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1 STAR-CCM+ の反応 / 燃焼計算 ( 抜粋版 ) 機能ご紹介と最近の機能強化項目 Karin Fröjd Product Manager, STAR-CCM+ Reacting Flows Unrestricted Siemens 2017 Realize Innovation.

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3 Why is Reacting Flow Modeling Necessary Today? 反応 / 燃焼モデリング数値計算の必要性 環境への適合 燃焼排出物の低減 エネルギーの効率改善 効率化 燃料効率改善 廃棄物削減 高収率化 コスト削減 設計コストの削減 稼働コストの削減 メンテナンスコストの削減 Flameless combustor 技術革新 新燃料 & ハイブリッドシステム 新稼働条件 新プロセス / 新材料 Page 3

4 How Does Reacting Flow Modeling Address the Challenges? 反応 / 燃焼モデリング課題への対応 燃焼排出物の低減 エネルギーの効率改善 燃料効率改善 廃棄物削減 高収率化 設計コストの削減 稼働コストの削減 メンテナンスコストの削減 新燃料 & ハイブリッドシステム 新稼働条件 新プロセス / 新材料 実現象の理解と予測 : 火炎ダイナミクス 伝熱 & thermal wear NOx, CO, すすなどの排出予測 収率 転化率 選択率 火炎の吹き飛びや失火 火炎不安定性 ホットスポットなど 望ましくない現象 開発初期段階での多くの設計バリエーションの探査 : 火炎形状や火炎位置の最適化 ライナや固体部品の温度の最小化 NOx, CO, すすなどの排出低減 収率 転化率 選択率の最大化 望ましくない現象の発生回避 技術革新 より良い設計をより速く! Page 4

5 Key Requirements 求められる機能 パラメトリックなモデル化 内蔵の 3D-CAD ツール 外部の CAD/PLM ツールとの双方向連携 STAR-CCM+ Page 5

6 Key Requirements 求められる機能 パラメトリックなモデル化 フレキシブルで堅牢なメッシュ 完全に自動化されたメッシュプロセス テーブルを使用したメッシュ細分化 正確な CHT のための連続した境界メッシュ STAR-CCM+ Page 6

7 Key Requirements 求められる機能 パラメトリックなモデル化 フレキシブルで堅牢なメッシュ 様々な物理現象への対応 反応 排出予測 電気化学の包括的なモデル STAR-CCM+ 多様な反応現象への対応 : 反応と流れ 伝熱 輻射 電磁気 混相流とのカップリング 正確な CHT 計算のための 流体 - 固体エネルギーソルバー Page 7

8 SPEED UP Key Requirements 求められる機能 パラメトリックなモデル化フレキシブルで堅牢なメッシュ様々な物理現象への対応スピード パフォーマンス CPU 時間と精度のバランスに応じた様々な手法 スケーラビリティの良い高速なソルバー STAR-CCM+ 詳細化学反応用のクラスタリング & ISAT による加速手法 LES 燃焼のための PISO ソルバー対応 49,152 36,864 Cold Hot Ideal (100% scaling) 100% 75% 24,576 50% 12,288 25% 0 CORES 0% 0 6,144 12,288 18,432 24,576 30,720 36,864 43,008 49,152 Scalability for LES gas turbine combustion Page 8

9 Key Requirements 求められる機能 パラメトリックなモデル化 フレキシブルで堅牢なメッシュ 多様な 統合されたポスト処理と可視化 STAR-CCM+ データフォーカスを用いた複雑な相互依存関係の理解 様々な物理現象への対応 スピード パフォーマンス 多様なデータ解析機能 Page 9

10 Key Requirements 求められる機能 パラメトリックなモデル化 フレキシブルで堅牢なメッシュ 一つの GUI 環境上ですべての作業が連携 数クリックのみで 同じ作業を繰り返し実行可能 STAR-CCM+ 様々な物理現象への対応 スピード パフォーマンス 多様なデータ解析機能 作業フローの自動化 R 1 R 2 CAD Mesh Solution Analysis Page 10

11 Key Requirements 求められる機能 パラメトリックなモデル化 フレキシブルで堅牢なメッシュ STAR-CCM+ に組み込み済 HEEDS の設計探査技術を活用 STAR-CCM+ 様々な物理現象への対応 スピード パフォーマンス Design Exploration of Industrial Burner Varying injector locations and angles to minimize emissions 多様なデータ解析機能 作業フローの自動化 高度な設計探査 Page 11

12 Reacting Flow Models in STAR-CCM+ - Today & Tomorrow STAR-CCM+ の反応 / 燃焼モデル 機能紹介 & 今後の開発プラン パラメトリックなモデル化フレキシブルで堅牢なメッシュ様々な物理現象への対応スピード パフォーマンス多様なデータ解析機能作業フローの自動化 機能紹介と今後の開発予定 反応 / 燃焼モデル 化学種輸送モデル フレームレット ( 火炎片 ) モデル 混相流の反応 排出予測と反応流路モデル 電気化学 最近の燃焼計算の事例 高度な設計探査 Page 12

13 Reacting Flow Models in STAR-CCM+ - Today STAR-CCM+ の反応 / 燃焼モデル 機能紹介 各産業に対応したモデル 単相または混相反応 電気化学反応など広範囲な物理モデル それぞれのアプリケーションに適したモデルが利用可能 精度向上 定常乱流燃焼のための高精度で高速なフレームレットモデル 過渡的な燃焼現象を正確に計算するための詳細化学反応モデル LES 燃焼のための高次数値スキーム Electrochemistry Electromagnetism Electrochemical Reactions Electrochemical Species Bulk Ion Chemical Reactions Page 13

14 Reacting Species Transport Today 反応化学種の輸送 機能紹介 すべての化学種を輸送し 時間ステップ毎にすべての反応を計算する 気相や液相中の包括的でスティフな反応に対して厳密に計算を実行するロバストな詳細化学反応ソルバー 解析的ヤコビ行列 クラスタリング ISAT を用いた計算の高速化 火炎位置を迅速に把握するための EBU( 渦消散 ) モデル 液相反応のための渦接触マイクロ混合モデル 重合反応の専用モデル Temperature prediction in glass furnace - Complex Chemistry Page 14

15 Speedup Reacting Species Transport Future 反応化学種の輸送 最近の機能強化項目 最近の機能強化項目 スピード スピード スピード (v11.02, 11.04, 12.04) 使い易さの向上 NOx モデル (v11.06), モデル選択方法の改善 (v11.06) , clustering Speedup for gas turbine combustor calculation using complex chemistry Gas turbine combustor LES, 10 mil cells GRI species mechanism 192 cores Clustering on CPU time per iteration (11.04): ~9 sec Page 15

16 Flamelet Today フレームレットモデル 機能紹介 混合分率や熱損失 などのパラメータを用いた燃焼モデル フレームレット形態の燃焼に適している 詳細化学反応モデルよりも速く EBU( 渦消散 ) モデルよりも正確 FGMモデルは主に予混合と部分予混合燃焼用 化学種成分に対する熱損失の影響を考慮 定常層流フレームレットは非予混合燃焼用 火炎伝播モデルとの併用で火炎位置のより正確な予測が可能 PISO 法ソルバーのLES 対応による高速化 燃焼テーブル生成機能を内蔵 並列処理対応 進行変数の最適化機能 誤差制御を用いた適応型グリッド Temperature prediction in glass furnace - FGM Flame propagation models Kinetic rate CFM TFC Page 16

17 CO [ppmvd] Flamelet Future フレームレットモデル 最近の機能強化項目 最近の機能強化項目 スピード : フレームレットモデルへの PISO 法対応 (v12.02) 精度 : 適応型グリッドによるテーブル作成機能 (v12.02), 進行変数の最適化機能 (v12.04) 使い易さの向上 : 燃焼テーブル作成機能内蔵 (v11.06) Case Speedup w PISO Sandia Flame D ~5x Gas Turbine #1 ~2.5x Gas Turbine #2 ~4x Gas Turbine #3 ~3x Flameless combustor 4.7x Single jet 4.7x v11.06 v Table size [GB] Page 17

18 Optimal progress variable selection for FGM (v12.04) 開発トピックス :FGM 進行変数の最適化機能 FGM 燃焼モデルの高精度化 進行変数の化学種重み付けのデフォルト : CO=1, CO 2 =1 進行変数の最適化 1 CO 2, CO, H 2 O, H 2 の組み合わせ 進行変数に対する後処理化学種や温度などの進行変数に対する微分値を小さくする 進行変数が単調増加であることを確認 テーブル生成の CPU 時間は増加 ( 3~30 分 ) Sydney Flame HM1 Minimize max derivative Default Optimal CO CO H 2 O H Goldin, G., Zhang, Y., Proceedings of ASME Turbo Expo 2017, GT Page 18

19 Multiphase Reactions Today 混相流の反応 機能紹介 表面反応 CVD( 化学気相成長 ) や排気ガスの後処理用の触媒反応などで使用 粒子反応 ( ラグランジェ粒子 DEM 粒子 ) 微粉炭燃焼やバイオマス燃焼で使用 Sulfur removal through oxidation in Pierce-Smith copper converter オイラー混相や VOF( 自由界面 ) の反応 気泡塔 金属の精錬 / 精製 トリクルベッド反応器 流動床 単相の化学反応モデルとの連携 Dry methane reformation in packed bed reactor Page 19

20 Multiphase Reactions Future 混相流の反応 最近の機能強化項目 最近の機能強化項目 液膜の相内反応モデル (v12.02) VOF,EMP-LSI の相間反応モデル (v12.04) Page 20

21 Multiphase reactions VOF & EMP-LSI (v12.04) 開発トピックス : 混相流の反応 VOF & EMP-LSI (v12.04) 金属の冶金プロセスにおけるエネルギー効率の向上 金 銅 鉄鋼などの加工と精錬 精製プロセス トリクルベッド反応器の収率向上 VOF & EMP-LSI の相間反応 混相の相互作用 で設定 反応速度は 一定値 フィールド関数 テーブルまたはユーザーコードで定義 詳細化学反応 EBU( 渦消散 ) または ECM( 渦接触マイクロ混合 ) の相内反応とも併用可能 Sulphur removal through oxidation in Pierce-Smith copper converter - VOF Molten Cu CuS(l) + O 2 (g) Cu(l) + SO 2 (g) Oxidizer inlet Page 21

22 Emissions & Reacting Channel Model Today 燃焼排出物 & 反応流路モデル 機能紹介 燃焼排出物モデル すべての関連する反応経路を含む 容易に設定可能な NOx モデル 反応流路モデル 長く細い充填管または円管反応器に特化したカスタムモデル すす 広範囲に対応するモーメント法または簡便な 2 方程式法モデル CO や炭化水素は 燃焼テーブルを用いたフレームレットモデル もしくは化学種を輸送する詳細化学反応で計算されます Reacting Channels Page 22

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