解析タイプ: Multi-purpose
このチュートリアルでは、Multi-purposeソルバーを使った遠心ポンプシミュレーションを実行する方法を紹介します。
図1： ポンプ内の圧力分布
概要
このチュートリアルでは、次のことを学びます。
- シミュレーションのための回転領域の作成と流体領域の抽出
- 非圧縮性の定常解析の条件設定と実行
- Saved selectionsの割り当て
- 境界条件、材料、その他のプロパティの割り当て
- Multi-purposeの自動アルゴリズムによるメッシュ生成
以下の手順で解析を実行します。
- シミュレーションのためのCADモデルを準備します。
- シミュレーションの条件を設定します。
- メッシュを生成します。
- シミュレーションを実行し、結果を評価します。
1. CADモデルの準備と解析タイプの選択
まず、下のリンクをクリックします。ジオメトリを含むチュートリアルがワークベンチにコピーされます。
次の図は、チュートリアルプロジェクトをインポートした後に表示される、元のジオメトリを示したものです。
図2：ワークベンチにインポートされたポンプのCADモデル
2.1. ジオメトリの準備
回転を伴う流体解析を始める前に、この解析に対応できるようにCADモデルを準備します。このチュートリアルには、下図に示す2つのジオメトリが含まれています。
図3：オリジナルの形状(左)とシミュレーションの準備ができた流体領域(右)
Original Geometryは、実際のポンプとその羽根で構成されています。この形状をCFDシミュレーションに使用するには、準備が必要です。
CFDシミュレーションに必要なのは、Centrifugal Pumpです。この形状には、流体領域と、回転領域を表すボリュームが含まれています。オリジナルのジオメトリをCFD対応にするための手順は、こちらの記事で詳しく説明しています。
1.2. シミュレーションツリーの作成
Centrifugal Pumpが選択されていることを確認します。
図 4：新規シミュレーションの作成
Create Simulationをクリックすると、解析タイプを選択できます。
図5：利用可能な解析タイプ。
解析タイプとしてMulti-purposeを選択し、Create Simulationを押します。
この時点で、左側のパネルにシミュレーションツリーが表示されます。シミュレーションを実行するために、シミュレーションツリーの項目を設定していきます。
図 6: チュートリアルのグローバル設定
グローバル設定はデフォルトのままで構いません。Steady-stateでは、流れ場の時間的な変化がないときの平衡状態を求めます。
| Tips |
| ポンプブレード内での流れの剥離は、k-epsilon乱流モデルによって効果的に捕捉されます。 |
2. 解析条件の設定
今回使用した境界条件を下図に示します。
図7：遠心ポンプの境界条件の概要
| Tips |
| 流入速度と流出圧力は、CFD解析でよく使用される組み合わせで、多くのケースで、安定して解が得られます。この組み合わせは、質量の連続性を確保できます。 |
2.1. 材料の定義
本シミュレーションでは、水を材料として使用します。Materialsの隣にある+ボタンをクリックします。下の図に示すように、材料ライブラリーが開きます。
図8：利用可能な材料ライブラリ
Waterを選択し、Applyをクリックします。水の特性を示すウィンドウが開きます。デフォルト値のまま、流れ領域を表すVolumeに割り当てます。
図9：流体領域にWaterを割り当てます。回転領域のボリュームが選択されていないことに注意してください。
| Tips |
| Modelのセクションで重力加速度を指定できます。これは、重力が支配的な場合に便利です。今回のチュートリアルでは、デフォルトの 0 のままにしておきます。 |
2.2. 境界条件の設定
図 10 のように境界条件を割り当てます。今回のケースでは、流入速度、流出圧力、壁面、回転領域を設定します。
2.2.1. Velocity Inlet
Boundary conditions の横の+ボタンを押すと、ドロップダウンが表示され、境界条件を選択することができます。
図 10：流入面に適用するVelocity inlet境界条件を選択する。
Velocity inletを選択した後、速度を設定し、流入面を割り当てます。以下のように進めてください。
図 11: 面に境界条件を割り当てる。
0.004 m3/sの体積流量を割り当てます。
| Tips |
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Multi-purposeソルバーでは、速度境界条件でのパラメトリックスタディが可能です。流入面または流出面に流速を割り当てる際に、流速タイプをFlow rateにすると、複数の流速を一度に直接またはファイルをアップロードして入力できます。 図12: 複数の流量を一度にシミュレーションすることで、Multi-purposeでパラメトリックスタディが実行できます。 複数の流量を入力するには、表形式で値を入力するための新しいウィンドウを開き、値を入力し、Applyをクリックします。流入面を指定することを忘れないでください。 これにより、異なる流量を一度に割り当てた複数の解析を並行して開始することができ、ユーザーは時間を節約することができます。このチュートリアルでは、この機能を試してみることをお勧めします。 |
2.2.2. Pressure Outlet
新しい境界条件としてPressure Outletを作成し、流出面を選択します。Pressure typeがFixed valueに、(P) Gauge Pressureが0 Paに設定されていることを確認します。
図 13: 流出面に 2 つ目の境界条件を割り当てる
2.2.3. Walls
Multi-purposeでは、壁として機能する全ての面はソルバーによって自動的に条件が設定されます。回転領域の外側の壁にはNo-slip条件が適用され、回転領域の内側の壁は、特に静止させたい場合を除き、回転壁として扱われます。
2.3. Advanced Conceptsについて
シミュレーションツリーで、Advanced conceptsを展開します。Rotating zonesの隣にある+ボタンをクリックし、MRF Rotating Zoneを選択します。回転領域を図のように定義します。
図 14: 回転領域のパラメータ。この回転領域内のすべてのエンティティは、350 rad/sで回転します。
| Tips |
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シミュレーション開始時の初期入力に基づき、Multi-purpose は回転領域を MRF または AMI ゾーンとして自動的に割り当てます。回転領域を設定する際に、追加の入力は必要ありません。 MRF回転領域とAMI回転領域の違いについては、こちらのページで解説しています。 |
2.4. Simulation Controlについて
Multi-purposeのNumericsは、最適化されたデフォルト値が入力されていますので、そのままで構いません。
Simulation Controlを開き、Number of iterationsを600に変更します。
図 15: 600秒の定常シミュレーションの定義
残りの設定はデフォルトのままにしてください。Simulation Controlについて詳しくは、こちらをご覧ください。
2.5. Result Controlについて
Result controlによって、モデル内の特定の位置での収束挙動を観察できます。シミュレーションの品質や結果の信頼性を判断する重要な指標となります。
2.5.1. Forces and Moments
このシミュレーションでは、下図のようにインペラーにForces and momentsを設定します。
図16：インペラのForces and moments
2.5.2. Area Average
このチュートリアルでは、インペラ表面にあらかじめSaved selectionsが設定されています。Surface dataの横にある+ボタンをクリックし、流入面と流出面のArea averageを作成します。
図 17: 流入面と流出面で面平均値をモニターする
2.5.3. Pressure Difference
流入面と流出面の間の圧力差を得るために、Pressure differenceも設定します。これは、反復回数を横軸に異なる流量のプロットをそれぞれ作成します。
図 18：流入面と流出面で圧力差をモニターする
3. メッシュ
メッシュの作成には、Automaticアルゴリズムを使用することをお勧めします。これは自動化されており、ほとんどの形状で良好な結果が得られます。
このチュートリアルでは、メッシュの細かさを1に設定しています。メッシュの高精度化を行いたい場合は、メッシュのFinenessをより高苦なるようにスライドさせることでメッシュの精度を上げることができます。
図19：自動メッシュ設定
| Tips |
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オートメッシャーでは、Physics-based meshingを使用して、ほとんどの領域を分割できるBody-fittedメッシュが作成されます。 マニュアルアルゴリズムを使用している場合は、このMulti-purposeマニュアルメッシングのドキュメントページでメッシュパラメータの設定方法について学ぶことができます。 |
| 計算実施済みのプロジェクト |
| 解析条件の設定とシミュレーション計算がすでに実施済みのプロジェクトをこちらからご確認いただけます。 |
4. 解析の実行
これでシミュレーションを開始できます。Simulation runsの隣にある+アイコンをクリックします。ダイアログボックスが表示されますので、Runに名前を付けてシミュレーションを開始します。
図 20: シミュレーションの実行準備
結果が計算されている間、ポストプロセッサーでSolution Fieldsをクリックすると、中間結果を見ることができます。これらはリアルタイムで更新されます。
シミュレーションが終了するまでには、およそ5-8分かかります。
図21：Solution fieldsでは、シミュレーションの実行中に中間結果セットにアクセスすることも可能です。
SimScaleにはポスト処理環境が組み込まれており、図22のようにSolution Fieldsをクリックしてアクセスできます。
図22：SimScaleの統合されたオンラインポストプロセッサーへのアクセス
| Tips |
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SimScaleを使用すると、形状に合ったポンプ曲線を簡単に得ることができます。パラメトリックスタディ機能で、流量を変更した複数のシミュレーションを並行して実行できます。 ポンプ曲線の詳細については、こちらのブログ記事(英語)をご覧ください。 |
5. ポスト処理
5.1. メッシュの可視化
ポストプロセッサーで、Parts ColorフィルターでColoringを任意のソリッドカラーに変更し、レンダーモードをSurfaces with meshに変更し、CADモデルの不透明な表面をメッシュグリッドで表示させることができます。
図23：SimScaleのオンラインポストプロセッサー内のメッシュ視覚化
Cutting planeフィルターを使用して、生成されたメッシュの内部を見ることができます。
- 上部のリボンからCutting planeフィルターを選択します。
- ローターを切断する位置まで調整します。
- Orientationを X 軸にします。
- Coloringをソリッドカラーに変更します。
- Show mesh を有効にして、メッシュが見えるようにします。
図24：切断面を使ったメッシュの表示
数秒後、メッシュの内部を示すクリップが表示されます。このメッシュは、このチュートリアルには十分な品質です。
5.2. 収束性の確認
Result controlで、収束性を評価することができます。反復が進むにつれて、主要なパラメータが変化しなくなるはずです。この時点で、シミュレーションは収束したとみなされます。
では、主要なパラメータとは何でしょうか？遠心ポンプのシミュレーションでは、流出面での速度、流入面での圧力、インペラーにかかる力が注目すべきパラメータです。例えば、Forces and momentsのプロットを見てみましょう。
図 25: 流量 0.0085 m3/s(Run 3)での収束を評価するためのForces and momentsのプロット。結果は非常に安定している。
5.3. パフォーマンスカーブ
複数のシミュレーションを並行して行ったため、すべての流量に対する圧力差Δpがプロットされています。これは、Result controlのArea averagesで見ることができます。
図 26：体積流量に対する遠心ポンプのパフォーマンスカーブ
パフォーマンスカーブは、ポンプの動作条件の範囲を定義します。パフォーマンスカーブからは、ある圧力ヘッドの下で生成できるポンプの流量、および効率を知ることができます。最適なポンプ選定と信頼性の高い効率的な運転に不可欠な情報です。
5.4. Pressure
- Parts Colorで、ColoringがPressureであることを確認します。こうすることで、圧力が境界線上に表示されます。
- ブレードを表示させるには、外側の面をクリックして面を選択します。
- 面を選択したら、ビューア上で右クリックしてHide selectionを選択します。
図 27: ポストプロセッサでは、ワークベンチで使用できる選択機能をそのまま使用することができます。
最初の面のセットを隠した後、ブレードが完全に見えるようになるまでに、さらに内部の面を隠す必要があるかもしれません。この段階で、凡例を右クリックし、Use continuous scaleを選択すると、スムーズな配色にできます。
図28：羽根とインペラーの底面の圧力を可視化すると、流体の出口に近い、ポンプの出口に向かう縁に高い分布があることが分かります。Run 4 [0.004 m3/s]の結果
5.5. Velocity Vectors
ポンプ内部で起こっていることをよりよく理解するために、Cutting Planeフィルターを追加します。
- 上部のリボンを使ってCutting Planeフィルターを作成します。
- 切断面のPositionを(0, 0, 0)に調整します。さらに、OrientationをX、ColoringをVelocity Magnitudeにしてください。
- Clip model をオンにします。
図 29: この X 軸に垂直な切断面は、モデルから出るときの流れを示しています。(ラン 4 [0.004 m3/s])
また、Vectorsをオンに切り替えると、さまざまな領域でフィールドの流れ方向を確認することができます。
- ColoringをSolid colorに変更し、黒を選択します。
- 次にScale factorを0.1に、Grid Spacingを0.02に設定します。
- Project vectors onto planeを有効にします。
図30: 速度ベクトルをプロットした速度等高線。羽根の先端や流出面など、流体が加速する部分では、ベクトルも拡大されている。(ラン4 [0.004 m3/s])
ブレードのエッジ付近は、暖色で表現されているため、流れが加速していることがわかります。切断面の他の設定により、さらに情報が得られます。例えば、OrientationをYに変更することができます。
図 31: ポンプ周辺の切断面の向きを調整する。(ラン4 [0.004 m3/s])
このようにすると、羽根の周りの流れの挙動を別の視点から観察することができます。
SimScaleのポストプロセッサーで結果を評価しました。ポストプロセッサーを使用する方法については、ポスト処理ガイドをご覧ください。