくセルを分割して計算するには高速のコンピュータが必要

自動車の周囲 5mtimes3mtimes15mの空間を計算する

3m

5m 15m

各辺を1mmの格子で分割する2250億の小さなブロックに分割

実際の計算では場所によって大きさを変える車の場合は10億程度

流れの計算をするには10億個の連立方程式を作って計算

rarr気が遠くなる話だけど計算機は単純計算は得意

20181025 機械工学入門

シミュレーションの規模

20181025 機械工学入門

41 格子生成

20181025

22

20181025 機械工学入門

42

By Prof Makoto Tsubokura (Kobe Univ) And Suzuki Ltd

300億メッシュの解析事例(FFred)

20181025 機械工学入門

43

By Prof Makoto Tsubokura (Kobe Univ) And Suzuki Ltd

アニメーション(FrontFlowred)

20181025

23

20181025 機械工学入門

44

並列計算一つのコンピュータでは計算できない問題を

多数のコンピュータで計算

リチャードソン計算職人を6000人集めて天気予報を試みる

光が1秒間に進む距離300000キロメートル

クロック周波数37GHz (1秒間に370000000)

1クロックで光が進む距離8cm 程度

rarr通信速度から現在のコンピュータの速度は限界に近い

一つのパソコンに複数のCPU (インテル6コア)

10億の連立方程式を解くには速いコンピュータが必要

もっと速くもっと大規模に

20181025 機械工学入門

45

スパコンの性能は10年で1000倍 世界最速コンピュータ「京」 2011年6月 世界最高性能 816PFLOPSを達成

PC

コンピューターの性能

FLOPS1秒間あたりの演算回数

20181025

24

20181025 機械工学入門

46

物理法則に対するコンピュータシミュレーションの原理は簡単

ただし膨大な数の連立方程式を解く必要がある

そのためには高速のコンピュータが必要

コンピュータの速度も限界複数のコンピュータで計算するため

通信速度も重要

京に代表されるハイパフォーマンスコンピュータが必要

ソフトウェアや実証試験も重要他国に負けない技術開発

スーパーコンピューターが作れるのは米国と日本だけ

CRY1160MFlops 価格800万ドル

iPhone41GFlops 価格669ドル

コーヒーブレイク

20181025 機械工学入門

47 自動車コンソーシアム

20181025

25

20181025 機械工学入門

48

HPCによる自動車用次世代空力熱設計システムの研究開発

北海道大学 坪倉 誠(リーダー) ①階層的データ構造による超大規模格子作成

統合ユーザーインターフェースの開発

東大生研小野 謙二

②実走行状態における気流車両運動連成空力解析

北海道大学 坪倉 誠広島大学 中島卓司

③空力振動音響連成解析による車室内騒音の予測

豊橋技術科学大学 飯田明由

④エンジンルーム排気管系熱害

東京都市大学 郡 逸平

コンソーシアムの課題内容

20181025 機械工学入門

49

固体伝播

フレーム振動(低周波数) 車体剛性に関連

車体振動(高周波数)車体重量(質量則)構造(コインシデンス) HVAC(特に配管系)冷媒振動音気液2相流

空気伝播

車外空力騒音(比較的高い周波数)音源部位の特定困難

HAVC(ファン騒音)ダクト系の共鳴+広帯域騒音

伝達関数

音 流体力

車内騒音解析の考え方(SEA法)

20181025

26

20181025 機械工学入門

50

音響透過解析(反射回折透過) FrontFlowBlue-ACOUSTICS

振動解析(流体加振構造振動) Adventure

音源解析(物体表面圧力変動空力騒音) FrontFlowBlue

室内音場解析

FrontFlowBlue-ACOUSTICS

流体-音響メッシュ周波数領域

物体表面メッシュ

車内騒音解析手法

1way 連成解析 プログラム連成REVOCAP

20181025 機械工学入門

51

流体ソルバーによる 車外流れの流体解析

構造ソルバーによる 車体の振動解析

bullモックアップモデル

空力rArr構造振動rArr音響の連成解析により車室内の騒音を予測する

音響ソルバーによる 車室内騒音解析

ベンチマークテスト

流体メッシュ 構造メッシュ 流体側圧力分布

構造側圧力分布

REVOCAP_Coupler

によるマッピング

20181025

27

20181025 機械工学入門

52

流体解析空力音に寄与する音のスケール 1mm (10kHz) 境界層内の渦スケール 01 mm

境界層メッシュ解像度 200mm

解析メッシュ 200億要素

振動解析流体解析データを加える振動力とする周波数 10kHz

解析自由度規模 1億自由度

解像度 1mm

解析メッシュ 1000万要素

騒音解析振動解析結果を圧力境界または粒子速度境界 10kHz

解像度 3mm

解析メッシュ 10億要素

解析規模(最終目標)

スズキ MRワゴン

時速100km走行時の車内騒音

20181025 機械工学入門

53

流体解析 構造振動解析 音響解

解析ソフト FFB Ver 81 Adventure Cluster FFB-Acoustics Ver50

解析規模 52億要素 250万要素(1500 万自由度) 3700万要素

解析メッシュ 6面体メッシュ シェル要素(34角形)

ソリッド要素(456面体) 4面体要素

解析時間 京(4096ノード) 22時間1sec

CX1000 (96 コア) 7日6144step

FX10(24ノード) 30時間512周波数

最小メッシュサイズ

01mm 4mm 1mm

最小解像度 渦スケール 1mm 周波数4kHz 最大周波数の波長を20

分割 (4mm)

解析ドメイン 時間領域 時間領域 周波数処理

離散化方法 有限要素法 有限差分法 有限要素法

連成処理

データ

表面圧力変動

壁面加振動力

壁面振動加速度

音響粒子速度

今回の解析規模

20181025

28

20181025 機械工学入門

54 流体解析結果(1)

Cd値 解析0295(実験03)

20181025 機械工学入門

55

3000万要素

52億要素

メッシュ規模の影響 京(4096ノード32768コア)

22時間1sec

8000万要素

20181025

29

20181025 機械工学入門

56 流体解析結果 (2) 圧力変動強度(rms値)

渦度の絶対値

20181022

57 外部音解析

音源項 音源となる渦

流体圧力と音圧

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181025

30

20181022

58

流れ場 音場

車体周りの空力音響解析結果

音場解析事例(50億CFD+8千万CAA)

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181022

59

車体近傍には擬似音場が形成される

疑似音波が車内音に及ぼす影響が重要

擬似音場(圧力場)

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181025

31

20181025 機械工学入門

60

378Hz 638Hz

513Hz

38Hz 68Hz

52Hz 91Hz 赤字の値実験値

900Hz

リアドアガラス

ルーフ

モード解析結果

20181025 機械工学入門

61 振動解析結果(2) CX1000 (96 コア)

7日6144step

20181025

32

20181025 機械工学入門

62

要素数37089746

節点数 6738591

Tetrahedral Mesh

完全自動メッシュ

平均メッシュサイズ 4mm

4kHzの波長(85mm)を20分割

車内騒音解析

20181025 機械工学入門

63 車内騒音解析結果(1)

車体周りの流れに起因する車内騒音解析結果(100Hz)

注意外部流れは速度場の瞬時値室内音は平均音圧分布のため車外と室内の解析結果は時間的には同期していない点に注意

20181025

33

20181025 機械工学入門

64 車内騒音解析結果(2)

20181025 機械工学入門

65 車内騒音解析結果(3)

車外渦度場内部音響粒子速度ベクトル

20181025

34

20181025 機械工学入門

66 車内騒音解析結果(4)

圧力分布(実部)

20181025 機械工学入門

67

200Hz

125Hz

315Hz

613Hz

400Hz

800Hz

2000Hz

1000Hz

4000Hz

200Hz 1000Hz

車内騒音解析結果(5) FX10(24ノードtimes6 2304コア) 30時間512周波数

20181025

35

20181025 機械工学入門

68 解析結果の定量的な評価(2)

20181025 機械工学入門

69

洋上ウィンドファーム周りの流れ

翼周り流れに対する主流乱の影響 空力構造連成

格子点数1兆規模

ウィンドファームの開発(2015年から)

20181025

36

20181025 機械工学入門

70 風車回りの流れの計算結果

20181025 機械工学入門

71

httpaerometutacjp

iidametutacjp

自然エネルギー変換科学研究室

Page 21: 機械工学入門(流体力学) 0aero.me.tut.ac.jp/Lectures/Intro/intro2018.pdf2018/10/25 1 機械工学入門 2018/10/25 自然エネルギー変換科学研究室 飯田明由

20181025

21

40

細かくセルを分割して計算するには高速のコンピュータが必要

自動車の周囲 5mtimes3mtimes15mの空間を計算する

3m

5m 15m

各辺を1mmの格子で分割する2250億の小さなブロックに分割

実際の計算では場所によって大きさを変える車の場合は10億程度

流れの計算をするには10億個の連立方程式を作って計算

rarr気が遠くなる話だけど計算機は単純計算は得意

20181025 機械工学入門

シミュレーションの規模

20181025 機械工学入門

41 格子生成

20181025

22

20181025 機械工学入門

42

By Prof Makoto Tsubokura (Kobe Univ) And Suzuki Ltd

300億メッシュの解析事例(FFred)

20181025 機械工学入門

43

By Prof Makoto Tsubokura (Kobe Univ) And Suzuki Ltd

アニメーション(FrontFlowred)

20181025

23

20181025 機械工学入門

44

並列計算一つのコンピュータでは計算できない問題を

多数のコンピュータで計算

リチャードソン計算職人を6000人集めて天気予報を試みる

光が1秒間に進む距離300000キロメートル

クロック周波数37GHz (1秒間に370000000)

1クロックで光が進む距離8cm 程度

rarr通信速度から現在のコンピュータの速度は限界に近い

一つのパソコンに複数のCPU (インテル6コア)

10億の連立方程式を解くには速いコンピュータが必要

もっと速くもっと大規模に

20181025 機械工学入門

45

スパコンの性能は10年で1000倍 世界最速コンピュータ「京」 2011年6月 世界最高性能 816PFLOPSを達成

PC

コンピューターの性能

FLOPS1秒間あたりの演算回数

20181025

24

20181025 機械工学入門

46

物理法則に対するコンピュータシミュレーションの原理は簡単

ただし膨大な数の連立方程式を解く必要がある

そのためには高速のコンピュータが必要

コンピュータの速度も限界複数のコンピュータで計算するため

通信速度も重要

京に代表されるハイパフォーマンスコンピュータが必要

ソフトウェアや実証試験も重要他国に負けない技術開発

スーパーコンピューターが作れるのは米国と日本だけ

CRY1160MFlops 価格800万ドル

iPhone41GFlops 価格669ドル

コーヒーブレイク

20181025 機械工学入門

47 自動車コンソーシアム

20181025

25

20181025 機械工学入門

48

HPCによる自動車用次世代空力熱設計システムの研究開発

北海道大学 坪倉 誠(リーダー) ①階層的データ構造による超大規模格子作成

統合ユーザーインターフェースの開発

東大生研小野 謙二

②実走行状態における気流車両運動連成空力解析

北海道大学 坪倉 誠広島大学 中島卓司

③空力振動音響連成解析による車室内騒音の予測

豊橋技術科学大学 飯田明由

④エンジンルーム排気管系熱害

東京都市大学 郡 逸平

コンソーシアムの課題内容

20181025 機械工学入門

49

固体伝播

フレーム振動(低周波数) 車体剛性に関連

車体振動(高周波数)車体重量(質量則)構造(コインシデンス) HVAC(特に配管系)冷媒振動音気液2相流

空気伝播

車外空力騒音(比較的高い周波数)音源部位の特定困難

HAVC(ファン騒音)ダクト系の共鳴+広帯域騒音

伝達関数

音 流体力

車内騒音解析の考え方(SEA法)

20181025

26

20181025 機械工学入門

50

音響透過解析(反射回折透過) FrontFlowBlue-ACOUSTICS

振動解析(流体加振構造振動) Adventure

音源解析(物体表面圧力変動空力騒音) FrontFlowBlue

室内音場解析

FrontFlowBlue-ACOUSTICS

流体-音響メッシュ周波数領域

物体表面メッシュ

車内騒音解析手法

1way 連成解析 プログラム連成REVOCAP

20181025 機械工学入門

51

流体ソルバーによる 車外流れの流体解析

構造ソルバーによる 車体の振動解析

bullモックアップモデル

空力rArr構造振動rArr音響の連成解析により車室内の騒音を予測する

音響ソルバーによる 車室内騒音解析

ベンチマークテスト

流体メッシュ 構造メッシュ 流体側圧力分布

構造側圧力分布

REVOCAP_Coupler

によるマッピング

20181025

27

20181025 機械工学入門

52

流体解析空力音に寄与する音のスケール 1mm (10kHz) 境界層内の渦スケール 01 mm

境界層メッシュ解像度 200mm

解析メッシュ 200億要素

振動解析流体解析データを加える振動力とする周波数 10kHz

解析自由度規模 1億自由度

解像度 1mm

解析メッシュ 1000万要素

騒音解析振動解析結果を圧力境界または粒子速度境界 10kHz

解像度 3mm

解析メッシュ 10億要素

解析規模(最終目標)

スズキ MRワゴン

時速100km走行時の車内騒音

20181025 機械工学入門

53

流体解析 構造振動解析 音響解

解析ソフト FFB Ver 81 Adventure Cluster FFB-Acoustics Ver50

解析規模 52億要素 250万要素(1500 万自由度) 3700万要素

解析メッシュ 6面体メッシュ シェル要素(34角形)

ソリッド要素(456面体) 4面体要素

解析時間 京(4096ノード) 22時間1sec

CX1000 (96 コア) 7日6144step

FX10(24ノード) 30時間512周波数

最小メッシュサイズ

01mm 4mm 1mm

最小解像度 渦スケール 1mm 周波数4kHz 最大周波数の波長を20

分割 (4mm)

解析ドメイン 時間領域 時間領域 周波数処理

離散化方法 有限要素法 有限差分法 有限要素法

連成処理

データ

表面圧力変動

壁面加振動力

壁面振動加速度

音響粒子速度

今回の解析規模

20181025

28

20181025 機械工学入門

54 流体解析結果(1)

Cd値 解析0295(実験03)

20181025 機械工学入門

55

3000万要素

52億要素

メッシュ規模の影響 京(4096ノード32768コア)

22時間1sec

8000万要素

20181025

29

20181025 機械工学入門

56 流体解析結果 (2) 圧力変動強度(rms値)

渦度の絶対値

20181022

57 外部音解析

音源項 音源となる渦

流体圧力と音圧

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181025

30

20181022

58

流れ場 音場

車体周りの空力音響解析結果

音場解析事例(50億CFD+8千万CAA)

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181022

59

車体近傍には擬似音場が形成される

疑似音波が車内音に及ぼす影響が重要

擬似音場(圧力場)

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181025

31

20181025 機械工学入門

60

378Hz 638Hz

513Hz

38Hz 68Hz

52Hz 91Hz 赤字の値実験値

900Hz

リアドアガラス

ルーフ

モード解析結果

20181025 機械工学入門

61 振動解析結果(2) CX1000 (96 コア)

7日6144step

20181025

32

20181025 機械工学入門

62

要素数37089746

節点数 6738591

Tetrahedral Mesh

完全自動メッシュ

平均メッシュサイズ 4mm

4kHzの波長(85mm)を20分割

車内騒音解析

20181025 機械工学入門

63 車内騒音解析結果(1)

車体周りの流れに起因する車内騒音解析結果(100Hz)

注意外部流れは速度場の瞬時値室内音は平均音圧分布のため車外と室内の解析結果は時間的には同期していない点に注意

20181025

33

20181025 機械工学入門

64 車内騒音解析結果(2)

20181025 機械工学入門

65 車内騒音解析結果(3)

車外渦度場内部音響粒子速度ベクトル

20181025

34

20181025 機械工学入門

66 車内騒音解析結果(4)

圧力分布(実部)

20181025 機械工学入門

67

200Hz

125Hz

315Hz

613Hz

400Hz

800Hz

2000Hz

1000Hz

4000Hz

200Hz 1000Hz

車内騒音解析結果(5) FX10(24ノードtimes6 2304コア) 30時間512周波数

20181025

35

20181025 機械工学入門

68 解析結果の定量的な評価(2)

20181025 機械工学入門

69

洋上ウィンドファーム周りの流れ

翼周り流れに対する主流乱の影響 空力構造連成

格子点数1兆規模

ウィンドファームの開発(2015年から)

20181025

36

20181025 機械工学入門

70 風車回りの流れの計算結果

20181025 機械工学入門

71

httpaerometutacjp

iidametutacjp

自然エネルギー変換科学研究室

Page 22: 機械工学入門(流体力学) 0aero.me.tut.ac.jp/Lectures/Intro/intro2018.pdf2018/10/25 1 機械工学入門 2018/10/25 自然エネルギー変換科学研究室 飯田明由

20181025

22

20181025 機械工学入門

42

By Prof Makoto Tsubokura (Kobe Univ) And Suzuki Ltd

300億メッシュの解析事例(FFred)

20181025 機械工学入門

43

By Prof Makoto Tsubokura (Kobe Univ) And Suzuki Ltd

アニメーション(FrontFlowred)

20181025

23

20181025 機械工学入門

44

並列計算一つのコンピュータでは計算できない問題を

多数のコンピュータで計算

リチャードソン計算職人を6000人集めて天気予報を試みる

光が1秒間に進む距離300000キロメートル

クロック周波数37GHz (1秒間に370000000)

1クロックで光が進む距離8cm 程度

rarr通信速度から現在のコンピュータの速度は限界に近い

一つのパソコンに複数のCPU (インテル6コア)

10億の連立方程式を解くには速いコンピュータが必要

もっと速くもっと大規模に

20181025 機械工学入門

45

スパコンの性能は10年で1000倍 世界最速コンピュータ「京」 2011年6月 世界最高性能 816PFLOPSを達成

PC

コンピューターの性能

FLOPS1秒間あたりの演算回数

20181025

24

20181025 機械工学入門

46

物理法則に対するコンピュータシミュレーションの原理は簡単

ただし膨大な数の連立方程式を解く必要がある

そのためには高速のコンピュータが必要

コンピュータの速度も限界複数のコンピュータで計算するため

通信速度も重要

京に代表されるハイパフォーマンスコンピュータが必要

ソフトウェアや実証試験も重要他国に負けない技術開発

スーパーコンピューターが作れるのは米国と日本だけ

CRY1160MFlops 価格800万ドル

iPhone41GFlops 価格669ドル

コーヒーブレイク

20181025 機械工学入門

47 自動車コンソーシアム

20181025

25

20181025 機械工学入門

48

HPCによる自動車用次世代空力熱設計システムの研究開発

北海道大学 坪倉 誠(リーダー) ①階層的データ構造による超大規模格子作成

統合ユーザーインターフェースの開発

東大生研小野 謙二

②実走行状態における気流車両運動連成空力解析

北海道大学 坪倉 誠広島大学 中島卓司

③空力振動音響連成解析による車室内騒音の予測

豊橋技術科学大学 飯田明由

④エンジンルーム排気管系熱害

東京都市大学 郡 逸平

コンソーシアムの課題内容

20181025 機械工学入門

49

固体伝播

フレーム振動(低周波数) 車体剛性に関連

車体振動(高周波数)車体重量(質量則)構造(コインシデンス) HVAC(特に配管系)冷媒振動音気液2相流

空気伝播

車外空力騒音(比較的高い周波数)音源部位の特定困難

HAVC(ファン騒音)ダクト系の共鳴+広帯域騒音

伝達関数

音 流体力

車内騒音解析の考え方(SEA法)

20181025

26

20181025 機械工学入門

50

音響透過解析(反射回折透過) FrontFlowBlue-ACOUSTICS

振動解析(流体加振構造振動) Adventure

音源解析(物体表面圧力変動空力騒音) FrontFlowBlue

室内音場解析

FrontFlowBlue-ACOUSTICS

流体-音響メッシュ周波数領域

物体表面メッシュ

車内騒音解析手法

1way 連成解析 プログラム連成REVOCAP

20181025 機械工学入門

51

流体ソルバーによる 車外流れの流体解析

構造ソルバーによる 車体の振動解析

bullモックアップモデル

空力rArr構造振動rArr音響の連成解析により車室内の騒音を予測する

音響ソルバーによる 車室内騒音解析

ベンチマークテスト

流体メッシュ 構造メッシュ 流体側圧力分布

構造側圧力分布

REVOCAP_Coupler

によるマッピング

20181025

27

20181025 機械工学入門

52

流体解析空力音に寄与する音のスケール 1mm (10kHz) 境界層内の渦スケール 01 mm

境界層メッシュ解像度 200mm

解析メッシュ 200億要素

振動解析流体解析データを加える振動力とする周波数 10kHz

解析自由度規模 1億自由度

解像度 1mm

解析メッシュ 1000万要素

騒音解析振動解析結果を圧力境界または粒子速度境界 10kHz

解像度 3mm

解析メッシュ 10億要素

解析規模(最終目標)

スズキ MRワゴン

時速100km走行時の車内騒音

20181025 機械工学入門

53

流体解析 構造振動解析 音響解

解析ソフト FFB Ver 81 Adventure Cluster FFB-Acoustics Ver50

解析規模 52億要素 250万要素(1500 万自由度) 3700万要素

解析メッシュ 6面体メッシュ シェル要素(34角形)

ソリッド要素(456面体) 4面体要素

解析時間 京(4096ノード) 22時間1sec

CX1000 (96 コア) 7日6144step

FX10(24ノード) 30時間512周波数

最小メッシュサイズ

01mm 4mm 1mm

最小解像度 渦スケール 1mm 周波数4kHz 最大周波数の波長を20

分割 (4mm)

解析ドメイン 時間領域 時間領域 周波数処理

離散化方法 有限要素法 有限差分法 有限要素法

連成処理

データ

表面圧力変動

壁面加振動力

壁面振動加速度

音響粒子速度

今回の解析規模

20181025

28

20181025 機械工学入門

54 流体解析結果(1)

Cd値 解析0295(実験03)

20181025 機械工学入門

55

3000万要素

52億要素

メッシュ規模の影響 京(4096ノード32768コア)

22時間1sec

8000万要素

20181025

29

20181025 機械工学入門

56 流体解析結果 (2) 圧力変動強度(rms値)

渦度の絶対値

20181022

57 外部音解析

音源項 音源となる渦

流体圧力と音圧

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181025

30

20181022

58

流れ場 音場

車体周りの空力音響解析結果

音場解析事例(50億CFD+8千万CAA)

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181022

59

車体近傍には擬似音場が形成される

疑似音波が車内音に及ぼす影響が重要

擬似音場(圧力場)

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181025

31

20181025 機械工学入門

60

378Hz 638Hz

513Hz

38Hz 68Hz

52Hz 91Hz 赤字の値実験値

900Hz

リアドアガラス

ルーフ

モード解析結果

20181025 機械工学入門

61 振動解析結果(2) CX1000 (96 コア)

7日6144step

20181025

32

20181025 機械工学入門

62

要素数37089746

節点数 6738591

Tetrahedral Mesh

完全自動メッシュ

平均メッシュサイズ 4mm

4kHzの波長(85mm)を20分割

車内騒音解析

20181025 機械工学入門

63 車内騒音解析結果(1)

車体周りの流れに起因する車内騒音解析結果(100Hz)

注意外部流れは速度場の瞬時値室内音は平均音圧分布のため車外と室内の解析結果は時間的には同期していない点に注意

20181025

33

20181025 機械工学入門

64 車内騒音解析結果(2)

20181025 機械工学入門

65 車内騒音解析結果(3)

車外渦度場内部音響粒子速度ベクトル

20181025

34

20181025 機械工学入門

66 車内騒音解析結果(4)

圧力分布(実部)

20181025 機械工学入門

67

200Hz

125Hz

315Hz

613Hz

400Hz

800Hz

2000Hz

1000Hz

4000Hz

200Hz 1000Hz

車内騒音解析結果(5) FX10(24ノードtimes6 2304コア) 30時間512周波数

20181025

35

20181025 機械工学入門

68 解析結果の定量的な評価(2)

20181025 機械工学入門

69

洋上ウィンドファーム周りの流れ

翼周り流れに対する主流乱の影響 空力構造連成

格子点数1兆規模

ウィンドファームの開発(2015年から)

20181025

36

20181025 機械工学入門

70 風車回りの流れの計算結果

20181025 機械工学入門

71

httpaerometutacjp

iidametutacjp

自然エネルギー変換科学研究室

Page 23: 機械工学入門(流体力学) 0aero.me.tut.ac.jp/Lectures/Intro/intro2018.pdf2018/10/25 1 機械工学入門 2018/10/25 自然エネルギー変換科学研究室 飯田明由

20181025

23

20181025 機械工学入門

44

並列計算一つのコンピュータでは計算できない問題を

多数のコンピュータで計算

リチャードソン計算職人を6000人集めて天気予報を試みる

光が1秒間に進む距離300000キロメートル

クロック周波数37GHz (1秒間に370000000)

1クロックで光が進む距離8cm 程度

rarr通信速度から現在のコンピュータの速度は限界に近い

一つのパソコンに複数のCPU (インテル6コア)

10億の連立方程式を解くには速いコンピュータが必要

もっと速くもっと大規模に

20181025 機械工学入門

45

スパコンの性能は10年で1000倍 世界最速コンピュータ「京」 2011年6月 世界最高性能 816PFLOPSを達成

PC

コンピューターの性能

FLOPS1秒間あたりの演算回数

20181025

24

20181025 機械工学入門

46

物理法則に対するコンピュータシミュレーションの原理は簡単

ただし膨大な数の連立方程式を解く必要がある

そのためには高速のコンピュータが必要

コンピュータの速度も限界複数のコンピュータで計算するため

通信速度も重要

京に代表されるハイパフォーマンスコンピュータが必要

ソフトウェアや実証試験も重要他国に負けない技術開発

スーパーコンピューターが作れるのは米国と日本だけ

CRY1160MFlops 価格800万ドル

iPhone41GFlops 価格669ドル

コーヒーブレイク

20181025 機械工学入門

47 自動車コンソーシアム

20181025

25

20181025 機械工学入門

48

HPCによる自動車用次世代空力熱設計システムの研究開発

北海道大学 坪倉 誠(リーダー) ①階層的データ構造による超大規模格子作成

統合ユーザーインターフェースの開発

東大生研小野 謙二

②実走行状態における気流車両運動連成空力解析

北海道大学 坪倉 誠広島大学 中島卓司

③空力振動音響連成解析による車室内騒音の予測

豊橋技術科学大学 飯田明由

④エンジンルーム排気管系熱害

東京都市大学 郡 逸平

コンソーシアムの課題内容

20181025 機械工学入門

49

固体伝播

フレーム振動(低周波数) 車体剛性に関連

車体振動(高周波数)車体重量(質量則)構造(コインシデンス) HVAC(特に配管系)冷媒振動音気液2相流

空気伝播

車外空力騒音(比較的高い周波数)音源部位の特定困難

HAVC(ファン騒音)ダクト系の共鳴+広帯域騒音

伝達関数

音 流体力

車内騒音解析の考え方(SEA法)

20181025

26

20181025 機械工学入門

50

音響透過解析(反射回折透過) FrontFlowBlue-ACOUSTICS

振動解析(流体加振構造振動) Adventure

音源解析(物体表面圧力変動空力騒音) FrontFlowBlue

室内音場解析

FrontFlowBlue-ACOUSTICS

流体-音響メッシュ周波数領域

物体表面メッシュ

車内騒音解析手法

1way 連成解析 プログラム連成REVOCAP

20181025 機械工学入門

51

流体ソルバーによる 車外流れの流体解析

構造ソルバーによる 車体の振動解析

bullモックアップモデル

空力rArr構造振動rArr音響の連成解析により車室内の騒音を予測する

音響ソルバーによる 車室内騒音解析

ベンチマークテスト

流体メッシュ 構造メッシュ 流体側圧力分布

構造側圧力分布

REVOCAP_Coupler

によるマッピング

20181025

27

20181025 機械工学入門

52

流体解析空力音に寄与する音のスケール 1mm (10kHz) 境界層内の渦スケール 01 mm

境界層メッシュ解像度 200mm

解析メッシュ 200億要素

振動解析流体解析データを加える振動力とする周波数 10kHz

解析自由度規模 1億自由度

解像度 1mm

解析メッシュ 1000万要素

騒音解析振動解析結果を圧力境界または粒子速度境界 10kHz

解像度 3mm

解析メッシュ 10億要素

解析規模(最終目標)

スズキ MRワゴン

時速100km走行時の車内騒音

20181025 機械工学入門

53

流体解析 構造振動解析 音響解

解析ソフト FFB Ver 81 Adventure Cluster FFB-Acoustics Ver50

解析規模 52億要素 250万要素(1500 万自由度) 3700万要素

解析メッシュ 6面体メッシュ シェル要素(34角形)

ソリッド要素(456面体) 4面体要素

解析時間 京(4096ノード) 22時間1sec

CX1000 (96 コア) 7日6144step

FX10(24ノード) 30時間512周波数

最小メッシュサイズ

01mm 4mm 1mm

最小解像度 渦スケール 1mm 周波数4kHz 最大周波数の波長を20

分割 (4mm)

解析ドメイン 時間領域 時間領域 周波数処理

離散化方法 有限要素法 有限差分法 有限要素法

連成処理

データ

表面圧力変動

壁面加振動力

壁面振動加速度

音響粒子速度

今回の解析規模

20181025

28

20181025 機械工学入門

54 流体解析結果(1)

Cd値 解析0295(実験03)

20181025 機械工学入門

55

3000万要素

52億要素

メッシュ規模の影響 京(4096ノード32768コア)

22時間1sec

8000万要素

20181025

29

20181025 機械工学入門

56 流体解析結果 (2) 圧力変動強度(rms値)

渦度の絶対値

20181022

57 外部音解析

音源項 音源となる渦

流体圧力と音圧

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181025

30

20181022

58

流れ場 音場

車体周りの空力音響解析結果

音場解析事例(50億CFD+8千万CAA)

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181022

59

車体近傍には擬似音場が形成される

疑似音波が車内音に及ぼす影響が重要

擬似音場(圧力場)

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181025

31

20181025 機械工学入門

60

378Hz 638Hz

513Hz

38Hz 68Hz

52Hz 91Hz 赤字の値実験値

900Hz

リアドアガラス

ルーフ

モード解析結果

20181025 機械工学入門

61 振動解析結果(2) CX1000 (96 コア)

7日6144step

20181025

32

20181025 機械工学入門

62

要素数37089746

節点数 6738591

Tetrahedral Mesh

完全自動メッシュ

平均メッシュサイズ 4mm

4kHzの波長(85mm)を20分割

車内騒音解析

20181025 機械工学入門

63 車内騒音解析結果(1)

車体周りの流れに起因する車内騒音解析結果(100Hz)

注意外部流れは速度場の瞬時値室内音は平均音圧分布のため車外と室内の解析結果は時間的には同期していない点に注意

20181025

33

20181025 機械工学入門

64 車内騒音解析結果(2)

20181025 機械工学入門

65 車内騒音解析結果(3)

車外渦度場内部音響粒子速度ベクトル

20181025

34

20181025 機械工学入門

66 車内騒音解析結果(4)

圧力分布(実部)

20181025 機械工学入門

67

200Hz

125Hz

315Hz

613Hz

400Hz

800Hz

2000Hz

1000Hz

4000Hz

200Hz 1000Hz

車内騒音解析結果(5) FX10(24ノードtimes6 2304コア) 30時間512周波数

20181025

35

20181025 機械工学入門

68 解析結果の定量的な評価(2)

20181025 機械工学入門

69

洋上ウィンドファーム周りの流れ

翼周り流れに対する主流乱の影響 空力構造連成

格子点数1兆規模

ウィンドファームの開発(2015年から)

20181025

36

20181025 機械工学入門

70 風車回りの流れの計算結果

20181025 機械工学入門

71

httpaerometutacjp

iidametutacjp

自然エネルギー変換科学研究室

Page 24: 機械工学入門(流体力学) 0aero.me.tut.ac.jp/Lectures/Intro/intro2018.pdf2018/10/25 1 機械工学入門 2018/10/25 自然エネルギー変換科学研究室 飯田明由

20181025

24

20181025 機械工学入門

46

物理法則に対するコンピュータシミュレーションの原理は簡単

ただし膨大な数の連立方程式を解く必要がある

そのためには高速のコンピュータが必要

コンピュータの速度も限界複数のコンピュータで計算するため

通信速度も重要

京に代表されるハイパフォーマンスコンピュータが必要

ソフトウェアや実証試験も重要他国に負けない技術開発

スーパーコンピューターが作れるのは米国と日本だけ

CRY1160MFlops 価格800万ドル

iPhone41GFlops 価格669ドル

コーヒーブレイク

20181025 機械工学入門

47 自動車コンソーシアム

20181025

25

20181025 機械工学入門

48

HPCによる自動車用次世代空力熱設計システムの研究開発

北海道大学 坪倉 誠(リーダー) ①階層的データ構造による超大規模格子作成

統合ユーザーインターフェースの開発

東大生研小野 謙二

②実走行状態における気流車両運動連成空力解析

北海道大学 坪倉 誠広島大学 中島卓司

③空力振動音響連成解析による車室内騒音の予測

豊橋技術科学大学 飯田明由

④エンジンルーム排気管系熱害

東京都市大学 郡 逸平

コンソーシアムの課題内容

20181025 機械工学入門

49

固体伝播

フレーム振動(低周波数) 車体剛性に関連

車体振動(高周波数)車体重量(質量則)構造(コインシデンス) HVAC(特に配管系)冷媒振動音気液2相流

空気伝播

車外空力騒音(比較的高い周波数)音源部位の特定困難

HAVC(ファン騒音)ダクト系の共鳴+広帯域騒音

伝達関数

音 流体力

車内騒音解析の考え方(SEA法)

20181025

26

20181025 機械工学入門

50

音響透過解析(反射回折透過) FrontFlowBlue-ACOUSTICS

振動解析(流体加振構造振動) Adventure

音源解析(物体表面圧力変動空力騒音) FrontFlowBlue

室内音場解析

FrontFlowBlue-ACOUSTICS

流体-音響メッシュ周波数領域

物体表面メッシュ

車内騒音解析手法

1way 連成解析 プログラム連成REVOCAP

20181025 機械工学入門

51

流体ソルバーによる 車外流れの流体解析

構造ソルバーによる 車体の振動解析

bullモックアップモデル

空力rArr構造振動rArr音響の連成解析により車室内の騒音を予測する

音響ソルバーによる 車室内騒音解析

ベンチマークテスト

流体メッシュ 構造メッシュ 流体側圧力分布

構造側圧力分布

REVOCAP_Coupler

によるマッピング

20181025

27

20181025 機械工学入門

52

流体解析空力音に寄与する音のスケール 1mm (10kHz) 境界層内の渦スケール 01 mm

境界層メッシュ解像度 200mm

解析メッシュ 200億要素

振動解析流体解析データを加える振動力とする周波数 10kHz

解析自由度規模 1億自由度

解像度 1mm

解析メッシュ 1000万要素

騒音解析振動解析結果を圧力境界または粒子速度境界 10kHz

解像度 3mm

解析メッシュ 10億要素

解析規模(最終目標)

スズキ MRワゴン

時速100km走行時の車内騒音

20181025 機械工学入門

53

流体解析 構造振動解析 音響解

解析ソフト FFB Ver 81 Adventure Cluster FFB-Acoustics Ver50

解析規模 52億要素 250万要素(1500 万自由度) 3700万要素

解析メッシュ 6面体メッシュ シェル要素(34角形)

ソリッド要素(456面体) 4面体要素

解析時間 京(4096ノード) 22時間1sec

CX1000 (96 コア) 7日6144step

FX10(24ノード) 30時間512周波数

最小メッシュサイズ

01mm 4mm 1mm

最小解像度 渦スケール 1mm 周波数4kHz 最大周波数の波長を20

分割 (4mm)

解析ドメイン 時間領域 時間領域 周波数処理

離散化方法 有限要素法 有限差分法 有限要素法

連成処理

データ

表面圧力変動

壁面加振動力

壁面振動加速度

音響粒子速度

今回の解析規模

20181025

28

20181025 機械工学入門

54 流体解析結果(1)

Cd値 解析0295(実験03)

20181025 機械工学入門

55

3000万要素

52億要素

メッシュ規模の影響 京(4096ノード32768コア)

22時間1sec

8000万要素

20181025

29

20181025 機械工学入門

56 流体解析結果 (2) 圧力変動強度(rms値)

渦度の絶対値

20181022

57 外部音解析

音源項 音源となる渦

流体圧力と音圧

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181025

30

20181022

58

流れ場 音場

車体周りの空力音響解析結果

音場解析事例(50億CFD+8千万CAA)

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181022

59

車体近傍には擬似音場が形成される

疑似音波が車内音に及ぼす影響が重要

擬似音場(圧力場)

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181025

31

20181025 機械工学入門

60

378Hz 638Hz

513Hz

38Hz 68Hz

52Hz 91Hz 赤字の値実験値

900Hz

リアドアガラス

ルーフ

モード解析結果

20181025 機械工学入門

61 振動解析結果(2) CX1000 (96 コア)

7日6144step

20181025

32

20181025 機械工学入門

62

要素数37089746

節点数 6738591

Tetrahedral Mesh

完全自動メッシュ

平均メッシュサイズ 4mm

4kHzの波長(85mm)を20分割

車内騒音解析

20181025 機械工学入門

63 車内騒音解析結果(1)

車体周りの流れに起因する車内騒音解析結果(100Hz)

注意外部流れは速度場の瞬時値室内音は平均音圧分布のため車外と室内の解析結果は時間的には同期していない点に注意

20181025

33

20181025 機械工学入門

64 車内騒音解析結果(2)

20181025 機械工学入門

65 車内騒音解析結果(3)

車外渦度場内部音響粒子速度ベクトル

20181025

34

20181025 機械工学入門

66 車内騒音解析結果(4)

圧力分布(実部)

20181025 機械工学入門

67

200Hz

125Hz

315Hz

613Hz

400Hz

800Hz

2000Hz

1000Hz

4000Hz

200Hz 1000Hz

車内騒音解析結果(5) FX10(24ノードtimes6 2304コア) 30時間512周波数

20181025

35

20181025 機械工学入門

68 解析結果の定量的な評価(2)

20181025 機械工学入門

69

洋上ウィンドファーム周りの流れ

翼周り流れに対する主流乱の影響 空力構造連成

格子点数1兆規模

ウィンドファームの開発(2015年から)

20181025

36

20181025 機械工学入門

70 風車回りの流れの計算結果

20181025 機械工学入門

71

httpaerometutacjp

iidametutacjp

自然エネルギー変換科学研究室

Page 25: 機械工学入門(流体力学) 0aero.me.tut.ac.jp/Lectures/Intro/intro2018.pdf2018/10/25 1 機械工学入門 2018/10/25 自然エネルギー変換科学研究室 飯田明由

20181025

25

20181025 機械工学入門

48

HPCによる自動車用次世代空力熱設計システムの研究開発

北海道大学 坪倉 誠(リーダー) ①階層的データ構造による超大規模格子作成

統合ユーザーインターフェースの開発

東大生研小野 謙二

②実走行状態における気流車両運動連成空力解析

北海道大学 坪倉 誠広島大学 中島卓司

③空力振動音響連成解析による車室内騒音の予測

豊橋技術科学大学 飯田明由

④エンジンルーム排気管系熱害

東京都市大学 郡 逸平

コンソーシアムの課題内容

20181025 機械工学入門

49

固体伝播

フレーム振動(低周波数) 車体剛性に関連

車体振動(高周波数)車体重量(質量則)構造(コインシデンス) HVAC(特に配管系)冷媒振動音気液2相流

空気伝播

車外空力騒音(比較的高い周波数)音源部位の特定困難

HAVC(ファン騒音)ダクト系の共鳴+広帯域騒音

伝達関数

音 流体力

車内騒音解析の考え方(SEA法)

20181025

26

20181025 機械工学入門

50

音響透過解析(反射回折透過) FrontFlowBlue-ACOUSTICS

振動解析(流体加振構造振動) Adventure

音源解析(物体表面圧力変動空力騒音) FrontFlowBlue

室内音場解析

FrontFlowBlue-ACOUSTICS

流体-音響メッシュ周波数領域

物体表面メッシュ

車内騒音解析手法

1way 連成解析 プログラム連成REVOCAP

20181025 機械工学入門

51

流体ソルバーによる 車外流れの流体解析

構造ソルバーによる 車体の振動解析

bullモックアップモデル

空力rArr構造振動rArr音響の連成解析により車室内の騒音を予測する

音響ソルバーによる 車室内騒音解析

ベンチマークテスト

流体メッシュ 構造メッシュ 流体側圧力分布

構造側圧力分布

REVOCAP_Coupler

によるマッピング

20181025

27

20181025 機械工学入門

52

流体解析空力音に寄与する音のスケール 1mm (10kHz) 境界層内の渦スケール 01 mm

境界層メッシュ解像度 200mm

解析メッシュ 200億要素

振動解析流体解析データを加える振動力とする周波数 10kHz

解析自由度規模 1億自由度

解像度 1mm

解析メッシュ 1000万要素

騒音解析振動解析結果を圧力境界または粒子速度境界 10kHz

解像度 3mm

解析メッシュ 10億要素

解析規模(最終目標)

スズキ MRワゴン

時速100km走行時の車内騒音

20181025 機械工学入門

53

流体解析 構造振動解析 音響解

解析ソフト FFB Ver 81 Adventure Cluster FFB-Acoustics Ver50

解析規模 52億要素 250万要素(1500 万自由度) 3700万要素

解析メッシュ 6面体メッシュ シェル要素(34角形)

ソリッド要素(456面体) 4面体要素

解析時間 京(4096ノード) 22時間1sec

CX1000 (96 コア) 7日6144step

FX10(24ノード) 30時間512周波数

最小メッシュサイズ

01mm 4mm 1mm

最小解像度 渦スケール 1mm 周波数4kHz 最大周波数の波長を20

分割 (4mm)

解析ドメイン 時間領域 時間領域 周波数処理

離散化方法 有限要素法 有限差分法 有限要素法

連成処理

データ

表面圧力変動

壁面加振動力

壁面振動加速度

音響粒子速度

今回の解析規模

20181025

28

20181025 機械工学入門

54 流体解析結果(1)

Cd値 解析0295(実験03)

20181025 機械工学入門

55

3000万要素

52億要素

メッシュ規模の影響 京(4096ノード32768コア)

22時間1sec

8000万要素

20181025

29

20181025 機械工学入門

56 流体解析結果 (2) 圧力変動強度(rms値)

渦度の絶対値

20181022

57 外部音解析

音源項 音源となる渦

流体圧力と音圧

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181025

30

20181022

58

流れ場 音場

車体周りの空力音響解析結果

音場解析事例(50億CFD+8千万CAA)

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181022

59

車体近傍には擬似音場が形成される

疑似音波が車内音に及ぼす影響が重要

擬似音場(圧力場)

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181025

31

20181025 機械工学入門

60

378Hz 638Hz

513Hz

38Hz 68Hz

52Hz 91Hz 赤字の値実験値

900Hz

リアドアガラス

ルーフ

モード解析結果

20181025 機械工学入門

61 振動解析結果(2) CX1000 (96 コア)

7日6144step

20181025

32

20181025 機械工学入門

62

要素数37089746

節点数 6738591

Tetrahedral Mesh

完全自動メッシュ

平均メッシュサイズ 4mm

4kHzの波長(85mm)を20分割

車内騒音解析

20181025 機械工学入門

63 車内騒音解析結果(1)

車体周りの流れに起因する車内騒音解析結果(100Hz)

注意外部流れは速度場の瞬時値室内音は平均音圧分布のため車外と室内の解析結果は時間的には同期していない点に注意

20181025

33

20181025 機械工学入門

64 車内騒音解析結果(2)

20181025 機械工学入門

65 車内騒音解析結果(3)

車外渦度場内部音響粒子速度ベクトル

20181025

34

20181025 機械工学入門

66 車内騒音解析結果(4)

圧力分布(実部)

20181025 機械工学入門

67

200Hz

125Hz

315Hz

613Hz

400Hz

800Hz

2000Hz

1000Hz

4000Hz

200Hz 1000Hz

車内騒音解析結果(5) FX10(24ノードtimes6 2304コア) 30時間512周波数

20181025

35

20181025 機械工学入門

68 解析結果の定量的な評価(2)

20181025 機械工学入門

69

洋上ウィンドファーム周りの流れ

翼周り流れに対する主流乱の影響 空力構造連成

格子点数1兆規模

ウィンドファームの開発(2015年から)

20181025

36

20181025 機械工学入門

70 風車回りの流れの計算結果

20181025 機械工学入門

71

httpaerometutacjp

iidametutacjp

自然エネルギー変換科学研究室

Page 26: 機械工学入門(流体力学) 0aero.me.tut.ac.jp/Lectures/Intro/intro2018.pdf2018/10/25 1 機械工学入門 2018/10/25 自然エネルギー変換科学研究室 飯田明由

20181025

26

20181025 機械工学入門

50

音響透過解析(反射回折透過) FrontFlowBlue-ACOUSTICS

振動解析(流体加振構造振動) Adventure

音源解析(物体表面圧力変動空力騒音) FrontFlowBlue

室内音場解析

FrontFlowBlue-ACOUSTICS

流体-音響メッシュ周波数領域

物体表面メッシュ

車内騒音解析手法

1way 連成解析 プログラム連成REVOCAP

20181025 機械工学入門

51

流体ソルバーによる 車外流れの流体解析

構造ソルバーによる 車体の振動解析

bullモックアップモデル

空力rArr構造振動rArr音響の連成解析により車室内の騒音を予測する

音響ソルバーによる 車室内騒音解析

ベンチマークテスト

流体メッシュ 構造メッシュ 流体側圧力分布

構造側圧力分布

REVOCAP_Coupler

によるマッピング

20181025

27

20181025 機械工学入門

52

流体解析空力音に寄与する音のスケール 1mm (10kHz) 境界層内の渦スケール 01 mm

境界層メッシュ解像度 200mm

解析メッシュ 200億要素

振動解析流体解析データを加える振動力とする周波数 10kHz

解析自由度規模 1億自由度

解像度 1mm

解析メッシュ 1000万要素

騒音解析振動解析結果を圧力境界または粒子速度境界 10kHz

解像度 3mm

解析メッシュ 10億要素

解析規模(最終目標)

スズキ MRワゴン

時速100km走行時の車内騒音

20181025 機械工学入門

53

流体解析 構造振動解析 音響解

解析ソフト FFB Ver 81 Adventure Cluster FFB-Acoustics Ver50

解析規模 52億要素 250万要素(1500 万自由度) 3700万要素

解析メッシュ 6面体メッシュ シェル要素(34角形)

ソリッド要素(456面体) 4面体要素

解析時間 京(4096ノード) 22時間1sec

CX1000 (96 コア) 7日6144step

FX10(24ノード) 30時間512周波数

最小メッシュサイズ

01mm 4mm 1mm

最小解像度 渦スケール 1mm 周波数4kHz 最大周波数の波長を20

分割 (4mm)

解析ドメイン 時間領域 時間領域 周波数処理

離散化方法 有限要素法 有限差分法 有限要素法

連成処理

データ

表面圧力変動

壁面加振動力

壁面振動加速度

音響粒子速度

今回の解析規模

20181025

28

20181025 機械工学入門

54 流体解析結果(1)

Cd値 解析0295(実験03)

20181025 機械工学入門

55

3000万要素

52億要素

メッシュ規模の影響 京(4096ノード32768コア)

22時間1sec

8000万要素

20181025

29

20181025 機械工学入門

56 流体解析結果 (2) 圧力変動強度(rms値)

渦度の絶対値

20181022

57 外部音解析

音源項 音源となる渦

流体圧力と音圧

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181025

30

20181022

58

流れ場 音場

車体周りの空力音響解析結果

音場解析事例(50億CFD+8千万CAA)

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181022

59

車体近傍には擬似音場が形成される

疑似音波が車内音に及ぼす影響が重要

擬似音場(圧力場)

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181025

31

20181025 機械工学入門

60

378Hz 638Hz

513Hz

38Hz 68Hz

52Hz 91Hz 赤字の値実験値

900Hz

リアドアガラス

ルーフ

モード解析結果

20181025 機械工学入門

61 振動解析結果(2) CX1000 (96 コア)

7日6144step

20181025

32

20181025 機械工学入門

62

要素数37089746

節点数 6738591

Tetrahedral Mesh

完全自動メッシュ

平均メッシュサイズ 4mm

4kHzの波長(85mm)を20分割

車内騒音解析

20181025 機械工学入門

63 車内騒音解析結果(1)

車体周りの流れに起因する車内騒音解析結果(100Hz)

注意外部流れは速度場の瞬時値室内音は平均音圧分布のため車外と室内の解析結果は時間的には同期していない点に注意

20181025

33

20181025 機械工学入門

64 車内騒音解析結果(2)

20181025 機械工学入門

65 車内騒音解析結果(3)

車外渦度場内部音響粒子速度ベクトル

20181025

34

20181025 機械工学入門

66 車内騒音解析結果(4)

圧力分布(実部)

20181025 機械工学入門

67

200Hz

125Hz

315Hz

613Hz

400Hz

800Hz

2000Hz

1000Hz

4000Hz

200Hz 1000Hz

車内騒音解析結果(5) FX10(24ノードtimes6 2304コア) 30時間512周波数

20181025

35

20181025 機械工学入門

68 解析結果の定量的な評価(2)

20181025 機械工学入門

69

洋上ウィンドファーム周りの流れ

翼周り流れに対する主流乱の影響 空力構造連成

格子点数1兆規模

ウィンドファームの開発(2015年から)

20181025

36

20181025 機械工学入門

70 風車回りの流れの計算結果

20181025 機械工学入門

71

httpaerometutacjp

iidametutacjp

自然エネルギー変換科学研究室

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20181025

27

20181025 機械工学入門

52

流体解析空力音に寄与する音のスケール 1mm (10kHz) 境界層内の渦スケール 01 mm

境界層メッシュ解像度 200mm

解析メッシュ 200億要素

振動解析流体解析データを加える振動力とする周波数 10kHz

解析自由度規模 1億自由度

解像度 1mm

解析メッシュ 1000万要素

騒音解析振動解析結果を圧力境界または粒子速度境界 10kHz

解像度 3mm

解析メッシュ 10億要素

解析規模(最終目標)

スズキ MRワゴン

時速100km走行時の車内騒音

20181025 機械工学入門

53

流体解析 構造振動解析 音響解

解析ソフト FFB Ver 81 Adventure Cluster FFB-Acoustics Ver50

解析規模 52億要素 250万要素(1500 万自由度) 3700万要素

解析メッシュ 6面体メッシュ シェル要素(34角形)

ソリッド要素(456面体) 4面体要素

解析時間 京(4096ノード) 22時間1sec

CX1000 (96 コア) 7日6144step

FX10(24ノード) 30時間512周波数

最小メッシュサイズ

01mm 4mm 1mm

最小解像度 渦スケール 1mm 周波数4kHz 最大周波数の波長を20

分割 (4mm)

解析ドメイン 時間領域 時間領域 周波数処理

離散化方法 有限要素法 有限差分法 有限要素法

連成処理

データ

表面圧力変動

壁面加振動力

壁面振動加速度

音響粒子速度

今回の解析規模

20181025

28

20181025 機械工学入門

54 流体解析結果(1)

Cd値 解析0295(実験03)

20181025 機械工学入門

55

3000万要素

52億要素

メッシュ規模の影響 京(4096ノード32768コア)

22時間1sec

8000万要素

20181025

29

20181025 機械工学入門

56 流体解析結果 (2) 圧力変動強度(rms値)

渦度の絶対値

20181022

57 外部音解析

音源項 音源となる渦

流体圧力と音圧

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181025

30

20181022

58

流れ場 音場

車体周りの空力音響解析結果

音場解析事例(50億CFD+8千万CAA)

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181022

59

車体近傍には擬似音場が形成される

疑似音波が車内音に及ぼす影響が重要

擬似音場(圧力場)

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181025

31

20181025 機械工学入門

60

378Hz 638Hz

513Hz

38Hz 68Hz

52Hz 91Hz 赤字の値実験値

900Hz

リアドアガラス

ルーフ

モード解析結果

20181025 機械工学入門

61 振動解析結果(2) CX1000 (96 コア)

7日6144step

20181025

32

20181025 機械工学入門

62

要素数37089746

節点数 6738591

Tetrahedral Mesh

完全自動メッシュ

平均メッシュサイズ 4mm

4kHzの波長(85mm)を20分割

車内騒音解析

20181025 機械工学入門

63 車内騒音解析結果(1)

車体周りの流れに起因する車内騒音解析結果(100Hz)

注意外部流れは速度場の瞬時値室内音は平均音圧分布のため車外と室内の解析結果は時間的には同期していない点に注意

20181025

33

20181025 機械工学入門

64 車内騒音解析結果(2)

20181025 機械工学入門

65 車内騒音解析結果(3)

車外渦度場内部音響粒子速度ベクトル

20181025

34

20181025 機械工学入門

66 車内騒音解析結果(4)

圧力分布(実部)

20181025 機械工学入門

67

200Hz

125Hz

315Hz

613Hz

400Hz

800Hz

2000Hz

1000Hz

4000Hz

200Hz 1000Hz

車内騒音解析結果(5) FX10(24ノードtimes6 2304コア) 30時間512周波数

20181025

35

20181025 機械工学入門

68 解析結果の定量的な評価(2)

20181025 機械工学入門

69

洋上ウィンドファーム周りの流れ

翼周り流れに対する主流乱の影響 空力構造連成

格子点数1兆規模

ウィンドファームの開発(2015年から)

20181025

36

20181025 機械工学入門

70 風車回りの流れの計算結果

20181025 機械工学入門

71

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20181025

28

20181025 機械工学入門

54 流体解析結果(1)

Cd値 解析0295(実験03)

20181025 機械工学入門

55

3000万要素

52億要素

メッシュ規模の影響 京(4096ノード32768コア)

22時間1sec

8000万要素

20181025

29

20181025 機械工学入門

56 流体解析結果 (2) 圧力変動強度(rms値)

渦度の絶対値

20181022

57 外部音解析

音源項 音源となる渦

流体圧力と音圧

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181025

30

20181022

58

流れ場 音場

車体周りの空力音響解析結果

音場解析事例(50億CFD+8千万CAA)

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181022

59

車体近傍には擬似音場が形成される

疑似音波が車内音に及ぼす影響が重要

擬似音場(圧力場)

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181025

31

20181025 機械工学入門

60

378Hz 638Hz

513Hz

38Hz 68Hz

52Hz 91Hz 赤字の値実験値

900Hz

リアドアガラス

ルーフ

モード解析結果

20181025 機械工学入門

61 振動解析結果(2) CX1000 (96 コア)

7日6144step

20181025

32

20181025 機械工学入門

62

要素数37089746

節点数 6738591

Tetrahedral Mesh

完全自動メッシュ

平均メッシュサイズ 4mm

4kHzの波長(85mm)を20分割

車内騒音解析

20181025 機械工学入門

63 車内騒音解析結果(1)

車体周りの流れに起因する車内騒音解析結果(100Hz)

注意外部流れは速度場の瞬時値室内音は平均音圧分布のため車外と室内の解析結果は時間的には同期していない点に注意

20181025

33

20181025 機械工学入門

64 車内騒音解析結果(2)

20181025 機械工学入門

65 車内騒音解析結果(3)

車外渦度場内部音響粒子速度ベクトル

20181025

34

20181025 機械工学入門

66 車内騒音解析結果(4)

圧力分布(実部)

20181025 機械工学入門

67

200Hz

125Hz

315Hz

613Hz

400Hz

800Hz

2000Hz

1000Hz

4000Hz

200Hz 1000Hz

車内騒音解析結果(5) FX10(24ノードtimes6 2304コア) 30時間512周波数

20181025

35

20181025 機械工学入門

68 解析結果の定量的な評価(2)

20181025 機械工学入門

69

洋上ウィンドファーム周りの流れ

翼周り流れに対する主流乱の影響 空力構造連成

格子点数1兆規模

ウィンドファームの開発(2015年から)

20181025

36

20181025 機械工学入門

70 風車回りの流れの計算結果

20181025 機械工学入門

71

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20181025

29

20181025 機械工学入門

56 流体解析結果 (2) 圧力変動強度(rms値)

渦度の絶対値

20181022

57 外部音解析

音源項 音源となる渦

流体圧力と音圧

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181025

30

20181022

58

流れ場 音場

車体周りの空力音響解析結果

音場解析事例(50億CFD+8千万CAA)

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181022

59

車体近傍には擬似音場が形成される

疑似音波が車内音に及ぼす影響が重要

擬似音場(圧力場)

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181025

31

20181025 機械工学入門

60

378Hz 638Hz

513Hz

38Hz 68Hz

52Hz 91Hz 赤字の値実験値

900Hz

リアドアガラス

ルーフ

モード解析結果

20181025 機械工学入門

61 振動解析結果(2) CX1000 (96 コア)

7日6144step

20181025

32

20181025 機械工学入門

62

要素数37089746

節点数 6738591

Tetrahedral Mesh

完全自動メッシュ

平均メッシュサイズ 4mm

4kHzの波長(85mm)を20分割

車内騒音解析

20181025 機械工学入門

63 車内騒音解析結果(1)

車体周りの流れに起因する車内騒音解析結果(100Hz)

注意外部流れは速度場の瞬時値室内音は平均音圧分布のため車外と室内の解析結果は時間的には同期していない点に注意

20181025

33

20181025 機械工学入門

64 車内騒音解析結果(2)

20181025 機械工学入門

65 車内騒音解析結果(3)

車外渦度場内部音響粒子速度ベクトル

20181025

34

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66 車内騒音解析結果(4)

圧力分布(実部)

20181025 機械工学入門

67

200Hz

125Hz

315Hz

613Hz

400Hz

800Hz

2000Hz

1000Hz

4000Hz

200Hz 1000Hz

車内騒音解析結果(5) FX10(24ノードtimes6 2304コア) 30時間512周波数

20181025

35

20181025 機械工学入門

68 解析結果の定量的な評価(2)

20181025 機械工学入門

69

洋上ウィンドファーム周りの流れ

翼周り流れに対する主流乱の影響 空力構造連成

格子点数1兆規模

ウィンドファームの開発(2015年から)

20181025

36

20181025 機械工学入門

70 風車回りの流れの計算結果

20181025 機械工学入門

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30

20181022

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流れ場 音場

車体周りの空力音響解析結果

音場解析事例(50億CFD+8千万CAA)

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181022

59

車体近傍には擬似音場が形成される

疑似音波が車内音に及ぼす影響が重要

擬似音場(圧力場)

空力音流体騒音のメカニズムと静粛化

20181025

31

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60

378Hz 638Hz

513Hz

38Hz 68Hz

52Hz 91Hz 赤字の値実験値

900Hz

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ルーフ

モード解析結果

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61 振動解析結果(2) CX1000 (96 コア)

7日6144step

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節点数 6738591

Tetrahedral Mesh

完全自動メッシュ

平均メッシュサイズ 4mm

4kHzの波長(85mm)を20分割

車内騒音解析

20181025 機械工学入門

63 車内騒音解析結果(1)

車体周りの流れに起因する車内騒音解析結果(100Hz)

注意外部流れは速度場の瞬時値室内音は平均音圧分布のため車外と室内の解析結果は時間的には同期していない点に注意

20181025

33

20181025 機械工学入門

64 車内騒音解析結果(2)

20181025 機械工学入門

65 車内騒音解析結果(3)

車外渦度場内部音響粒子速度ベクトル

20181025

34

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66 車内騒音解析結果(4)

圧力分布(実部)

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67

200Hz

125Hz

315Hz

613Hz

400Hz

800Hz

2000Hz

1000Hz

4000Hz

200Hz 1000Hz

車内騒音解析結果(5) FX10(24ノードtimes6 2304コア) 30時間512周波数

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格子点数1兆規模

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70 風車回りの流れの計算結果

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60

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513Hz

38Hz 68Hz

52Hz 91Hz 赤字の値実験値

900Hz

リアドアガラス

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モード解析結果

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61 振動解析結果(2) CX1000 (96 コア)

7日6144step

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62

要素数37089746

節点数 6738591

Tetrahedral Mesh

完全自動メッシュ

平均メッシュサイズ 4mm

4kHzの波長(85mm)を20分割

車内騒音解析

20181025 機械工学入門

63 車内騒音解析結果(1)

車体周りの流れに起因する車内騒音解析結果(100Hz)

注意外部流れは速度場の瞬時値室内音は平均音圧分布のため車外と室内の解析結果は時間的には同期していない点に注意

20181025

33

20181025 機械工学入門

64 車内騒音解析結果(2)

20181025 機械工学入門

65 車内騒音解析結果(3)

車外渦度場内部音響粒子速度ベクトル

20181025

34

20181025 機械工学入門

66 車内騒音解析結果(4)

圧力分布(実部)

20181025 機械工学入門

67

200Hz

125Hz

315Hz

613Hz

400Hz

800Hz

2000Hz

1000Hz

4000Hz

200Hz 1000Hz

車内騒音解析結果(5) FX10(24ノードtimes6 2304コア) 30時間512周波数

20181025

35

20181025 機械工学入門

68 解析結果の定量的な評価(2)

20181025 機械工学入門

69

洋上ウィンドファーム周りの流れ

翼周り流れに対する主流乱の影響 空力構造連成

格子点数1兆規模

ウィンドファームの開発(2015年から)

20181025

36

20181025 機械工学入門

70 風車回りの流れの計算結果

20181025 機械工学入門

71

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63 車内騒音解析結果(1)

車体周りの流れに起因する車内騒音解析結果(100Hz)

注意外部流れは速度場の瞬時値室内音は平均音圧分布のため車外と室内の解析結果は時間的には同期していない点に注意

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64 車内騒音解析結果(2)

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65 車内騒音解析結果(3)

車外渦度場内部音響粒子速度ベクトル

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20181025 機械工学入門

66 車内騒音解析結果(4)

圧力分布(実部)

20181025 機械工学入門

67

200Hz

125Hz

315Hz

613Hz

400Hz

800Hz

2000Hz

1000Hz

4000Hz

200Hz 1000Hz

車内騒音解析結果(5) FX10(24ノードtimes6 2304コア) 30時間512周波数

20181025

35

20181025 機械工学入門

68 解析結果の定量的な評価(2)

20181025 機械工学入門

69

洋上ウィンドファーム周りの流れ

翼周り流れに対する主流乱の影響 空力構造連成

格子点数1兆規模

ウィンドファームの開発(2015年から)

20181025

36

20181025 機械工学入門

70 風車回りの流れの計算結果

20181025 機械工学入門

71

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64 車内騒音解析結果(2)

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車外渦度場内部音響粒子速度ベクトル

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66 車内騒音解析結果(4)

圧力分布(実部)

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200Hz

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車内騒音解析結果(5) FX10(24ノードtimes6 2304コア) 30時間512周波数

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20181025 機械工学入門

68 解析結果の定量的な評価(2)

20181025 機械工学入門

69

洋上ウィンドファーム周りの流れ

翼周り流れに対する主流乱の影響 空力構造連成

格子点数1兆規模

ウィンドファームの開発(2015年から)

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70 風車回りの流れの計算結果

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68 解析結果の定量的な評価(2)

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洋上ウィンドファーム周りの流れ

翼周り流れに対する主流乱の影響 空力構造連成

格子点数1兆規模

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70 風車回りの流れの計算結果

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68 解析結果の定量的な評価(2)

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翼周り流れに対する主流乱の影響 空力構造連成

格子点数1兆規模

ウィンドファームの開発(2015年から)

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