本記事では、最適化・パラメトリックモデリングソフトウェアCAESES®の開発元である、FRIENDSHIP SYSTEMSが公開する事例を翻訳してご紹介します。

FRIENDSHIP SYSTEMSは、メッシュジェネレーターであるPointwiseと共同で、垂直軸風力タービン（VAWT）の空力挙動を調査しました。この作業の概要は以下の通りです。

Pointwiseによるメッシュ生成

複数段階の取り組みにおける最初の段階で、FRIENDSHIP SYSTEMSは、Pointwiseによるメッシュ生成の自動化、PointwiseとCAESESの統合、これら2つを（他ツールと共に）使用して、垂直軸風力タービンを2Dで最適化する方法の実証に成功しました。

2DジオメトリのメッシュはPointwiseで作成されました。このソフトウェアを使用すると、高品質のメッシュを生成することができ、Glyphスクリプトを使用してバッチモードで実行できます。初心者にとっては、セットアップ中にスクリプトを記録できるため、スクリプトの作成が簡単です。経験者にとっては、スクリプトを直接記述して、よりコンパクトでロバストなスクリプトを作成することができます。

ベストプラクティスでは、ハイブリッドメッシュが推奨の選択肢であることが示唆されています。これは、選択された乱流モデルに必要な境界層を解析するための翼周囲の構造メッシュと、遠方場の非構造メッシュで構成されます。

OpenFOAMを使用したCFD

CFD計算はオープンソースツールボックスOpenFOAM 2.2.0を採用しました。回転領域にスライディングメッシュ法を用いた、非定常解析となります。翼面における乱流および剥離の影響を考慮するため、k-ωSST乱流モデルが選択されています。このモデルは、翼面近傍と遠方場における流体効果を良好に表現します。ソルバーにはpimpleDyMFoamを使用し、時間ステップは0.0001秒に固定しました。インターフェースはcyclicAMI型です。

計算中に力とトルクが記録されるため、シミュレーション後にトルクを抽出できます。垂直軸風力タービン２回転のシミュレーションには、約2時間15分かかりました。典型的な流れ場画像は、速度による圧力を示します。

CAESESによる最適化

CAESESは、PointwiseとOpenFOAMのスクリプトを使用して、自動変形および最適化スタディを実行できます。そのため、2つの「Software Connectors（ソフトウェアコネクタ）」（Pointwiseのコネクタと混同しないでください）が各プログラムに1つずつ使用されます。1つ目のソフトウェアコネクタはIGESジオメトリファイルをエクスポートし、Pointwiseのスクリプトを実行します。結果ファイルは、OpenFOAM用にエクスポートされたポリメッシュファイルです。これらのファイルは、OpenFOAM用の2つ目のソフトウェアコネクタにリンクされます。

最適化は、風速10m/s、翼端速度比0.5、半径0.6mの条件下で行われました。設計変数には、ピッチ角、キャンバー、キャンバー位置、厚さ、コード長が選択されています。結果として、最良設計のCOP（性能係数）は26%となりました。この事例では、有名なNSGA2アルゴリズムが使用されました。

結論

この事例では、CAESESを中心に、商用メッシュジェネレータPointwiseとオープンソースソフトウェアOpenFOAMを使用して、垂直軸風力タービンの最適化プロセスのプロトタイプを作成しました。次のステップは、解析と最適化を3Dに拡張することです。

事例や詳細情報、製品に関するお問い合わせ

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