熱流体解析

軸流ファン後方の旋回流強さの解析事例

デスクトップパソコンや電子機器に内蔵されている冷却用のファンは軸流ファンタイプが多く用いられているが、それら軸流ファンには動翼の後流に静翼がないものがほとんどです。

そのような軸流ファンを運転すると大きな旋回流が後方に発生するようすを解析した事例が次の図となります。

軸流ファン後方の旋回流は遠くまで流れを届かせるには不利となりますが、デスクトップPCや電子機器筐体の中では広く部品を冷却出来ることになり意外と良かったりするのかもしれません。

そのような軸流ファンの後方旋回流は、筐体内機器冷却のシミュレーションを行う場合に於いてもし擬似ファンを使う場合は考慮されておらず不正確なシミュレーションとなるので、やはり筐体内冷却解析に於いて軸流ファンがあるならそれをシミュレーション上でも回転させて流れを発生させシミュレーションをする必要があると考えています。

弊社の冷却能力解析シミュレーションでは全てファンの羽根を回転させた条件で解析計算を行いますので、その実際性は高くなっています。

流体解析と構造解析の融合

流体解析によりインペラ(羽根)に作用する流体力(翼面圧力差分布など)を求め、インペラが回転した時の遠心力と流体力の合力を羽根に与えて安全率などの解析をした例となります。

まず羽根の流体解析の様子図です。

次は流体力と遠心力の合力から応力と変位の分布を求めた結果です。

次は、ひずみと安全率の分布を求めた結果です。

これらの解析結果を吟味することで製品の信頼性は高くすることが可能です。

高速回転型ターボ機械では常に行っている解析作業の説明でした。

2段タービン要素試験研究用解析モデル解析結果

気体タービンにおける静翼=ノズルでの噴出速度は毎秒数百メーターにもなる高速です。

その高速の流れに対して動翼の最適な回転速度は周速度が噴出速度の半分から同じぐらいで性能がよくなりますから、大変に高速になることは分かって頂けると思います。

あまりに高速回転になると特に軸受関係に対する負担が大きくなり、連続発電運転では支障がでることもあり、出来れば低回転が好ましいこととなります。

そのような気体タービンの回転数を減ずるために、タービンを2段にして、半分ずつの減圧をタービン1段が行うことで低回転化を達成出来ます。

それの性能解析モデルとして計画してみたのが次の解析結果図の2段タービンです。

これは解析結果としては2段目の流れ状態が悪くなっているので改良が必要な結果を示す事例です。

直管型水力タービン発電機の設計と解析

入口から出口まで同じ直径の中に水力タービン発電機が納められている場合を想定したタービンの設計とそれの性能解析を行った結果図が次の解析図です。

同じ直径の中でタービン羽根にとって有効な流体速度を造り上げるのはなかなかに難しいことであり、どうしても効率が低下しやすいタービンとなってしまいます。

よって設計にはかなりの工夫が必要となりガイドベーンとランナベーンの両方に形状の大胆な工夫が必要です。

そう考えればわざわざ入口の直径に全体の直径を合わせることが必要ないことであり、それ自体が変なこだわりとなりますが、中には強度などの構造上どうしてもという場合があり得ます。

フランシス水車性能改善用流体解析作業

フランシス水車の性能を改善するための性能シミュレーションを色々な点を変更しながら行っています。

性能シミュレーションでの流蹟線群による全体の流れ状態表示が次となります。

今回の性能改善作業ではランナ翼間の流れを改善することを主体として行っていますが、そのランナ翼間流れ状態は次の図のようにあるサーフェース面での流蹟線群として表示され、その改善すべき羽根形状部を決めるのに重要な指針となります。

翼間の滞留部、衝突部、渦部など詳細に見ると複雑な羽根3次元形状を微妙に変形しながら作業を進めないとならないことになり、かなり根気のいる作業です。

遠心型タービンでのガイドベーンからランナべーへの流入状態解析結果

遠心型タービンで可変ガイドベーンが付いているタイプでのガイドベーンからランナベーンへの流れ状態解析結果図として速度コンターと速度ベクトルの表示です。

ガイドベーンへの流入状態にすこし無理があり、ガイドベーン入口部形状を変えなければと考えていますが、可変ガイドベーンシャッター面の位置も変わるため、どうするか迷うところです。

ランナベーンへの流入状態は最適化出来ていて、ランナベーン翼間流れも滑らかに圧力降下があり、乱れもない良い流れになっています。

遠心コンプレッサーの設計と性能流体解析 例

流体機械設計事例として、遠心型コンプレッサーを設計して、その性能を流体解析で求めた事例です。

高速回転をする遠心型コンプレッサーの羽根が空気を高速流として渦巻ケーシングに流し込み、渦巻ケーシング内で高速の流体速度が徐々に圧力へと減速しながら転換されて、渦巻ケーシング出口では圧力比の高い気体となっています。

元々ターボ型流体機械は、速度のエネルギーを遠心力などで流体に与え、それを吐出ディフューザーなどで圧力に転換して流体の昇圧や圧縮作用を行っています。

遠心に近い斜流ファンで渦巻ケーシングタイプの性能シミュレーション

遠心に近い低比速度斜流ファンで渦巻ケーシングを持つファンを設計しましたので、性能解析シミュレーションを次の図のように行いました。

構造上、あまり入口流入状態が良くないので、その点性能が悪くなりますが、全体的には狙い程度の性能となっています。

フランシスタービン性能シミュレーション結果検討図

フランシスタービンなどの遠心型タービンの性能を確認するための性能シミュレーション結果は、次の図のような流れ解析結果図を見ながら行っています。

この結果図であれば、ガイドベーン流入状態確認、ランナベーン相対流入状態確認、ランナベーン翼間流れ状態確認、ランナベーン出口絶対流旋回流れ状態確認などをすることが出来ます。