ターボ機械専門の流体解析ソフトTCFDによる流体解析：風力タービンの解析例

TCFDの自動化されたワークフロー

CFD SUPPORT社は、次世代のCFD（流体解析）シミュレーションソフトTCFDを発表しました。 TCFDは、ターボ機械分野の流体解析に特化した流体解析ソフトで、この分野のCFDシミュレーションの生産性を飛躍的に向上させます。 TCFDは、商用コードの利点（プロフェッショナルなサポート、十分にテストされた、業界向けの特化、堅牢で、正確で、自動化された、GUIなど）と オープンソースの利点（永続的、無制限のユーザ、ジョブ、コア、カスタマイズ可能な...）をうまく融合させた流体解析ソフトです。



今回は「風力タービンの流体解析例」についてですが、TCFDの操作は完全に自動化されており、データ入力、新しいケースの書き出し、メッシュの作成、ケースのセットアップ、 ケースのシミュレーション、結果の評価、結果レポート作成など、すべてのワークフローを1つのコマンドで実行できます。 データ入出力は、GUIとバッチモードの両方が使用できます。 TCFDは、主にエンジニアの実際の付加価値の高い仕事を支援することに重点を置いています。

テストケース - 風力タービン

風力タービンは、幅広い縦軸および横軸タイプで製造されています。 最小のタービンは、ボートやキャラバンの補助動力用のバッテリ充電や動力交通警告灯などのアプリケーションに使用されています。 若干大きなタービンを使用して家庭用電源に貢献する一方、未使用電力を電力網を介して電力会社に返却することができます。 風力発電所として知られる大型タービンの配列は、断続的な再生可能エネルギーのますます重要な供給源になっており、 化石燃料への依存を減らす戦略の一環として多くの国で使用されています。
出典：Wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/Wind_turbine

前処理

最初の形状データは、ファイル形式STEPのWind TurbineのCADモデルです。 プロフェッショナルなCFDシミュレーションでは、元のSTEPファイルは通常は複雑すぎるため、 いくつかの前処理作業が必要です。オープンソースのソフトウェアSalomeを使用することで、 モデルが簡素化され、クリーンアップされます。いくつかの小さな問題のある部分が削除されます。 最終的なサーフェスモデルは防水加工されています。プロペラを回転させるために、 プロペラを取り囲む人工の「シリンダ」が作り出される。別の人工オブジェクトは、 仮想風洞（ドメイン境界）として機能する「バウンディングボックス」であるため、境界条件を規定することができます。 最後に、2Dサーフェスメッシュが生成され、許容可能な方法でCADサーフェスにフィットします。 航空機、境界ボックス、シリンダのサーフェスを定義する個々のSTLファイルがエクスポートされます。 また、前処理は各CFDワークフローにとって非常に重要です。前処理は常にCFDの結果を制限し、期待値を設定します。

「風力タービンの解析例」の入力データ

stlファイル形式の表面モデルデータをTCFDにロードできます。 その他には、外部メッシュをOpenFOAMメッシュ形式、 MSHメッシュ形式（Fluentメッシュ形式）を読み込むことができます。 このCFD手法では、モデルが特定の数の領域に分割されていることを意味するマルチコンポーネントアプローチが採用されています。 各領域はそれぞれメッシュを有することができ、個々のメッシュは、インターフェースを介して作用します。

グラフィカル・インタフェース

TCFDのグラフィカルインターフェイスはParaViewに基づいています。 ほとんどのユーザーは、グラフィカルインターフェイスを使用し、 コマンドラインを使用してクラスタを実行することを選択します。 ワークフローは非常に柔軟性があり、コマンドラインとGUIの決定は常にユーザーが行います。

本計算（風力タービンの解析例）のメッシュ（計算格子）

このシミュレーションモデルは2つのコンポーネントに分割されます。 シリンダー内のプロペラとドメインの残りの部分です。各コンポーネントには独自のメッシュがあります。 すべてのメッシュは、snappyHexMesh内の各コンポーネントに対して自動的に作成されます。 任意の数のモデルコンポーネントが許可されます。 下図は、本解析例（風力タービンの解析例）のメッシュです。

コンポーネントグラフ

TCFDでシミュレートされたプロジェクトには、コンポーネントグラフがあります。 コンポーネントグラフは、コンポーネントトポロジの構成方法を示します。 インレット、アウトレット、コンポーネントがどのようにインターフェイスを介して接続されているか等です。 下図は、本解析例（風力タービンの解析例）のコンポーネントグラフです。

本解析例（風力タービンの解析例）の設定一覧

CFD（流体解析）シミュレーションの実行

シミュレーションは、任意の数の並列プロセッサで実行できます。 シミュレーションが開始された直後に、ユーザーはHTMLレポートで重要なすべての量の進捗状況、 すなわち流量、残差、効率、トルク、圧力差などを追跡することができます。 これらのランタイム関数は、ユーザーにシミュレーション収束の貴重な情報と、 予想される終了前にシミュレーションを停止する可用性を提供します。