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



産業用ガスタービン
産業用ガスタービン 温度瞬時場 [K]

産業用ガスタービン 質量分率瞬時場
産業用ガスタービン O2質量分率瞬時場 [ー]
2-1 火力発電用燃焼器のガス燃焼解析
Keywords: Premixed flame, Diffusion flame, Partially premixed flame, Turbulent combustion model, NOx formation, Soot formation

限られた化石燃料の有効利用や環境問題への関心の高まりから、より高効率で環境に優しい燃焼器の開発が進められています。高効率で低環境負荷な燃焼器の開発にはCFDを用いた詳細な燃焼流れ場解析が有効な手法です。しかし、従来の燃焼解析において詳細な反応を考慮することは計算負荷が膨大となり、実燃焼器内の複雑な乱流燃焼流れ場への適用は困難でした。
「NuFD/FrontFlowRed」では、低計算負荷で高精度に予測が可能なFlameletベースの乱流燃焼モデルが組み込まれており、実燃焼器の乱流燃焼流れ場の詳細な解析が可能です。燃焼は主に拡散燃焼、予混合燃焼と、これらの燃焼が混在する部分予混合燃焼の３つの形態に分類され、それぞれの燃焼形態に対応したFlameletモデルを搭載しています。(図1-1)及び(図1-2)では、Flamelet/progress-variable法とG方程式を組み合わせた部分予混合燃焼モデルを用いています。
■開発のご協力：京都大学大学院 様
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温度の等値面
温度の等値面

温度と噴霧
火炎温度分布および燃料液滴分布
2-2 Flameletモデルによる噴霧燃焼解析
Keywords: LES, Spray combustion, Flamelet/progress-variable

噴霧燃焼の大規模解析事例を示します。流体格子は5000万、噴霧は200万個の粒子をLagrange的に取り扱っています。蒸発した気体の燃焼には、複雑な乱流燃焼流れを非定常にを取り扱うことが出来るFlameletモデルを採用しています。本解析では拡散燃焼における混合分率の輸送を解いています。
Flameletモデルでは、乱流場による火炎位置の変化と火炎の内部構造をスケール分離し、乱流よりもはるかに小スケールの火炎内部構造に対して詳細な化学反応計算によってその化学組成や温度、密度を決定します。これらの効率的なアルゴリズムの採用により、通常の気体燃焼解析とほぼ同程度の時間で計算が可能であり、実用噴霧燃焼器の高精度予測がより身近なものになることが期待されます。
■開発のご協力：京都大学大学院 様




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微粉炭燃焼　ガス化大規模解析
石炭ガス化試験炉 コンバスタ部拡大図

微粉炭燃焼　ガス化大規模解析
左：ガス温度分布／右：CO2濃度分布
2-3 石炭ガス化試験炉※の大規模解析
Keywords: Pulverized coal, Coal combustion,
Coal gasification, O2-CO2 blown gasifier

微粉炭燃焼は火力発電用ボイラーなどに活用される技術であり、また、よりクリーンな次世代エネルギーとして石炭ガス化反応も注目されています。
微粉炭燃焼や石炭ガス化反応の高効率化や炉内現象の研究には数値計算が有効な手法となりえますが、微粉炭や石炭といった固体粒子の流れ場内での挙動と化学反応を解析できることが必須となります。
「NuFD/FrontflowRed」では、流れ場内の固体粒子の挙動及び化学反応の解析が可能であり、微粉炭燃焼や石炭ガス化反応の数値計算を行うことができます。また、大規模並列・非構造格子対応の数値シミュレーションプログラムであるため、実機を対象とした大規模格子による高精度シミュレーションが可能です。一億要素の大規模格子を用いたO2-CO2吹き石炭ガス化反応の解析事例を右図に示します。
■開発のご協力：九州大学大学院 様、
                      (一財) 電力中央研究所 様
※石炭ガス化試験炉：(一財) 電力中央研究所様保有
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微粉炭燃焼　ガス化大規模解析
ガス温度分布
微粉炭燃焼　ガス化大規模解析
O2濃度分布






2-4 オイラー・オイラー法による微粉炭燃焼解析
Keywords: Pulverized coal, Coal combustion, Euler-Euler model

流れ場内に固体や液体の微粒子を含む系の数値解析では、個々の粒子を追跡するオイラー・ラグランジュ法と、流れ場を連続相、粒子群を分散相とした二流体系として解析するオイラー・オイラー法が存在します。
「NuFD/FrontflowRed」では、オイラー・オイラー法による流れ場内の粒子の挙動及び化学反応の解析が可能であり、微粉炭燃焼や石炭ガス化反応の数値計算を行うことができます。オイラー・オイラー法による微粉炭燃焼解析の事例を右図に示します
■開発のご協力：九州大学大学院 様、
                      (一財) 電力中央研究所 様
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