ターボ機械専門の流体解析ソフトTCFDによる流体解析：カプランタービンの解析例

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「カプランタービンの解析例」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。

カプランタービンの解析例で使用した形状データ

TCFDは、stlファイル形式の表面モデルデータをロードできます。 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。 下図は、本解析例（カプランタービンの解析例）で使用した形状データです。

メッシュ（計算格子）

このケースでは、カプランタービンモデルは3つのコンポーネントに分割されます。 スパイラル、インペラー、ドラフトチューブです。 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（カプランタービンの解析例）で使用したメッシュデータです。

周期的なセグメントかどうか

計算メッシュは、インペラ全体のためだけでなく、 インペラの単一ブレードの周期的セグメントのために作成することもできます。 周期的セグメントのアプローチでは、メッシュセルの量を節約することができ、 その結果、流体解析シミュレーションの計算時間を短縮することができます。

メッシュ境界層かどうか

もう一つの決定は、「境界層」を追加するかどうかです。 境界層は、壁に近い速度で速度勾配を捕らえるために、壁に近いいくつかの層のセルです。 メッシュ内の境界層は通常、より正確な結果を提供しますが、より高いCPU時間を要します。 この経験によって、境界層を持たないメッシュは、一般的に1％のオーダーで全体の効率を過度に予測し、 CPU時間の約40％を節約します。

ファインメッシュ

どの流体解析シミュレーションでも、特定のレベルの流体解析結果に対して、どの程度細かいメッシュが必要かということは常に大きな問題です。 回転機械では、通常、明確な傾向が観察されます。細かいメッシュはわずかに高い効率につながります。

容易なメッシュ感度テスト

実際には、境界層のない粗いメッシュ (CPU time: 4 core*hours/single point) は、 境界層を持つ細かいメッシュ(CPU time: 20 core*hour/point)と同じ結果を与えることができます。 最終的に、粗いメッシュの効果は境界層の欠如を排除することができます。 完全自動化されたワークフローでは、実際のデータを呼び出すための多くの感度テストを簡単に行うことができます。

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（カプランタービンの解析例）で使用したコンポーネントグラフです。

本解析例（カプランタービンの解析例）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。

ターボブレードポストを使った流体解析結果の可視化

ParaViewで流体解析シミュレーションの結果を可視化できます。 ParaViewは、CFDデータを分析するためのすべての標準機能を提供するCFD後処理ツールです。