ベンチマークパラメータ

● ファン回転数: 3000 [RPM]                    ● 圧縮性:非圧縮

● CFD メッシュサイズ: 0.6M [cells]           ● 作動流体:空気

● 動粘度 1.8 × 10e-5 [Pa⋅s]     　   　　　● 空気密度: 1.2 [kg/m3]

● 入口乱流強度: 5 [%]                             ● 乱流モデル: k-omega SST

● インペラ材質: steel                       　　　● 材料密度: 7,800 [kg/m3]

● 等方弾性体                          　　　　　　● ヤング率: 2.1E11 [Pa]

● ポアソン比: 0.3                                 　●CFD解析タイプ:ファン

● FEAメッシュ数: 84,000                         ● CPU時間: 1.5コア時間/ケース

軸流ファン-はじめに

　この事例は、設計から高度なCFDおよびFEAシミュレーションまで、FSIおよびモーダル解析を含む軸流ファンの複雑な分析結果を紹介します。この分析に使用したシミュレーションソフトウェアは、オープンソースベースのTCAE®です。使用している軸流ファンは計算用に作成したモデルですが、比較に用いている測定値は実存のファンから流用しています。目的は、基本的な軸流ファンの特性（効率、全圧上昇値、流量係数、トルク、出力、圧力、応力、変位、各モード振動数など）を総合的に分析、評価する方法を示すことです。

軸流ファン-設計

　本事例の入力形状はSTL形式での閉じたサーフェスモデルです。 CFDシミュレーションでは、空気が流れる流体領域の閉じたサーフェスモデル、FEAシミュレーションでは、単一部品の閉じたサーフェスモデルを作成する必要があります。

　一般的に軸流ファンモデルを作成する方法は複数ありますが、任意のCADソフトウェアで手動、もしくはパラメトリック機能を介して自動化された方法で作成されます。また専用ツール、CFturbo、Concepts NREC、TURBOdesign Suiteなどのターボ機械設計専用のソフトウェアを使用してCADモデルを作成し、STLサーフェスをエクスポートすることも考えられます。他にも軸流ファンの表面モデルを、Salome、FreeCAD、OpenCascadeなどのオープンソースソフトウェアを用いることも可能で、いずれの場合も、軸流ファンは設計変数を含めたパラメトリックモデルとして作成することが可能です。

　CFDSUPPORTは、TCAE®ソフトウェアモジュールTCAD®内で、Salomeベースの軸流ファン専用の特別なジオメトリ作成機能を保有しています。この機能は軸流ファンの設計パラメータから自動でSTEP形式の3次元CADジオメトリを作成し、そこからSTLサーフェスを抽出します。 STLサーフェスはCFDおよびFEAシミュレーションに使用されます。

用いられた軸流ファン（インペラー）パラメータは以下となります：

● axis = "x"                 ● flow_direction = [1, 0, 0]

● flange = True            ● CFD_domain = True

● periodicity = True      ● fillet = False

● hubCutIn = False       ● hubCutOut = False

● onlyCFD = False         ● blade_rot = False

● axis_pt=[0,0,0]         ● rot_angle = 12

● n = 16                      ● flange_center = [0.0, 0.0, 0.150]

● Rp = 0.002                ● vp = 0.005

● Dp = 0.035                ● Hub (-0.15 0 0.150) (0.08 0 0.150)

● Shroud (-0.15 0 0.270) (0.08 0 0.270)

用いられたプロファイルは：

これらプロファイルが3次元ブレードを形成します。 このようなパラメータを組み合わせることにより、シミュレーション用の3次元形状が作成されます。

ローターとステーター、それぞれのコンポーネントは、同様の方法で作成されます。

軸流ファン-CFD前処理

　軸流タイプの回転機械では流れ場は周期的であり、単一ブレードを用いた周期領域を用いた計算が一般的です。解析モデルが小さくなるため、計算時間が大幅に短縮され、設計の初期段階では多用されます。今回はピッチ角22.5度の単一ローターブレード(羽根枚数16枚)と、ピッチ角30度の単一ステーターブレード(羽根枚数12枚)を用いました。

　CFDシミュレーションでは、ローターは回転するため、軸流ファンをいくつかのコンポーネントに分割します。(回転している部分と回転していない部分)

各コンポーネントは、いくつかのSTLサーフェスで構成され、それぞれのサーフェスはメッシュ設定、境界条件、評価位置等で使用されます。今回はローターとステーターの2つのコンポーネントへ分割しました。

コンポーネント内で分割された個々のサーフェスは流入境界、流出境界、および壁境界等と定義されます。例えば、最もシンプルなモデル化ではローターを含むコンポーネントでは以下のようにサーフェス分割されます。

● rotor-inlet.stl

● rotor-outlet.stl

● rotor-blade.stl

● rotor-periodic-1.stl

● rotor-periodic-2.stl

● rotor-hub.stl

● rotor-shroud.stl

また、より詳細に分割する場合は以下のように分割されます。

● rotor-inlet.stl

● rotor-outlet.stl

● rotor-blade-PS.stl

● rotor-blade-SS.stl

● rotor-blade-LE.stl

● rotor-blade-TE.stl

● rotor-periodic-1.stl

● rotor-periodic-2.stl

● rotor-hub.stl

● rotor-shroud.stl

　このようにサーフェス分割することにより、メッシュサイズ設定、境界条件、結果評価位置などを実行することが可能になります。一方、シミュレーションの設定はさほど難しくなく、簡単な作業となります。詳細については、TCAEのドキュメントを参照ください。以上でCFDモデルがsnappyHexMeshオープンソースアプリケーションを使用したTMESHを用いて準備することができました。

軸流ファン-FEA前処理

FEAシミュレーションの場合、単一インペラ形状のSTLサーフェスを用います。(例：impeller-solid.stl) 

これは、最初にTCAD®を用いて既に作成しており、NetGenオープンソースアプリケーションを使用したTMESH®にてメッシュ作成します。

注意点：

表面モデルは滑らかなサーフェスでなければならず、出来るだけ小さなトレランス値で閉じたサーフェス群としてください。評価にあまり関係のない微小な形状特徴は簡略化した方が良いです。

前処理作業は作業フローの中で重要な項目で、ここでの作業やチェックは計算精度そのものに関係します。詳細についてはTCAEのドキュメントを参照してください。

軸流ファン - CFDメッシュ

　CFDメッシュは、snappyHexMeshオープンソースアプリケーションを使用した自動化ソフトウェアTMESH®で作成します。メッシュ設定はTCAE®のGUIで実施します。

領域毎にバックグラウンドメッシュとしてボクセルメッシュが作成され、対象物の周りは自動的に細分化されます。ベースとなるメッシュサイズは"バックグラウンドメッシュサイズ"で定義されたサイズになります。

　メッシュは形状等、壁境界近傍で徐々に小さくなります。メッシュの細分化レベルは簡単に変更でき、粗いメッシュから細かいメッシュを設定し、インフレーション層を定義します。

軸流ファン - FEA メッシュ

　FEAの計算メッシュは、NetGenオープンソースアプリケーションを使用した自動化ソフトウェアTMESH®で作成します。メッシュ設定はTCAE®のGUIで行います。

　閉じたSTLモデルは、設定するパラメータが少なく、ほとんど自動でメッシュが作成されます。FEAメッシュの最も重要な設定項目は"hMax"と"hMin"です。これは単位がメートル、最大および最小エッジサイズになります。メッシュ生成は自動化されています。

軸流ファン-CFDシミュレーションのセットアップ

　CFDシミュレーションは、TCAE®ソフトウェアモジュールTCFD®で設定します。ParaViewベースのTCFD®GUIで設定を実施し、TCFD®はOpenFOAMオープンソースをベースとしています。

● Simulation type: Fan [-]                           ● Time management: steady-state [-]

● Physical model: incompressible [-]           ● Number of components: 2 [-]

● Wall roughness: none [-]                          ● Physical model: i ncompressible [-]

● Speed: 3000 [RPM]                                  ● Outlet: S tatic pressure 0 [m2/s2]

● Turbulence: RANS [-]                                ● Turbulence model: k-omega SST [-]

● Wall treatment: wall functions [-]               ● Turbulence intensity: 5% [-]

● Speedlines: 1 [-]                                       ● Simulation points: 5 [-]

● Fluid: air [-]                                            ● Reference pressure: 1 [atm]

● Dynamic viscosity: 1.8×10E-5 [Pa⋅s]          ● Air density: 1.2 [kg/m3]

● CFD CPU Time: 1.5 [core.hours/point]       ● BladeToBlade: on [-]

　TCFD®で実行したケースはコンポーネントグラフが表示されます。コンポーネントグラフは、各コンポーネントがどのように編成されているか、入口、出口、インターフェースがどのように接続されているかを示します。コンポーネントグラフを以下に示します。 空気は入口境界からインターフェスを介しファン領域に入り、インターフェースを再び介し、スパイラル領域から出ていきます。3つのコンポーネントを組み合わせた非常に単純な例になります。

軸流ファン - FEA シミュレーションの設定

　FEAシミュレーションは、TCAE®ソフトウェアモジュールTFEA®で実施します。ParaViewベースのTFEA®GUIで設定し、TFEA®はCalculixオープンソースアプリケーションを使用しています。

● Beam material: steel [-]                   ● Material density: 7 800 [kg/m3]

● Material structure: isotropic [-]         ● Young modulus: 2 .1E11 [Pa]

● Poisson ratio: 0 .3 [-]                        ● Fixed radius: 1 00 [mm]

● Finite element order: s econd [-]        ● FEA CPU Time: 0 .02 [core.hours/point]

軸流ファン - TCAEシミュレーション

　TCAEシミュレーションの実行は完全に自動化されています。 ワークフロー全体をGUI上でクリックし、一括実行します。プロセス全体をバックグラウンド実行(バッチ実行)することもできます。使用されるモジュールは、TCAD®、TMESH®、TCFD®、およびTFEA®です。 シミュレーションは定常計算として実行され、出口境界で指定した7.48793、6.54555、5.78475、4.98318、および4.5046032 [m³/s] の5つの異なる体積流量値に対して実行されます。 TCFD®では効率、トルク、力、力係数、流量、圧力、速度など、評価に必要なすべての値を自動的に取得する組み込み後処理モジュールが含まれています。 これらの値はすべてシミュレーション実行中にモニタリングされ、HTMLレポートに出力されます。このレポートはシミュレーション実行中に更新できます。すべてのシミュレーションデータは、さらなる評価のため、csvファイルにも出力可能です。

TCFD®は、シミュレーション中いつでも結果を出力でき、状態量や評価値の収束度合いをシミュレーション実行中にモニタリングします。TCAD®を用いて作成された形状はTMESH®を使用し、CFDおよびFEAのボリュームメッシュを作成します。CFDシミュレーションがTCFD®で実行され、評価、その後、FSIステップでは圧力場がマッピングされ、FEAシミュレーションの荷重として使用されます。最後に、FEAシミュレーションがTFEA®で実行され、評価します。

軸流ファン-後処理-ボリュームフィールド

　保存されたCSVファイルは必要に応じて更なる後処理を実行することが可能です。空間の可視化はオープンソースの可視化ツールParaViewで後処理します。 ParaViewは、CFDおよびFEAの後処理と結果評価のため、幅広い機能を有しています。電卓、形状表面、クリップ、スライス、しきい値、ベクトル、流線など様々な機能があります。

軸流ファン-後処理-統合結果

子午面平均

ターボ機械の後処理で様々な変数、例えば全圧や速度などを周方向に平均して子午面に投影して可視化することがあります。この方法は、周方向平均と呼ばれます。 この周方向平均値を子午面に投影する方法はノズル(ブレード)を通過した作動流体が全圧(エネルギ)または速度が子午面上でどのように分布するかを2次元的に示します。

ブレード to ブレード

　ブレードからブレードへのビュー(B2B)は、回転領域を無次元六面体に変換し、可視化する方法です。B2Bビューは、特別な視点から可視化でき、ハブ/シュラウド間を無次元化したスパン高さ位置で可視化することが可能です。特に前縁、後縁位置における(流れ角)等を確認します。

まとめ

● 完全に自動化されたワークフローで軸流ファンのFSIを含む複合的なCFDおよびFEA解析を行いました。

● TCAE®はCFD、FEA、および片方向FSIを実施するのに非常に簡易的な作業で実施が可能です。

● TCAE®は流体、構造、片方向連成等、様々な計算を実施するのに効果的なツールです。