ラジアルタービンのCFDシミュレーション

この記事では、TCAE^®を用いたラジアルタービンのCFDシミュレーションについて紹介します。

ラジアルタービンは、回転軸に対して直角方向(ラジアル方向)から流体が入ってくことで、羽根車を回転させるという、タービン形式のひとつとなります。同出力の軸流タービンと比較して小型で高い効率を得ることができるのが特徴になります。構造も比較的単純であるため、発電関係の他にも無人航空機や自動車にも用いられています。

今回はTCAEの流体解析モジュールであるTCFDを用いたラジアルタービンの解析工程について解説していきます。

形状データについて

今回の解析に使用するタービンの形状はCFturbo^®により設計が行われています。CFturboは、ターボ機械の設計に特化した3Dモデリングツールであり、新規設計や既存製品の再設計を柔軟に行うことができます。

CFturboにより作成されたラジアルタービンモデル

設計された形状データはCFturboからSTL形式のモデルデータとして出力されます。TCAEでのメッシュ作成はSTL形式のデータに対応しており、ラジアルタービンモデルはメッシュ作成モジュールTMESHに読み込まれます。

CFturboのGUI

メッシュモデルについて

ラジアルタービンモデルは4つのコンポーネント(領域)に分割されており、インレットチューブ・インペラ・ガイドベーン・ボリュートの構成となっています。TCAEでは各コンポーネントに対してメッシュ設定を行うことでより解析に適したモデルを作成することができます。メッシャーにはsnappyHexMeshが採用されており、設定後のメッシュ作成は自動で行われます。

TCAEに読み込まれたラジアルタービンモデル

効率的に良い結果を得るためには

効率的な解析を行うにあたり一般的なアプローチは、周期性のある形状を分割した周期モデルによる解析になります。ポスト処理の段階で全体モデルとして表示させることで、最終的な評価を行うことも可能となります。

インペラ形状を持つ場合には、ブレードのワンピッチモデルをCADソフトウェア上で作成し、TCAEに読み込ませることで周期形状に対する設定を行うことができます。周期形状にすることで、メッシュ数の削減/解析時間の短縮に繋がるため、効率的に解析業務を進めることが可能です。また、TCAEはライセンス無制限であるため、解析リソースの限りで同時に複数の解析を行うこともできます。

周期形状に対して全体モデルによるアプローチは、解析にかかる時間は大きくはなりますが、結果がロバストとなりやすいと考えられています。

解析に使用したメッシュモデル

解析モデルの作成(コンポーネントグラフ)

TCFDで境界条件設定やインターフェース設定をした各領域が、正しく接続設定されていることを確認する場合には、コンポーネントグラフが有効となります。コンポーネントグラフは、各領域がどのように接続されているかというモデルトポロジを簡単に確認することができます。Inlet、Outlet、Interfaceといった設定がどのように状態であるかを一目で確認することができます。