軸流ファンのCFD解析

１．TCFDの自動化されたワークフロー

流体シミュレーションソフトウェアTCFD®は流体シミュレーションの生産性を飛躍的に向上させます。TCFD®の持つオープンソースの利点（永久ライセンス、ユーザー/ソルバー/パラレル数無制限など）と商用コードの利点（サポート、GUI/ソルバーの更新など）をうまく組み合わせたパッケージとなっている。

TCFD®の作業フローは完全に自動化されており、データ入力、メッシュ作成、条件設定、計算実行、可視化、結果レポート作成などを1つのコマンドで実行可能、作業者はより直感的にエンジニアリング作業に集中することができる。

２．データ入力

このファンモデルはソフトウェアCFturbo®で設計を実施、CFturbo®はターボ機械専用のインタラクティブな設計ツールであり、扱いも容易、既存設計からの再設計に便利なソフトウェアである。

設計されたモデルデータはCFturbo®からエクスポートされ、物理条件と共に.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として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メッシュフォーマット）をロードすることが可能である。このモデルでは複数の領域からモデルは形成されており、各領域で適したメッシュトポロジーを持つことができる。各領域間の接合面ではインターフェイスを介して状態量をやり取りする。

３．メッシュ作成

このケース、ファンモデルではインペラとボリュートという2つの領域からモデルが形成されている。各領域のメッシュは対応するSnappyHexMesh内の各コンポーネント設定に対して自動的に作成される。

４．周期境界の取り扱い

　計算メッシュは、インペラ1ピッチ領域に対してメッシュ生成を行い、周期境界を用いること、インペラ全周に対してメッシュ生成をおこなうこと、両者が可能である。周期境界を用いた場合、モデルメッシュ数を削減でき、計算時間を短縮できる。インペラ全周モデルではよりロバストであり、また同じメッシュを用いて非定常シミュレーションを実施することが実施可能である。

５．境界層の取り扱い

　作業者が検討すべきもう1つの内容は、「境界層メッシュ」を追加するかどうかである。境界層メッシュとは速度境界層を精度良く捉えるために必要な壁近傍のセルのことであり、境界層メッシュはより高精度な結果をもたらすが、メッシュ数が増えるため計算時間が掛かる。経験上、境界層メッシュのないモデルは一般的に全体の効率を1％のオーダーで過大予測するが、計算時間(CPU時間)は約40％節約する。

６．メッシュの細分化

　CFDを実行する上でメッシュの細分化度合いは常に頭を悩ませる問題である。一般的に回転機械では、メッシュの細分化により効率は増加するが、CFD結果を用いた評価方法に応じてメッシュの細分化が常に必要とは限らないという点に注意すべきである。

７．メッシュ感度確認

　上述した境界層メッシュ、メッシュ細分化度合いについて、一概に良し悪しは論じることが出来ない。ポイントはメッシュスタディを含むケーススタディが、TCFD®を用いることで完全に自動化された作業フローで実施することができ、実機に適合するより多くのシミュレーションテストを実施することが可能である。

８．コンポーネントグラフ

TCFD®で計算されたプロジェクトはコンポーネントグラフを持ちいて表現される。コンポーネントグラフとは、各コンポーネント(領域)がどのように編成されているかを示す。入口、出口、インターフェース接続を可視的に確認することが出来る。

９．計算設定

非圧縮流モデル

定常流モデル

作動流体：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：snappyHexMesh、hexadominant

メッシュ数：300327

メッシュ平均y +（フル/セグメント）：85 [ - ]

CPU時間（1コアあたり）：1.45 [core.hours]

１０．計算実行

　シミュレーションは、任意の数の並列コアで実行でき、シミュレーション開始直後から、作業者はすべての変数のモニタリングを行うことができる。例えば流速、残差、効率、トルク等、これらのモニタリング値は、作業者が判断する収束度合いに関する重要な情報と、設定した収束判断基準よりも少ないシミュレーション数にて停止するための判断材料となる。

作業フローは、機器の性能特性を各ケース毎に計算している：

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）で可視化ができ、ParaViewは、CFD計算結果を分析するための様々な標準機能を有している。

　CFD Support社では、回転機械の後処理用にParaViewの特別な拡張機能を開発した。ターボブレードポストは、ParaView用の特別な拡張機能であり、たとえばB2Bビュー、周方向平均した子午面処理等を有効にする。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が可能：Turbo Blade Post Manual