機械工学入門(流体力学) 0aero.me.tut.ac.jp/lectures/intro/intro2018.pdf2018/10/25 1...
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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)
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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
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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
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9
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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
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11
自動車車外騒音予測
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20
フロントグリル
キャビティサンルーフ
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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)
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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
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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=
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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)
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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
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27 空気抵抗と燃費
Cd=026rarr02 燃費10改善
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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
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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
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31 流体力の計測方法
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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シミュレーションの規模
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41 格子生成
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42
By Prof Makoto Tsubokura (Kobe Univ) And Suzuki Ltd
300億メッシュの解析事例(FFred)
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By Prof Makoto Tsubokura (Kobe Univ) And Suzuki Ltd
アニメーション(FrontFlowred)
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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
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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
京
コンピューターの性能
FLOPS1秒間あたりの演算回数
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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
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47 自動車コンソーシアム
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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
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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
音
伝達関数
音 流体力
車内騒音解析の考え方(SEA法)
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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
京
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
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
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
京
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
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
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
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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
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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
京
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
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
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
京
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
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
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
京
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
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
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
京
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
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
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
京
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
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
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
京
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
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
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
京
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
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
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
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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
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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
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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
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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
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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
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34 コンピュータの利用
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35 戦略HPCIプロジェクト
High Performance Computing Infrastructure
20181025
19
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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
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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
京
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
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
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
京
コンピューターの性能
FLOPS1秒間あたりの演算回数
20181025
24
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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
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47 自動車コンソーシアム
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25
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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
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
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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
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=
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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
京
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
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
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
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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
京
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
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
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
京
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
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
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
京
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
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
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
京
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
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
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
京
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
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
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
京
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
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
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
京
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
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
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
京
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
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
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
京
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
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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
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
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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
httpaerometutacjp
iidametutacjp
自然エネルギー変換科学研究室
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
京
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
音
伝達関数
音 流体力
車内騒音解析の考え方(SEA法)
20181025
26
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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
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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
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
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
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
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
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68 解析結果の定量的な評価(2)
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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
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70 風車回りの流れの計算結果
20181025 機械工学入門
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自然エネルギー変換科学研究室
20181025
26
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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
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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
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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
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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
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61 振動解析結果(2) CX1000 (96 コア)
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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)
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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
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
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
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68 解析結果の定量的な評価(2)
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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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54 流体解析結果(1)
Cd値 解析0295(実験03)
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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
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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
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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
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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
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61 振動解析結果(2) CX1000 (96 コア)
7日6144step
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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
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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)
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
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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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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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70 風車回りの流れの計算結果
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56 流体解析結果 (2) 圧力変動強度(rms値)
渦度の絶対値
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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
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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
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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
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60
378Hz 638Hz
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52Hz 91Hz 赤字の値実験値
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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)
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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
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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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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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67
200Hz
125Hz
315Hz
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400Hz
800Hz
2000Hz
1000Hz
4000Hz
200Hz 1000Hz
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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
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60
378Hz 638Hz
513Hz
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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
20181025
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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
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20181025 機械工学入門
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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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
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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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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
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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)
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
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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
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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
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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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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
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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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車外渦度場内部音響粒子速度ベクトル
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圧力分布(実部)
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125Hz
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1000Hz
4000Hz
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125Hz
315Hz
613Hz
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1000Hz
4000Hz
200Hz 1000Hz
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