概要
このチュートリアルでは、回転領域を使用したタービン内の非圧縮性流体シミュレーションを実行する方法を紹介します。タービンを表現するためには、回転領域のモデリングが必要です。
回転領域を含むシミュレーションでは、CADの準備とシミュレーションの設定にいくつかの追加手順が必要ですので、このチュートリアルで手順を一緒に見ていきましょう。
図 1：速度場上にプロットされた速度ベクトル
このチュートリアルでは、次のことを学びます。
- 回転領域を使用した非圧縮性流体のタービン内流れのセットアップと実行
- 境界条件、材料、およびその他のプロパティの割り当て
- Standardアルゴリズムによるメッシュ作成
以下の手順で解析を実施します。
- 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。
- メッシュを作成します。
- 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種類の選択
まず、下のリンクをクリックしてください。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。
図2：ワークベンチにインポートされたタービンのCADモデル
インポートしたプロジェクトには、タービンのFlow regionとMRF rotating zoneのジオメトリが含まれています。
| Tips |
|
タービンは、流れから運動エネルギーと位置エネルギーを得て、シャフト上の機械的なトルクに変換することで動作します。 ポンプはその逆です。ポンプは、機械的エネルギーを軸のトルクという形で入力することで、水流を加圧することができます。 |
1.1. ジオメトリの準備
このチュートリアルでインポートするジオメトリは、シミュレーションの準備が整っています。タービンの固体壁は含まれていないことに注意してください。この種の解析では、流体領域と回転領域のみが必要です。
回転領域を準備する手順を知りたい場合は、このページを確認してください。
| Tips |
| SimScaleプラットフォームでは、CADモードを使用して回転領域を作成することもできます。このページでは、CADモードでの編集で円柱を作成する方法について説明しています。 |
1.2. シミュレーションツリーの作成
シミュレーションの設定をするには、Francis turbineを選択します。
図 3：新規シミュレーションの作成
Create Simulationボタンをクリックすると、シミュレーションの種類を選択する画面が表示されますので、解析タイプとしてIncompressibleを選択し、Create Simulationをクリックします。
図4： SimScaleで利用可能な解析タイプのライブラリ
2. 解析条件の設定
2.1. 材料の定義
本シミュレーションでは、流体としてWaterを使用します。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、SimScaleの材料ライブラリーが開きます。
図5： 利用可能な流体材料のライブラリ
Waterを選択し、Applyをクリックします。デフォルト値のまま、Flow regionを割り当てます。
図6：Flow regionのみが材料の割り当てを受けることに注意してください。
MRF rotation zoneのボリュームには、どの材料も割り当てられません。
2.2. 境界条件の割り当て
以下に示す概要のように、境界条件を設定していきます。
- 流入境界: 体積流量 16 m3/s
- 流出境界: ゲージ圧 0 Pa
- MRF rotating zone: 回転速度 36.61 rad/s
- 壁面: 回転速度 0 rad/s
図7 : タービンの境界条件概要
| Tips |
|
MRF rotating zoneの内部は、全体が指定された回転速度で回転するように認識されます。 回転領域が回転すべきでない面と交差する場合、その面に対して回転速度0の回転壁境界条件を設定することで、交差する部分が回転するのを防げます。 例えば、このジオメトリでは、回転すべきでない1つの面が回転領域と交差してしまっています。このチュートリアルでは、赤でハイライトされた面に、0 rad/sの回転速度を持つ壁面境界条件を設定します。 図8：MRF rotating zone(黄色)と回転しない面(赤色)が部分的に交差している。 |
次のステップでは、図 57に示すように、境界条件を割り当てます。流入速度、流出圧力、回転壁、回転領域の設定と割り当てが必要です。
2.2.1. 流入境界 (Velocity inlet)
Boundary conditionsの隣にある+ボタンをクリックします。ドロップダウンメニューが表示され、境界条件を選択することができます。
図9：SimScaleで利用可能な境界条件。リストから、Velocity inletを選択します。
Velocity inletを選択したら、いくつかのパラメータを指定して面を割り当てる必要があります。以下のように設定してください。
- Velocity typeをFlow rateに、Flow rate typeを(V) Volumetric flowにし、Flow rateに16 m3/sを入力します。
- Assigned Facesには、流入口である面を選択して割り当てます。
図10：流入面に体積流量を設定する
2.2.2. 流出境界 (Pressure outlet)
次はPressure outletです。Pressure typeをFixed valueにし、(P) Gauge pressureに0 Paを入力します。
図 11: 流出面には圧力固定の境界条件を設定します。
| Tips |
|
タービンを通過した後、水はドラフトチューブと呼ばれる部分を通って外に出ます。このドラフトチューブの目的は、流速を遅くし、運動エネルギーを位置エネルギーに変換することです。 ドラフトチューブは、出口での運動エネルギー損失に直接関係するため、慎重に設計する必要があります。 |
2.2.3. 回転領域内の非回転面 (Rotating wall)
前述したように、回転領域と交差してしまっている面には、回転速度0の回転壁の境界条件を設定します。新しい境界条件を作成し、Wallを選択します。下図のように設定します。
図12：この境界条件は、選択された壁が回転するのを防ぎます。
| Tips |
| ユーザー定義の境界条件のないサーフェスには、SimScaleが自動的にNo-slipの境界条件を割り当てるため、残りのサーフェス/壁には境界条件を作成する必要はありません。 |
2.3. Advanced Concepts
左側のパネルのシミュレーションツリーで、Advanced conceptsに移動します。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。図のように定義します。
図13：回転ゾーン内の回転速度は36.65 rad/sです。
| Tips |
|
このプロジェクトでは、定常状態のシミュレーションを実行するため、MRF rotating zoneを選択しました。 もし、非定常問題を計算するのであれば、AMI rotating zoneを選択します。 MRF回転ゾーンとAMI回転ゾーンの違いについては、Rotating zoneの詳細ページで説明しています。 |
2.4. Result Control
Result controlでは、結果の出力を設定できます。これは、収束や信頼性を評価するのにも活用できます。ここでは2つのResult controlをセットアップしてみましょう。
タービンのランナーブレードにかかる力とトルクを評価するために、Forces and momentsを設定します。それをRunner bladesという定義済みのSaved selectionsに割り当てます。
図14：タービンのランナーブレードのForces and moments control
ポンプのもう一つの重要な特性は、圧力損失です。流出面は0 Paに設定されているので、流入面での圧力がポンプの圧力損失と同値です。したがって、2つ目の制御項目を作成します。Surface dataの隣にある+ボタンをクリックします。下図に示すように、流入面にArea averageを作成します。
図 15: 流入面に設定された平均量のモニター
3. メッシュ
メッシュ生成にはStandardアルゴリズムを使用します。標準設定に加えて、ブレードとフィンの特徴を正確に捉えるために、いくつかのメッシュの細分化を行います。
| Tips |
|
回転のような特定のプロパティをセルに適用したい場合は、セルゾーンを定義する必要があります。 StandardアルゴリズムでPhysics-based meshingを有効にすると、アルゴリズムが必要なセルゾーンを自動的に作成します。このチュートリアルでは、Physics-based meshingが有効になっているので(図19参照)、セルゾーンの定義は必要ありません。 他のメッシュアルゴリズムを使用している場合、Rotating Zoneの詳細ページで、セルゾーン定義のための手順を説明しています。 |
3.1. Mesh refinement (メッシュの細分化)
3.1.1. Local Element Size
メッシュの細分化には、Refinementsの隣にある+ボタンをクリックします。ドロップダウンからLocal element sizeを選択します。
図16：Standardアルゴリズムで利用できるRefinementのタイプ
Local element sizeでは、選択したエンティティに最大エッジ長を指定することができます。以下の手順で設定します。
Maximum edge lengthを0.01 mに設定します。このLocal element sizeをDetailed bladesという名前のSaved selectionsに割り当てます。
図17：Local element sizeの設定。ブレードを選択する。
3.1.2. Local Element Size 2
さらに別のLocal Element Sizeを作成します。今回は、それほど細分化を必要としないジオメトリを選択します。Maximum edge lengthとして0.025 mを入力し、以下のSaved selectionsに割り当てます。
図18：2つ目のLocal element size。ガイドベーンとランナーの一部が選択されている。
3.2. メッシュの生成
図19：Generateボタンの横に、メッシュ生成にかかる推定時間とコアタイムの使用量が表示されています。
これで、グローバルメッシュの設定でGenerateボタンを押す準備が整いました。約30分後、以下のようなメッシュが得られます。
図20：Standardアルゴリズムを使って生成したメッシュ
メッシュの品質評価に関する詳細は、こちらのページをご覧ください。
| Tips |
| ジオメトリの単一の面を選択して、それを隠すこともできます。この方法では、内側のサーフェスを検査することができます。 |
| 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
Simulation Runsの隣にある+ボタンをクリックします。
図21：シミュレーションの開始
これでシミュレーションを開始できます。
図 22: 推定される解析の時間と消費コアタイムが表示されます。
結果が計算されている間も、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ています。
約1時間で計算が終了します。
図23：実行中にSolution fieldsをクリックすると、中間結果を確認することができます。実行終了後、Post-process results からポストプロセッサーに入ることもできます。
5. ポスト処理
5.1. Pressure Drop (圧力損失)
水車の性能を評価する上で最も重要なパラメータの一つは、水がタービンを通過した後に圧力がどの程度低下するかです。圧力損失は、流出面の圧力と流入面の圧力の差から計算できます。
流入面に面積平均出力を追加し、圧力出口を0 Paで定義しているため、圧力損失の計算には入口の圧力のみで構いません。
図24：タービン流入面の平均圧力。Area averageツリーの下から確認できます。
上図からわかるように、圧力にはまだ多少の変動があるため、直近の値の平均を算出する必要があります。例えば、タイムステップ600から1000までの平均値を計算すると、約1.8 MPaとなります。したがって、タービンによる圧力損失は約1.8 MPaとなります。
圧力損失のその他の計算方法はこちらをご覧ください。
| Tips |
| このシミュレーションは定常状態で計算しましたが、非定常な現象が発生することがあります。定常状態でのシミュレーションで非定常の効果を検出する方法については、こちらの記事を参照してください。 |
5.2. Forces and Moments
タービンを用いたシミュレーションでは、力とモーメントの結果に特に注意が必要です。今回のタービンのランナーは、Y軸を中心に回転しています。したがって、結果として生じる圧力と、その軸の周りに発生するトルクを調べてみましょう。
図25：ランナーブレードのY軸まわりの圧力(黒)と圧力によるトルク(青)
| Tips |
|
羽根にかかるトルクは、回転軸まわりの圧力、粘性、多孔質モーメントの和で与えられます。 このシミュレーションでは、タービンの Y 軸周りに 293,000 N•m近くのトルクが発生しています。 |
5.3. Particle Traces
流線は、特に回転機械の用途において、流れの様子を視覚化するための優れたツールです。以下の手順で、タービン内部の流線を表示します。
- 定義済みのフィルターをすべて削除し、一番上のフィルターリボンからParticle Traceをクリックします。
- ピックポジションボタンが有効になっていることを確認します。
- シード面として流入面を選択します。
図 26: Particle traceフィルターは、流体が領域を横切って移動するときの経路を可視化します。
次に、このプロセスを繰り返しますが、今度は流出面をシード面として選択します。
図27: 流出口側からの流線表示の設定
流入面と流出面の両方から流線を表示させることで、タービン全体をカバーすることができます。ここでは、回転領域からのタービンの回転運動の結果として、流出面に向かって渦が発生しているのが確認できます。
トレースを作成した後、レンダリングモードをTranslucent surfacesにすると、流れをよりよく見ることができます。タービンの回転運動により、流出面近くで渦が発生していることがわかります。
5.4. Cutting Planes
タービン内部の流れの挙動をより詳細に知るために、Parts Colorを非表示にして、Cutting planeフィルターを作成します。
- 上部のリボンを使ってCutting planeフィルターを作成します。
- 設定ウィンドウで、Positionを(-0.25, 5.333, -3.029)に変更します。さらに、OrientationをX方向にします。平面のColoringはPressureです。
- Vectorsのトグルをオンにして、Coloring をソリッドカラーに変更し、カラーはブラックを選択します。最後に、Scale factorを0.03に、Grid spacingを0.005にします。
図28: SimScaleのフィルターはすべて高度にカスタマイズ可能です
上の図から、タービンの内部を流れるときに水圧が下がり、出口まで流れるとさらに下がることがわかります。また、ブレードの位置や向きを適宜調整することで、ブレードが流れにどのような影響を与えているかを確認することができます。以下の手順でご確認ください。
- Positionを(-0.25, 2.771, -3.029)に変更します。さらに、OrientationをY方向にします。平面のColoringはVelocity Magnitudeにします。
- Scale factorを0.05、Grid spacingを0.02に変更します。
- Project vectors onto planeを有効にします。
図 29: タービン内部の圧力分布を示す切断面
このビューでは、ブレードとガイドベーンが流れにどのような影響を与えているかを把握することができ、設計の最適化が可能になります。
SimScale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、ポスト処理のページをご覧ください。