軸流タービンのCFDシミュレーション

この記事では、TCAE®を用いた軸流タービンのCFDシミュレーション』について紹介します。

このケースの目的は、熱流体解析ソフトウェアTCAE®の流体解析モジュールであるTCFDを用いて、軸流タービンのワンピッチモデルを解析することです。

現在リリースされているTCAE®21.09では、流体解析(CFD)・構造解析(FEA)・流体構造連成解析(FSI)・最適化計算(OPT)が可能となっており、特徴であるライセンス無制限を活かした設計開発支援を行っています。


解析に使用するモデル形状からポスト処理までの一連のワークフローを解説していきます。


解析に使用する形状データ

使用する軸流タービンのモデルはもともとは全周のフルモデルとなっています。

フルモデルの際に形状が周期的となっている解析対象については、ブレード1枚分の周期的モデル(ワンピッチモデル)に調整して解析を行った方が計算規模の縮小や計算リソースの有効活用に繋がります。

周期的モデルに分割したモデル側面には、周期境界条件を適用する必要があることを忘れないようにしてください。


今回のモデルデータはOpenFOAM形式のデータとなっており、TCAEに読み込ませるだけで境界条件設定といった解析モデルの作成を行うことができます。

OpenFOAM形式以外にもSTL形式データによるメッシュ作成や外部ソフトウェアのメッシュデータを取り扱うことも可能となっており、使用可能なフォーマットは以下となります。

・OpenFOAM形式

・MSH形式(Fluentメッシュ)

・CGNS形式

・STL形式(単一で境界が構成されたデータ or 境界それぞれのデータ)


TCFDではマルチコンポーネントアプローチを採用しており、回転領域/静止領域といった複数領域に分割して設定することで、各領域に個別のメッシュ設定が可能になります。

各領域はインターフェース設定によって接続されることとなり、周期境界条件もインターフェース接続が必要です。


図1:軸流タービンのフルモデル



メッシュモデルの作成

ワンピッチの軸流タービンモデルは、statorとrotorの2つの領域から構成されています。

TCAEでは、それぞれをコンポーネントと表現しており、stator(コンポーネント1)にある静止ブレード、ハブ、シュラウドといった各境界に対いてTCAE内の境界タイプ(inlet、outletなど)を設定します。


今回のモデルデータはOpenFOAM形式となるので、すでにメッシュモデルとなっているデータに境界タイプを設定するだけで問題ありません。

すでにメッシュモデルが手元にある場合には、境界タイプやインターフェース、解析モデルの設定を行うだけで、計算リソースがある限り解析を行うことができるのです。


TCAEでメッシュモデルを作成する場合には、snappyHexMeshを用いてメッシュが作成されるため、基本メッシュサイズ・細分化領域・境界層メッシュの設定が必要となってきますが、GUIの構成が分かりやすいため個別設定により柔軟なメッシュモデルの構築が可能です。


図2:メッシュモデル



解析モデルの作成

解析モデルの設定については以下となります。

・シミュレーションタイプ:turbin

・非圧縮性流体

・定常解析

・作業流体:水

・粘度:8.899e-7[m2/s]

・インターフェース:Mixing Plane

・乱流モデル:k-ωSST

・メッシュ数:268,752[cells]

・CPU時間:0.65[core.hours]

・回転速度:3000[RPM]

・入口境界条件:Total pressure

・出口境界条件:Fixed mean pressure 


図3:GUI


TCAEでの解析モデルの作成は、GUI左側のタブの順に設定していくだけとなります。

すでに設定済みの境界タイプや、はじめに設定するシミュレーションタイプに応じて、タブ内の項目が変更されるため、ユーザーはGUIに合わせて既知の値を入力していくだけの作業となります。

また、設定コア数についても制限はないので、計算リソースや解析規模に合せたコア数を自由に設定することができます。



解析の実行

TCAEの解析は、メッシュ作成やCFD計算などの各工程を個別実行はもちろんのこと、All runで全自動で行うことも可能となっています。

すでに設定に問題がないケースの場合は、全自動で進めることで最終的に保存されるレポートまでの取得を最短で進めることができるのです。


解析が開始された直後から、流量・残差・効率・圧力差などの解析に必要な物理量のモニタリングがスタートします。

ユーザー指定の変数のモニタリングも当然可能となっているので、様々な情報から収束の判定を行うことができます。


計算後は自動的に解析ケースのレポートが作成され、同一GUI上でスムーズにポスト処理を行います。


図4:メッシュ上に配置したコンター図


図5:流量-効率グラフ


図6:残差グラフ


図7:断面コンター図



ポスト処理

TCAEのポスト処理はGUIにもなっているPareviewを用いて行います。

その他にもターボ機械向けのポスト処理機能(TurboBladePost)を追加されており、ユーザーの希望に合わせたポスト処理が可能になります。


図8:ブレード付近の流れ場の確認


図9:各断面のコンター図表示



まとめ

今回は、TCAEによる軸流タービンの解析ワークフローについて紹介しました。

ワークフローからもわかるように、同一GUI上での作業・ライセンス無制限をフルに活用することで、効率面とコスト面に大きなメリットがあるでしょう。

また、すでにメッシュモデルを持っている場合には、メッシュモデルの作成という時間のかかる作業が必要ないため、ライセンス無制限の恩恵を大きく受けることができます。


TCAE®について詳細を知りたい場合には、info@fstech.jp までご連絡下さい。