遠心圧縮機のベンチマークシミュレーション

このケースでは、TCAE®の流体計算モジュールであるTCFD®を用いた遠心圧縮機のシミュレーションによるベンチマークテストについて紹介します。このベンチマークテストは、TCFD®の開発元であるCFDSUPPORTとエンジンメーカーであるCZ a.s.が共同で実施したものになります。

このベンチマークテストの目的は、遠心圧縮機のシミュレーションを通してCFDソフトウェアTCFD®を評価し、その結果を実測データと比較することです。

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形状データの前処理

遠心圧縮機のCADモデルはSTEPファイル形式でした。STEPファイルは構造上、CFDシミュレーションには複雑すぎるため、特定の前処理作業が必要になります。このケースでは、オープンソースであるSalomeを使用して、形状データのクリーンアップを行いました。シミュレーション用形状データ作成のために、シミュレーションへの影響が少ない小さなパーツをすべて除去し、形状のすべての穴を塞ぎます。ここで作成された形状データは、水密性のある個々の計算領域から成り立っています。この作業は、シミュレーションの結果に直接大きな影響を及ぼすため、非常に重要な項目にとなります。


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メッシュの作成

このケースでは、CFDシミュレーション用のボリュームメッシュをSalomeのNetGenを通して作成し、その後にOpenFOAMユーティリティであるpolyDualMeshを使用して多面体メッシュを作成しました。TCFD®では、OpenFOAM形式のメッシュデータの読み込みが可能であり、外部メッシュとしてはMSH,CGNSも直接読み込むことができます。もちろんTCFD®にはsnappyHexMeshに基づく自動メッシュ作成機能が備わっているため、同一GUI上でメッシュを作成することが可能です。


シミュレーションパラメータ

流速:50[m/s]

インペラ直径:110[mm]

作動流体:空気

参照圧力:1[atm]

圧力比:4.0

参照密度:1.2[kg/m3]

粘度:1.8×10-5[Pa]

CPU時間:19[core.hours/point]


TCFD®のシミュレーション設定

シミュレーションタイプ:Compressor

計算タイプ:定常計算

Flow Model:圧縮性有

乱流モデル:k-omegaSST

計算領域数(Components):2

メッシュ:0.8M[cells]

入口境界条件:Total Pressure

出口境界条件:OutletVent

インターフェース条件:Mixing Plane(10 planes)

回転条件(3ケース):60、80、90[kRPM]


ミュレーションの実行

シミュレーションは、60、80、90[kRPM]の各回転条件に対して定常計算が実行されました。TCFD®では、計算途中の結果保存はもちろんのこと、GUI上で指定変数による収束確認を行うことができます。


結果の後処理

TCFD®には、効率,トルク,流量,力やモーメントなどの各変数を自動的に計算し保存する機能が搭載されています。設定された変数はシミュレーション中に計算され、自動作成されるHTMLレポートにまとめられます。さらに、GUIに組み込まれたParaView上で、視覚的な後処理を行うことができます。


実測データとの比較


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結果比較では、実測データとCFXでのシミュレーション結果が用いられて、各回転数に応じた流量に対する効率の結果が対象となっています。比較グラフの通り、TCFD®の結果は実測データに非常に近い値を示しており、このケースにおいてはすべてのプロット位置において適切な結果を得ることができました。また、他商用ソフトウェアと比較しても、同等の結果を取得することができており、精度の観点からも有効なソフトウェアであることを確認することができます。


今回の遠心圧縮機を用いたベンチマークテストの結果は、TCFD®が設計開発を行うユーザーの支援に適していることを示しました。


CZ a.s.:http://www.czas.cz/?PageId=201&SubId=0&Detail=0&lng=en