軸流ファンのCFD解析

軸流ファンのCFD解析


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1.TCFD®の自動化されたワークフロー

TCFD®は流体シミュレーションの生産性を極端に向上させる。オープンソースの利点(永続的、無制限のユーザー、仕事、コア、カスタマイズ可能など)と商用コードの利点(プロによるサポート、十分にテストされた、業界対応)をうまく組み合わせたものである。

TCFD®は完全に自動化されており、データ入力、新規ケース作成、メッシュ作成、ケースの設定、ケースのシミュレーション、結果の評価、結果レポート作成などを1つのコマンドでワークフロー全体を実行可能。TCFD®は、エンジニアをサポートすることに焦点を合わせている。


2.データ入力

このファンモデルはCFturbo®で設計した。CFturbo®は、ターボ機械のインタラクティブ設計用の最新の強力なソフトウェアであり、使いやすく、設計者が最初から始めるか既存の形状を再設計することを可能にする。


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設計されたモデルデータはCFturbo®からエクスポートされる。物理条件とともに.stlファイル形式の表面モデルデータがTCFD®にロードされる。他のオプションは、OpenFOAM®メッシュフォーマットで外部メッシュをロードするか、またはMSHメッシュフォーマット(Fluent meshフォーマット)をロードすることである。ここでは、多要素アプローチを採用しており、モデルは一定数の領域に分割される。TCFD®では、各領域は独自のメッシュを持つことができ、個々のメッシュはインターフェイスを介して通信する。


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3.メッシュ

この特定のケースでは、ファンモデルはインペラとボリュート2つのコンポーネントに分割されている。各コンポーネントには独自のメッシュがある。すべてのメッシュはsnappyHexMesh内の各コンポーネントに対して自動的に作成される。モデルコンポーネントはいくつでも使用できる。


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4.周期的セグメント?

計算メッシュは、インペラの単一ブレード周期セグメントと同様に、インペラ全体に対しても作成することができる。周期的セグメントアプローチは合理的な量のメッシュを節約することができ、計算時間を減少できる。フルインペラアプローチはよりロバストであり、また同じメッシュ上で非定常シミュレーションが実施可能である。


.境界層メッシュ必要?

取るべきもう1つの決定は、「境界層」を追加するかどうかである。境界層メッシュは、速度境界層を捉えるために壁に近い数層のセルのこと。メッシュの境界層は通常より正確な結果をもたらすが、計算時間がかかる。経験上、境界層のないメッシュは通常、全体の効率を1%のオーダーで過大予測し、CPU時間を約40%節約する。


 6.細かいメッシュ(Fine Mesh)?

どのCFDシミュレーションでも、常に一定のCFD結果を得るためには、細かいメッシュが必要かどうかという大きな問題がある。回転機械では、通常明確な傾向が見られる。細かいメッシュはわずかに高い効率をもたらす。


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7.メッシュ感度を簡単にテスト

実際には、境界層のないラフメッシュ(CPU時間:4コア*時間/シングルポイント)では、境界層のあるファインメッシュ(CPU時間:20コア*時間/ポイント)と同じ結果が得られる。 それで、最後に、ラフメッシュ効果は境界層の欠如を排除することができる。とにかく、完全に自動化されたワークフローで、実際の機械に適合するように多くのテストをすることは簡単である。


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8.コンポーネントグラフ

TCFD®でシミュレートされたプロジェクトはすべてそのコンポーネントグラフを持つ。 コンポーネントグラフは、コンポーネントがどのように編成されているか(モデルトポロジ)を示す。インレット、アウトレットとは何であるか?また、コンポーネントはインターフェイスを介してどのように接続されているかを示す。


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9.CFDシミュレーション設定

非圧縮流モデル

定常流モデル

流体:空気

BEP圧力比:ΔpTot= 1.033 [ - ]

入口温度:T = 40 []

粘度:μ= 1.831e-5 [Pa.s]

回転速度4500 [RPM]

BEP流量:11520 [m 3 / h]

インターフェースmixingInterface(軸平均)

乱流モデルk-ωSST

メッシュ:snappyHexMeshhexadominant

メッシュセル:300327

メッシュ平均y +(フル/セグメント):85 [ - ]

CPU時間(1ポイントあたり):1.45 [core.hours]


10.CFDシミュレーションの実行

シミュレーションは、任意の数の並列プロセッサで実行できる。シミュレーションが開始された直後に、ユーザーはすべての重要な量の進行状況を追うことができる:流速、残差、効率、トルク、流れ数、圧力数または圧力差。このランタイム関数は、ユーザーに収束に関する貴重な情報と、標準終了前にシミュレーションを停止するための可用性を提供。


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ワークフローは、完全な特性をポイントごとに計算。


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11.ターボブレードポストを用いた可視化処理

シミュレーション結果はParaView(OpenFOAMディストリビューションに含まれる)で調べられる。ParaViewは、CFD計算結果を分析するためのすべての標準機能を提供する。


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CFD Supportは、回転機械の後処理用にParaViewの特別な拡張機能を開発した。Turbo Blade Postは、ParaView用の特別なフィルタセットで、たとえばブレードからブレードまでのビュー、または子午線平均を有効にする。ターボブレードポストの詳細なマニュアルはオンラインで入手可能:Turbo Blade Post Manual


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Turbo Blade Post内では、羽根に沿って同じ高さの計算量をスライスできるように、インペラメッシュのラップを解除できる。このようなラップされていないメッシュを使用すると、特定の高さでブレードの周りに値をプロットすることも可能。


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別のターボブレードポスト機能は、シミュレートされた値の円周方向平均の子午面を作成する子午線平均である。


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