POD/DMD analysis system using AI machine learning VFBasis

大気圏突入カプセルの後流渦における特徴構造とストローハル数、空力係数の関係を解明
- 宇宙航空研究開発機構(JAXA)

大気圏突入カプセルは亜音速／超音速時に動不安定に陥りやすいことがよく知られていますが、そのメカニズムは十分に解明されていません。JAXAでは、その課題解決に向けて、VFBasisの基となっているJAXAのFBasisを用いて、カプセル後流渦構造の解析を行いました。その結果として、流れの重要特徴構造が抽出され、ストローハル数や空力係数との関係が明らかになりました。

※ VFBasisで、空力特性評価を実施するにはFV-UNS形式、もしくはEnsight-Gold形式の出力データを用いる必要があります。
※ 空力特性評価グラフ表示のために各空力係数の変動値算出機能を使用する場合、 FieldView®のライセンスが必要です。

(1) Numerical investigation of wake structures of an atmospheric entry capsule by modal analysis
Y Ohmichi, K Kobayashi, M Kanazaki
Physics of Fluids 31 (7), 074105　https://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.5092166

車両空力解析における特性評価グラフの活用例 - 弊社ベンチマークテスト

VFBasisの空力特性グラフ機能（物体に働く流体力変動の大きさをモード毎に表示）を用いることで、従来のCFD解析では評価することが困難だった空力3分力への寄与度が高いモードの抽出が可能になりました。今回のケースでは、空間の流れパターンと車両表面に働く流体力との対比により、空力変動のメカニズムの考察が容易になり、その結果を形状設計へのフィードバックにお役立ていただくことができます。

空力特性グラフ評価を用いた車両空力解析のプロセス例

空力特性評価グラフ

• 横力・揚力・抗力の変動の大きさを表す今回は揚力変動への寄与度が高い第4重要モードに着目
• 入力用ファイルはFieldViewと連携して作成

▲ 機械学習によって抽出された重要モードと空力特性値の変動強度

流れパターンの可視化（FieldViewを使用）

• 回転方向が交互に入れ替わる特徴的な縦渦が放出されていることを確認

▲ 中央断面における速度ベクトル(色は速度の絶対値)

流体力の可視化（FieldViewを使用）

上向きの力（赤）と下向きの力（青）の面積割合が交互に入れ替わっていることを確認

上下の空力変動が生じていることが明確になった

▲ ボディ表面に作用する揚力(Fz)成分の分布

流れパターンと流体力の可視化（FieldViewを使用）

空間の流れパターンとボディ表面の流体力の対比を行うことで空力特性のメカニズム考察が容易になる

形状設計へのフィードバックが可能

▲ 中央断面における速度ベクトル(色は速度の絶対値)&ボディ表面に作用する揚力(Fz)成分の分布

• ※ VFBasisで空力特性評価を実施するには FieldView-Unstructured(FV-UNS)形式、もしくはEnsight-Gold形式の出力データを用いる必要があります。
• ※ 空力特性評価グラフ表示のために各空力係数の変動値算出機能を使用する場合、 FieldViewのライセンスが必要です。
• ※ FV-UNS形式は、米国FieldView CFD者が知的財産権を所有するデータ形式です（VFBasisは認証済み）。
• ※ FV-UNSデータ形式を読み取る機能の個別利用は、研究目的であっても申請が必要です。

換気扇の騒音源における渦構造の抽出と渦発生位置・状況の明確化により、形状の改善へ
- パナソニックエコシステムズ株式会社様

低騒音化へ向け、実機音源調査を実施したところ、改善すべき音源位置をモータステーと特定しました。さらにVFBasisでの解析により、騒音源となる渦構造の抽出と発生位置・状況が明確になった結果、形状を改善すべき部位を特定し、その形状を最適化することで改善案を得ることができました。

HELYXによる換気扇ファンの非定常CFD解析 ファンを除く後流領域を解析対象としモータステーのみを配置しました。		VFBasis解析の入力データとなるCFD解析結果 モータステー後流の剥離流れは確認できます。

DMD解析結果 自動抽出された重要DMDモードは騒音測定結果の周波数領域 (250Hz近傍）と一致。		重要な流体振動構造の抽出 ファン流速の高い外周側ほど、強い渦が発生しており、3次元渦構造がはっきりと確認できます。		騒音源となる渦発生位置の特定 モータステー部から発生する渦構造の詳細が捉えられ、渦発生位置が特定可能です。
▲ 機械学習処理による重要な流体振動構造の 抽出結果		▲ 重要な流体振動構造（244Hz）における 圧力等値面		▲ モータステーから発生する渦構造の 圧力コンター（244Hz）

3次元円柱の後流渦における渦・振動成分をモード毎に分離し、異なる特徴的構造を抽出
- VFBasisテュートリアル事例

3次元円柱の後流渦には、周波数の異なる複数の特徴的構造があり、周波数の異なる2種類の特徴的構造を抽出しました。
以下に示す圧力等値面については、左と中のストローハル数(St)は0.134 であり、右は約10倍長周期の 0.015 です（左は逆位相の2つを同時表示。中は単一位相表示）。
St = 0.134 の短周期構造では、カルマン渦とV字型の渦が後方に拡散します。一方、St = 0.015 の長周期構造では不規則な形状の渦が後方 に流れる全く異なる現象が確認できます。

▲ St = 0.134 の圧力等値面 （逆位相の2つを同時表示）		▲ St = 0.134 の圧力等値面 （単一位相表示）		▲ St = 0.015 の圧力等値面 （逆位相の2つを同時表示）

後退翼上の3次元バフェット*の流体構造を明確化 - 宇宙航空研究開発機構(JAXA)

3次元バフェットの研究は始まったばかりで、2次元とは違った現象が分かり始めている状況です。風洞実験を模擬したCFD大規模解析を行い、その結果をVFBasisの元となっているJAXAのFBasisで解析を実施した結果、流れ場は剥離が発生する翼中央付近で発生し翼端に伝播するバフェットと、この剥離による乱れに起因して翼端と翼付け根方向に伝播する、2つの流体構造に支配されていることが明らかになりました。
* ; バフェット現象 = 境界層と衝撃波が干渉して衝撃波が振動する現象。

出典 Ohmichi , Y . Ishida , T . Hashimoto , A . ,” Modal Decomposition Analysis of Three-Dimensional Transonic Buffet Phenomenon on a Swept Wing ,“ , AIAA Journal , Vol. 56, No. 10, 2018, pp. 3938-3950. ; https://doi.org/10.2514/1.J056855