熱流体解析

遠心ポンプ流体解析 最高効率点を探る

最高効率の運転点はどの流量・ヘッドになるのかを探ってみました。

遠心ポンプ流体解析1

運転時の羽根部分の速度分布を示しています。
羽根内の矢印は相対速度を示していますが、色の分布は絶対速度の変化を示しています。
そしてケーシングに入ったところでは、矢印も絶対速度を示すこととなります。

遠心ポンプ流体解析2

これはインペラからケーシング出口にかけての流れ状態を表わしていますが、なぜか最大流量時に比べてこの最高効率運転時の方がケーシングの流れ状態が均一な良い状態になっており、少し不思議ですが、ケーシング設計計算時のケーシング内最適速度に適した水量になっているからではないかと思っています。

遠心ポンプ流体解析3

これが入口からケーシング出口までの速度分布が分かるように軸を切る断面による速度分布も付け加えた図です。

インペラへの入口速度分布も悪くなく、インペラを出た後の水がケーシング断面内においても断面上での渦速度分布をそれほど持っていないなど、最高効率に寄与する状態になっているようです。

最高効率条件は、ヘッド2.5mで流量90リッター毎分での効率78%となりました。

インペラのブレードの厚みをかなり厚くしていることと、翼間流れの負圧側で羽根曲率の高いところに乱れが生じていることなどより効率80%越えが達成出来なかったと推測しています。

ロケット機 外部流れ解析

ロケット機 外部流れ解析1ロケット機 外部流れ解析2

これは尾部からロケット噴射を行い飛行するタイプの機体ですが、水平尾翼はなく、主翼が尾翼の代わりもするようになっています。
機体寸法は、縮尺100分の1程度の小さいもので、縮尺に応じた外部空気流れを設定して解析を行ってみました。
色は、圧力のコンターとなり、ベクトル矢印は速度を表わしています。

機体前面が圧力が高くなり、機体の迎え角はほとんどゼロですが、主翼の胴体に近い方では、翼負圧面後部に圧力の低いところがあり、主翼先端に行くにしたがい少し翼断面がねじり下げられているので、翼負圧面での圧力降下はそれほどありません。

ロケット機 外部流れ解析3ロケット機 外部流れ解析4

胴体を縦に切る断面での圧力分布と機体を平面に切る面での圧力分布を示しています。
機体前面での圧力上昇が前方まで影響しているのが気になります。

高速高効率3次元羽根ターボファンの性能解析 最大流量時

複雑な3次元羽根ブレードを持つ高速・高効率ターボファンの流体解析を最大流量点で行ってみましたのでご紹介します。

高速高効率3次元羽根ターボファンの性能解析1高速高効率3次元羽根ターボファンの性能解析2

このターボファンは、毎分8000rpmという高速で回転する小型ながら必要な流量・圧力を出せるタイプで、その圧力はすでにブロワーの範疇となる性能の良いものです。 
上図2枚はインペラ内での相対速度をコンターとベクトルで表したものとなります。
相対速度のベクトル方向や速度分布共に、設計で仮定した流れと差異は少なく、良い状態で流れています。つまりインペラでの損失は少なくなっています。

高速高効率3次元羽根ターボファンの性能解析3

このターボファンは、回転するインペラ部だけでなく、インペラ後にはかなり短いですが半径方向に流れを転向するディフューザー翼を多数周りに持っています。

ディフューザー部での速度分布は絶対速度の分布を色とベクトルともに表わしていますが、ディフューザー翼での半径方向への流れ転向はかなりスムーズに行われており、出口後の目的とする流れ状態を作ることが出来ていると推測出来ます。

高速高効率3次元羽根ターボファンの性能解析4

また、ファンインペラ入口流れからディフューザー出口までの流れを軸を切断する面で見てみると、左図にあるように入口状態は良好で翼間でも悪くないですが、ディフューザー部では下面に速い流れが集まっています。

これは、インペラボス部に軸方向から半径方向に転向させる曲率がありますが、やはりそれでもインペラ出口では完全に半径方向には曲がりきれず、速度の偏りが見られていると推測出来ます。

高速高効率3次元羽根ターボファンの性能解析5

最後に流跡線にてファン入口から出口までの流れ状態を見ています。

結局このファンは、今回解析では、定格回転数の10分の1の800rpmで回してみたところ、最大流量時には毎分約2立法メートルの空気を流していることが分りました。

電子機器冷却用ターボファン流体解析

電子機器冷却用ターボファン流体解析1

この遠心型ターボファンは、直径が50mmぐらいの小型のファンとなり、用途してはパソコン・電子機器のなかでも薄型で風量が求められ、しかも静音なファンとなります。
一見軸流ファンタイプの羽根ですが、回転方向に対して後退角を持つと共に、スパン方向にねじりを入れた遠心型ファンとなっています。

電子機器冷却用ターボファン流体解析2

流体解析による性能解析を行い、全体の速度分布を表わす図となります。
空気の入口は羽根の上面部分で、ケーシングの側面に2ヶ所出口が開いておりそこから噴き出します。

電子機器冷却用ターボファン流体解析3

羽根内は相対速度分布を表わしますが、翼間の流れには無理などないようです。 

電子機器冷却用ターボファン流体解析4

次は入口から出口までを縦方向に切断した断面での速度分布を見てみると空気入口部の外周側で速度が速くなっている逆流領域が見られます。
これはブレード面に沿って外周部ほど流速が速くなり、入口円筒側面にぶつかって逆流しているものと推測出来ます。

電子機器冷却用ターボファン流体解析5

最後は、流跡線の表示です。
これを見ると流れは手前の出口に多く流れていること、ファン中心のモーター下部に廻り込んでいることが分ります。