熱流体解析

Simulation CFDによるクロスフロー水車解析の開始

Simulation CFDによるクロスフロー水車の性能流体解析を開始しました。

次の図は、ランナなしの静止部のみでの流れ解析結果であり、特にノズルからの流出状態を見ています。

次の図は、ランナが存在していて、ランナは静止状態つまり回転数0rpmでの流れ解析結果図です。

すこし離れて全体を見てみます。

現在、ランナに回転を与えた解析計算に入っているところですが、解析時間がかかっています。

クロスフロー水車ランナ回転状態での流体解析

引き続いてクロスフロー水車の性能流体解析を進めています。

ランナ(動翼)が回転している状態での解析計算結果図です。

次はランナに横から接近して流れを見たものですが、ランナを流れが横切っていることが分かります。

次は解析図全体を見たものです。

解析値から水車効率を計算してみると70%ぐらいだったので、解析は良い方向で計算されているようです。

しかし、入口近傍流れ、ランナ横断流れの特に出口側転向状態などが疑問が残るので、幾度も色々と試していく所存です。

クロスフロー水車流れ解析の進展

クロスフロー水車の流れ状態解析を前回紹介した計算結果から更に進展させて、次の図のようにランナ廻り流れ状態を得ることが出来ました。

前回の計算結果よりランナ出口流れ状態が自然なものとなっています。

出口部流れを斜めから見てみます。

流蹟線の密度が小さくなっているので少々分かりにくいところもありますが、クロスフローランナを最初に横切る流れがランナブレードで適切な横断流れにされて再度内側からランナブレードに流入しているようにあり、再度ランナブレードに作用した流れの出口での流れも設計意図である下方向への転向が全体に渡って行われていると判断して良さそうです。

クロスフロー水車流量解析シミュレーション結果図

設計したクロスフロー水車が、ガイドベーン開度100%位置で設計点流量が流れているかどうかを確認するために解析計算を行い、次のように解析結果を得ることが出来ました。

この解析結果から、設計点流量毎秒0.2m^3に対して、解析値は0.208m^3であり、これにより本クロスフロー水車の設計点ガイドベーン開度にて現場でも正しい流量を流すことが確実そうであることが言えます。

高出力タービンモーターの性能流体解析

高出力タービンモーターの性能流体解析時の解析結果例が次です。

まずタービン全体での解析結果図です。

色は速度分布を表しています。

5段タービンを5段稼動状態のままに流体解析が出来ています。

次は、断間流れを見たものです。

速度ベクトルの状態から分かることは、定格回転数よりもかなり遅い状態で動かしている解析結果となります。

それは、動翼への相対流入角度、タービン後方での強い回転と逆方向旋回流から分かります。

フランシス水車流れ解析結果

フランシス水車流れ解析結果です。

渦巻きケーシングからステーベーンへの流れ込み、そしてガイドベーンで作られた旋回流がランナベーンに流れ込み翼間を流れる様子などが分かります。

ガイドベーンの流れまでは絶対流ですが、ランナベーンの流れは相対流になっています。

流れで気になる点は、ステーベーンへの渦巻き流れの衝突です。

ステーベーンの入口角度を変更し、ガイドベーンへの流れ込み角度はそのままとなるように、ステーベーンも転向角度を持つ翼型にしたほうがロスなく良さそうです。

フランシス水車高性能化のための流体解析例

フランシス水車の効率を究極まで上げるために、詳細な性能流体解析を行っていますが、その解析例です。

左の解析結果図では、曲面上流蹟線表示を使って、翼間円錐流れ面上の流れの様子を見ています。

これで気になる点は、スピードリングのステーベーン後流の状態が乱れている点です。

それを更に分かるように、ケーシングからの流れ込みから表示しています。

ランナ内相対流れは悪くないので、気になるステーベーンからガイドベーンに流れ込む部分を改善すべきということが解析から分かり、まず最初に修正すべきはガイドベーンの形状と推定出来ます。

ガイドベーンが腹側がフラットな翼形状としているのを対称型に変えて、ステーベーンからの流れ込みを改善します。

発電所落差損失の詳細解析

発電所のタービンにかかる有効落差を土木設備を含め正確に求めるために、流れの入口から出口までを再現して各点での圧力状態を解析計算している画面ショットです。

次は解析計算モニタリング画面です。

どうも水槽からの流入部に大きな縮流が起きて圧力損失が過大になっているようです。

入口ベルマウスで圧力損失を0.4mも削減

プロペラ水車発電機の吸い込み口抵抗損失を減らすために、水車入口管の流水口にベルマウス管を付け加えてみました。

ベルマウスがない状態での流入速度ベクトル状態が次です。

上図では、水槽からパイプへの流入部でかなりの縮流による圧力損失が出ています。

それに対して次の図のベルマウス付加では、滑らかな流入状態となっているのが速度ベクトルから分かります。

このベルマウス付加により、パイプへの流入損失が0.4mも減っていることが解析シミュレーションで分かりました。

水力発電所の水理計算部は、やはり非常に気を付けて設計しなければならないことが今回の解析により判明しています。

導水管入口の圧損を減少する形状が決まりました

水槽から導水管に流入する部分での圧損を減らすための入口ベルマウス構造が、次の解析図のように決まりました。

実際の水槽には導水管入口手前にかなりの高さの泥止めがあり、ベルマウスの長さをあまり取れないため、短いベルマウスにしています。

さらにベルマウス製作費を抑えるために、曲面ベルマウスではなく、円錐台テーパ管としました。

テーパ管であっても曲面ベルマウスと圧損はほとんど変わらないことが解析で分かりました。

非ニュートン流体用ポンプの性能解析例

非ニュートン流体(固体粒子混合型)用ポンプの流体解析例です。

非ニュートン流体用ターボ機械でも性能解析が可能です。

ターボブロワーの性能解析結果 流線図

ターボ型ブロワーの性能解析結果である流線図です。

3次元羽根ターボブロワーが羽根から流れを作り出している様子が分かり、改良点は渦巻ケーシングの巻き終い部が流れを阻害している様子があり、そこの3次元形状をより広く損失の少ない形状に変更しなければなりません。

解析用軸流ファンモデルと機器内運転解析結果

ファン性能解析用の解析用軸流ファンモデルを造ってみたのが次の図です。

そしてこの軸流ファン解析モデルを機器の中に組み込んで流体解析を行った結果図が次の図となります。

機器の中の軸流ファンは、図のようにファン前後の機器構造から多大な流れの影響を受け、非常に複雑な流れを形成することになります。

圧力複式軸流2段衝動タービンの設計と性能解析

圧力複式軸流2段衝動タービンの設計と性能解析を行いました。

次の図は、流れ解析結果の流れ線群を見ている解析結果図です。

次は出口側斜めから流れ線群を見る

気体の膨張度が大きく、2段目では羽根がかなり大きくなっています。

全体的には、2段衝動タービン構成で充分に入口エンタルピーエネルギーを羽根が吸収して軸動力を発生し、タービン出口においてもロス少なく排気していることが分かります。

つまり、性能の高い圧力複式軸流2段衝動タービンとなっています。

事務所のエアコン効き具合を熱流体解析してみました

夏が近づいて事務所の設計と解析をしている部屋ではPCの発熱による温度上昇が体感されているので、熱流体解析をしてみて見える化しました。

最初は、いつも使う1台のエアコンから冷気が吹き出し、発熱の元PCにも発熱量を与えて部屋内温度分布を解析計算して、まず空気の流れ線を見た結果図です。


この空気の流れにより部屋内の床から1mの高さの平面で温度分布を見たのが次です。

この平面温度分布を見ると、エアコン吹き出しが直接来るところあたりは涼しく、逆にエアコン側の机あたりは暑いことが分かり、実際の体感とも会っています。

高効率シロッコファン設計例

一般的なシロッコファンの最高効率は低いので、羽根形状の最適化で高効率化を達成したシロッコファン設計例です。

高効率化の要点は、翼間流れ状態の最適化に尽きます。

この図では翼間流れ状態はあまり詳しく見えていませんが、速度の色分布的には均一な流れと理解して頂けると思います。

扇風機ファン流れ解析例

扇風機ファンの流れ解析を行った事例です。

次は流速分布図の色表示です。

次は、流れ線図です。

遠くまで風の効果をとどけられるファンを設計出来ました。

低比速度フランシス水車の流れ解析

低比速度フランシス水車を設計したので、流れ解析を行ってみました。

別の角度から

ランナ出口でかなり回転と逆方向の旋回流が残っている状態であり、それは流量が定格より多くなっているからです。

ガイドベーンを100%より開けると、回転と逆方向の旋回流が発生します。

逆にガイドベーンを閉めて流量を減らしていくと、どんどん回転と同方向の出口旋回流が強くなって、吸出管内での旋回流振れ回り現象がひどくなると水車運転に支障が出たりします。

コンプレッサー入口サイクロンによる流れ状態解析結果

コンプレッサーの入口にサイクロン機能部があり、それによるコンプレッサー吸い込み流れ状態の解析結果です。

サイクロン入口から微粒子も流し状態を見てみると、微粒子は遠心力で外側により、コンプレッサー羽根入口中心前にはかなり圧力の低い状態が生じます。

この特性は、色々な用途に使えます。

バイク用スーパーチャージャーの基本設計と性能解析

バイク用スーパーチャージャーの基本設計と性能解析を次のように行いました。

セントリフューガル式(遠心ターボ式)のスーパーチャージャーで、回転数は高速です。

次は流れ状態を示す流線群の解析結果図です。

流体部形状は充分に良い流れを作り出していますから、過給性能的には満足出来ます。

多数ノズル(8個)衝動軸流タービン解析

多数ノズル(8個)衝動軸流タービン解析です。

全周流入単段衝動タービン流れ解析図

全周流入単段衝動タービン流れ解析図

出口を円筒状の広い面積としているので無理なく排気が排出されています。

フランシス水車流れ解析結果 比速度150程度

フランシス水車流れ解析結果です。

中央断面での速度分布表示が次です。

85%流量でフランシス水車効率が82%が解析結果です。

実機では少し効率が上がりますので、85%流量で水車効率85%以上、設計点では88%以上になると推定されます。

フランシス水車比速度150前後は効率が高い領域です。

高比速度遠心ターボファン設計

高比速度の遠心ターボファンを高性能設計しました。

遠心ターボファンも比速度1000ぐらいまでは設計可能範囲となりえるので、大風量で高圧となるようにした遠心ターボファンを設計して性能解析した結果図が上の図です。

軸方向流れ遠心ターボファン性能解析

軸方向に気体が流れる中比速度遠心型ターボファンの性能流体解析の結果図です。

軸方向に遠心ターボファンからの吐出流を導くリターンディフューザーにより性能がかなり異なることが分かっています。