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流体解析ソフトウェア:NuFD/ FlontFlow Red による解析事例

乱流モデル基本検証
Keywords: Turbulence model, LES, RANS, Channel Flow

LESによるチャネル流れ解析
LESによるチャネル流れ


LESによる一様乱流解析

LESによるチャネル流れ

LESによるチャネル流れ

LESによるチャネル流れ

LESによるチャネル流れ


RANSによるバックステップ流れ解析
  Re=5500
再付着距離 6.51(Kasagi,1995)
節点 34800
要素 30982















形状
解析形状

グラフ
壁面上の圧力分布
NuFD/FFR = NuFD/FrontFlowRed

マッハ数等値線
マッハ数等値線
NuFD/FrontFlowRedの解析結果

マッハ数等値線
参考文献 (1)の結果
圧縮性検証
Keywords: Compressible, Subsonic nozzle flow, Shock wave

解析概要
亜音ノズル流れの検証を行いました。結果はマッハ数を示し、実験結果と比較します。高精度スキームであるMUSCL法を適用しています。

計算条件の概要
MUSCLスキーム、無反射出口境界

解析結果
圧縮性特有の衝撃波等の現象を高精度に再現可能

参考文献
(1)Lilek, Z. (1995): Ein Finite-Volumen Verfahren zur Berechnung von inkompressiblen und kompressiblen Strömungen in komplexen Geometrien mit beweglichen Rändern und freien Oberflächen. Dissertation, University of Hamburg, Germany












OHラジカル
左:温度[K]/右:速度ベクトル[m/s]

OHラジカル
左:H2Oの質量分率[-]/右:OHの質量分率[-]




詳細反応モデル計算例
Keywords: Hydrogen combustion, Radical, High-Speed ODE

燃焼場におけるOHラジカルなどの中間生成物を精度よく解析するには、複数の反応式を考慮した反応モデルが必要となります。基本検証として、同軸噴流型バーナーの水素・酸素拡散火炎に対して9化学種と21素反応式を考慮した解析例を示します。

温度・速度ベクトル
一般的な軸対称の層流拡散火炎の形状が把握できます。

中間生成物OH
拡散火炎特有の酸化剤と燃料が接する薄い領域(反応帯)で多く存在することが示されています。また、その領域が高温になっており、反応が活発であることが分かります。

最終生成物H20
化学反応によって他の物質に変化することなく、反応帯から拡散している様子が示されています。

T字管格子

速度ベクトル
速度ベクトル[m/s] 
 
温度
温度[K]
LESによる流力振動
Keywords: Unsteady LES, Tee, Thermal fatigue

非構造格子で形成された約40万格子のT字型配管内の乱流解析を示します。作動流体である水を、主配管と枝配管から十分発達した乱流として流入させています。合流部における枝配管からの噴流によるフローパターンは
(1)壁面噴流
(2)再付着噴流
(3)偏向噴流
(4)衝突噴流
の4種類に分類できることが可視化実験の結果から知られています。本計算の流入条件は(4)衝突噴流に該当し、可視化した結果から、その様子がよく再現されていることが確認できます。




二相流・キャビテーション
自由表面の検証
VOF法・キャビテーション
Keywords: VOF, Free surface, Cavitation

「NuFD/FrontFlowRed」の二相流に関連するモデルについては、相分離法に基づいた二流体モデルを始め、気液界面追跡手法を用いたVOF法/レベルセット法の開発も進んでおり、解析対象に応じて、気液二相流流動伝熱、自由表面問題、圧縮性キャビテーション問題などの解析が可能となりつつあります。


LESによるチャネル流れ
LESによるチャネル流れ
同軸二重円筒の熱応力解析事例:
原型(上)と変形後(下)

熱応力解析
Keywords: Thermal Stress, Fluid Structure Interaction

燃焼器やボイラーといった高温の熱流体が関連する機器では、熱応力によって機器の構造材が受ける影響の解析が重要なテーマとなっています。
「NuFD/FrontflowRed」では、流体・構造間の伝熱および構造内の熱応力の計算が可能となっております。熱応力計算には、準静的解析(応力計算時には非定常項を無視し、また、流体計算の特定のTime Stepにおいてのみ構造側の応力計算を実施する)を使用しており、低い計算コストで熱応力解析を行うことが可能です。ベンチマーク計算の解析事例として、内外に温度差のある同軸二重円筒の熱応力解析の結果を示します。






ベンチマーク計算 (動画)

超音波伝播解析
ベンチマーク計算(図)

超音波伝播解析
伝播していく超音波の波形


超音波伝播解析
Keywords: Ultrasonic simulation

「NuFD/FrontflowRed」では、波動方程式を用いた、流れ場と音場を別々に解く分離解法を採用することで時間スケールの異なる流れ場と音場を直接計算できます。 ベンチマーク計算として、流れ場中に垂直に音波を入射し、反対の壁面まで伝播する事例を考えます。 流れ場と音場の計算は同じ計算格子で計算しています。 測定位置間の距離と超音波の到達時間差から音速を計算すると計算精度は0.3%となりました。
■ご協力:神戸大学 様、パナソニック株式会社 様



























基礎検証用DEM-CFD連成解析例(動画)










DEM-CFD連成解析
Keywords: Discrete Element Method, 離散要素法、
固体-流体, DEM-CFD


流れ場内に粒子間の接触が重要となる固体粒子を含む系の数値解析では、 個々の粒子の運動の追跡および固体-流体間の相互作用を考慮する必要があります。
「NuFD/FrontflowRed」では、粒子運動を計算する数値モデルである離散要素法 (Discrete Element Method, DEM) およびCFDによる流体計算を組み合わせた、DEM-CFD連成解析が可能となっております。連成解析においては、固体と流体で異なる時間刻みを設ける、また固体粒子を粗視化することで計算コストを低減しています。基礎検証の解析事例として、流体内における移動格子と粒子群の接触解析の結果を示します。
■開発のご協力:九州大学 様