このケースでは、TCAE^®を用いたNASAの軸流圧縮機Rotor67のCFDシミュレーションについて紹介します。Rotor67は、NASAが公開した遷音速軸流圧縮機の１段目動翼であり、1970年代に短距離航空機のエンジンを設計するために開発されたものです。

図1：シミュレーションGUI

Rotor67の形状データは、22枚のブレードから構成されています。形状データ全体でのシミュレーションも可能ですが、今回は周期的な形状であることを活かしたブレード1ピッチモデルでの解析を行いました。周期形状での解析はメッシュモデルの規模が小さくなるため、計算時間の短縮による効率的な解析が可能になります。外部のCADソフトウェアにて形状修正を行いますが、結果確認時には全体モデルとして評価することも可能となっています。

図2：Rotor67の全体モデル

コンポーネントグラフで解析モデルの接続状況を確認して、入口出口境界が正しく設定されていることを確認します。

図3：コンポーネントグラフ

CFDシミュレーションのセットアップ

・圧縮性考慮

・定常計算

・作動流体：空気

・最高効率点圧力比：ΔpTot=1.66

・入口温度：25[ºC]

・粘度：1.831e^-5[Pa.s]

・回転数：16043[RPM]

・最高効率点 質量流量：33[kg/s]

・乱流モデル：k-ω SST

・メッシュセル数：463938[cells]

・メッシュ平均y+：112

・CPU時間(1条件あたり)：24[core.hours]

シミュレーション実行後は、流量や残差、効率、ユーザー指定の変数などの重要な値の変化をGUI上で確認することができます。

図4：残差グラフ

図5：流量ごとの全圧比

今回の計算では流量条件を5種設定しており、それぞれの流量における効率とトルクのグラフが自動作成されます。

図6：流量-効率グラフ

図7：流量-トルクグラフ

シミュレーションのが終了したあとは、同一GUI上で結果を確認することができます。ベースとなっているParaViewは、CFDによる結果データを解析するためのあらゆる機能を備えた後処理ツールです。

図8：全体形状での流線図

TCAE^®では、ターボ機械を対象とした視覚的な後処理を可能とするために、ParaViewに対して"Turbo Blade Post"という機能拡張を行っています。これによりブレード間の流れ場の評価や周方向平均の子午面表示を実施することができます。

図9：Blade to Blade view

図10：Meridional average view

このような一連のワークフローによりTCAE^®でのCFDシミュレーションは実行と評価がされます。このターボ機械を対象としたCFDシミュレーションツールは、オープンソースの利点と商用ソフトウェアの利点を両方兼ね備えたことｔで、設計開発業務への効率的なサポートを実現します。