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解析事例・インタビュー

金沢工業大学 工学部
工学部の教育現場でCFDを活用
基礎的な知識の習得に貢献

写真1 金沢工業大学 工学部 機械系
航空システム工学科 担当 准教授
博士(情報科学) 佐々木大輔 氏

[前編] 金沢工業大学工学部航空システム工学科および機械工学科では、航空部門で欠かせないCFDの基礎的な活用法を学ぶため汎用ツールとして熱流体解析ソフトウェアのSCRYU/Tetraを授業に使用している。どのようにCFDを教育現場に取り入れているのか、航空システム工学科の佐々木大輔准教授(写真1)に話を聞いた。

 金沢工業大学では、工学部航空システム工学科および機械工学科において、汎用CFDを活用した授業や卒業研究などに汎用CFDツールを広く使用している。そこで採用されているのが、ソフトウェアクレイドルの流体解析ツール「SCRYU/Tetra」だ。同大学で空力設計および数値流体力学を専門とする工学部航空システム工学科 准教授の佐々木大輔氏に、授業においてどのように使用しているかや学生の感想などを聞いた。

 

 佐々木氏の研究テーマの一つは、航空機や流体機械に対して、直交格子を使って、複雑形状に対して効率よくかつ高精度での解析を行う手法であり、解析者ごとの(解析結果の)ばらつきを減らすことも期待できる。流体解析の場合にはSCRYU/Tetraのように非構造格子でメッシュを切ることが多いが、直交格子であれば解析者によって格子の作り方に比較的差が出にくい。そのため解析者ごとの解析結果のばらつきを抑えることができる。また格子を作る手間も非構造より簡略化できる。また、CFDを使ったロバスト最適化にも取り組んでいる。ここでのロバストとは、設計形状や使用条件が設計時の条件と少しくらい差があったとしても、性能が大きく変化しないという意味だ。飛行機であれば、少しマッハ数が変わっただけで抵抗や揚力などの性能が大きく変化してしまうのは、よい設計とは言えない。例えば金沢工業大学は人力飛行機を製作し、飛行距離および飛行時間を競う大会の出場を毎年目指しているが、機体は手作りのため、作りたい形と実際に製作された形状に違いが出てくる場合がある。こういった、ある程度形状が変わっても性能が保証できるような設計手法に取り組んでいる。

 

パッケージツールを導入

 SCRYU/Tetraは先生が2012年に金沢工業大学に赴任した当時から導入されていたそうだ。ただし買取タイプのライセンスだったため、古いバージョンを5、6年使い続けていた。当時Windows 8がリリースされたことから、機械工学科の先生と相談して更新することにした。タイミングよくSCRYU/Tetraの教育機関向けの「授業用ライセンス(詳細はこちら)」ができたため、これを導入したという。授業用ライセンスは大学や専門学校をはじめとする教育機関で利用可能な専用ライセンスだ。ソフトウェアクレイドルではほかに「ゼミ・研究用ライセンス」も提供している。

 

 佐々木氏は、「SCRYU/Tetraのよい点は、パッケージツールであることです」と話す。「前処理からソルバー、後処理までが1つのパッケージになっている。そうでなければ格子生成ツールをはじめばらばらに購入しなければいけません。授業で使用する際には、一連の作業がまとめてできるのがよいですね」という。

写真2 航空システム工学科「数値シミュレーション」授業風景

圧縮性流れなども講義で一通り体験

 金沢工業大学では航空システム工学科3年次の「数値シミュレーション」および専門実験・演習、機械工学科3年次の「流体力学」などの講義でSCRYU/Tetraを使用している。また修士課程(博士前期課程)の講義や卒業研究などでも使用している。航空システム工学科では3年後期に「数値シミュレーション」という科 目ではじめてCFDツールを操作する(写真2)。

 

 この授業は、全16週のうち前半の8週で構造解析、後半の8週でCFDの汎用ツールを用いて、解析ツールがどのようなものか、ツールの操作方法など、基本的なことを学ぶ。この流体解析ツールにSCRYU/Tetraが採用されている。

 

 CFDでは2週間ごとに1つのテーマに取り組んでレポートを提出する。4つのテーマは、高速流れ、非定常流れ、乱流、そして学生自身が問題を設定して解くものからなる。1つ目の高速流れでは、モデル化も含め、非粘性の状態で衝撃波の発生するテーマになる。また格子生成の重要性についても解説する。2つ目は円柱周りの流れを解析する。3つ目は、翼型における乱流解析を行う。

 

 授業では、はじめの30分程度CFDの基礎事項を解説し、残りの1時間ほどは演習を行う。演習では配布資料に基づいて、学生自身がメッシュの作成から解析、計算、可視化までを行う。学生同士で相談しながら進めたり、ティーチングアシスタントに質問したりしながら進めていくという。

流体解析がどういうものかをまずは知ってほしい

 佐々木氏は授業での目標について、「流体解析ツールがどう動いているかという一連の流れを理解できること」を挙げる。1つ目のテーマに衝撃波を伴う圧縮性流れを取り上げているのは、ソフトウェアは圧縮性で解くべきところを非圧縮性として解析しても解が出るため、卒業研究などで解析を行った際に、それで正しいと思ってしまい気づかない可能性があるからだという。格子の切り方についても、なぜ格子をそこに切らなければいけないのか、多くしすぎるとどうなるかなど、解析に必要な最低限の知識を身に付けてほしいとする。その上で必要であれば自分で勉強してもらうが、そのために必要な最低限の知識は身に付けてほしいということだ。

写真3 航空システム工学科3年
井村祐基 氏(左)、西井健介 氏(右)

 数値シミュレーションの講義は取材の時点で、流体解析の1週目が終わったところだった。受講している学生に感想を聞いてみたところ、口をそろえていたのが、「格子が切りやすい」という感想だった。「講義の前半で取り組んだ構造解析は数値で範囲を入力しなければならないが、SCRYU/Tetraではモデル上で範囲指定ができるので簡単でした」(航空システム工学科 3年の井村祐基氏/写真3・左)。一方、「CFDならではの用語が出てくるので、慣れないうちは大変です」(同、西井健介氏/写真3・右)という。

 

 佐々木氏によると、やはり一度目はスムーズに進めるのは難しいようだ。「構造解析より設定が多いので、それに慣れるまでが大変だと思います」(佐々木氏)。境界条件の設定の間違いが一番多く、6面それぞれの指定が間違っていたりする。また計算が途中で止まったり、出てきた結果がおかしかったりすることもある。一度うまくいけば、あとは自分でできるようになっていくだろうということだ。

写真4 航空システム工学科3年 丹治沙織 氏

 同じく授業を受けている丹治沙織氏(写真4)は、昨年インターンで設計を行う企業に行き、丸一日SCRYU/Tetraの使い方を教わり、また社内で整備されているマニュアルを用いながら作業したことがあるという。「次の日に振り返ると、どういうことをやっていたか理解できた」(丹治氏)ということからも、操作は大変だが、一通りの作業を体験することで、CFDの使用の流れを理解し、有用な結果を得られるようだ。

※SCRYU/Tetraは、日本における株式会社ソフトウェアクレイドルの登録商標です。
※その他、本インタビュー記事に記載されている会社名、製品・サービス名は、各社の商標または登録商標です。
※本インタビュー記事の内容は2016年11月現在のもので、予告なしに変更する場合があります。また、誤植または図、写真の誤りについて弊社は一切の責任を負いません。

プロフィール

 

金沢工業大学 工学部
航空システム工学科・機械工学科
設立 1965年4月1日
学部設置 1965年
学科所在地 石川県野々市市
学校種別 私立
URL http://www.kanazawa-it.ac.jp/

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