STAR Japanese Conference 2017 プラントエンジニアリングに向けた 圧縮性解析ベンチマーク計算 2017/07/07 千代田化工建設株式会社 西口誠人 石神隆寛 前川宗則
発表内容 1. 会社概要 事業内容 2. ベンチマーク事例 超音速ノズル マッハディスク 高音速キャビティ 3. まとめ 1
会社概要 商号 設立 資本金 千代田化工建設株式会社 (Chiyoda Corporation) 1948 年 ( 昭和 23 年 ) 1 月 20 日 433 億 96 百万円 代表取締役社長山東理二 従業員数 5,367 名 ( 連結 ) 1,505 名 ( 単体 ) (2017 年 3 月 31 日現在 ) 事業内容 本社 Web site 写真提供 : サハリン エナジー インベストメント社 エネルギー 化学 医薬品 バイオ FA 等のプラント 施設およびこれらの環境保全に関する計画 設計 機器調達 試運転 運転 保全管理コンサルティング並びにトレーニング 研究開発 技術サービス プロジェクトマネジメント 神奈川県横浜市 http://www.chiyoda-corp.com/index.html 写真提供 : カタールガス社 2
事業内容 プラント建設フェーズ 運転保守フェーズ 事業計画フェーズ プロジェクトライフサイクルエンジニアリング Project Life Cycle 豊富なプラント建設実績から得られた技術と知見を活用 展開 技術開発及びその商業化サポート 事業計画から建設 運転支援 メインテナンス (O&M) 千代田化工 HP より 3
CFD 適用対象例 プラント設計 Plant Design 研究開発 Process Development Hot Air Recirculation Study Air pollution control Fired Heater Applied field Computational Fluid Dynamics Agitator tank Bubble Column Agitator tank A1 A2 B1 B2 C1 C2 D1 D2 Cyclon オペレーション Operation & Maintenance & メンテナンス Flow distribution at piping Particle transport piping Flow pattern in connection point トラブルシューティング Trouble Shooting 4
近年の傾向 生産量の増大に伴いサイズ UP 設計高度化の必要性 圧縮性を考慮した解析技術 5
プラントエンジニアリングでの圧縮性流れの例 安全弁下流の高流速流れ昨今では騒音に起因する振動問題に対し 検討が求められるようになった ボイラ内部の共鳴問題従来評価が難しかった騒音源の振幅などが評価できれば 対応力が高まる プラントエンジニアリングでは圧縮性内部流れに起因した設計上の課題が多い 商用流動解析コードを用いた圧縮性流れの適用範囲 予測精度を確認する必要あり 圧縮性計算のベンチマークを実施した 6
ベンチマーク事例 7
ベンチマーク事例 論文などで報告されている 以下の 3 つの事例を対象にした 超音速ノズル ( 定常計算 :Mach= 約 1.2~1.3) Point: 比較的マッハ数低い (Mach<1.3) 衝撃波の位置など Flow マッハディスク ( 定常計算 :Mach= 約 3.8~6.0) Point: 比較的マッハ数高い Flow (1.3<Mach) マッハディスクの形など Lm Dm 高音速キャビティ ( 非定常計算 :Mach= 約 2.0) Point: 比較的マッハ数高い (1.3<Mach) 圧力波のフィードバック現象など Mach=2.0 8
超音速ノズル 9
解析対象 Sajben Transonic Diffuser (Two dimensional, experiment) (NASA Web Site: http://www.grc.nasa.gov/www/wind/valid/transdif/transdif03/transdif03.html) Flow 1.4h thr h thr 1.5h thr 4.04h thr x 8.65h thr y x h thr =1m 解析対象図 Flow Conditions Total Pressure (kpaa) 135 Total Temparature (deg K) 280 Static Pressure (kpaa) 111 入口全圧力 入口全温度 出口圧力 10
解析メッシュおよび計算条件 Total P: 33675.0 PaG Total T: 280 K Turbulent viscosity ratio:2.0 No slip wall Adiabatic y x No slip wall Adiabatic P: 9336 PaG (Total T: 280 K) (Turbulent viscosity ratio:10.0) メッシュサイズ x 方向 :0.08m~0.3m y 方向 :1e-4m~0.08m y + = 0.23 ~1.99 (Ave. 1.12) メッシュ数 :4160 11
計算手法 starccm+, 実験に加え他社 software A の計算も行い比較した 定常 非定常解析 定常計算 乱流モデル RANS SST k-w Starccm+ / software A 計算スキーム Coupled ( 近似リーマン解法 ) 流体 計算精度 Ideal gas (air) 乱流モデル :2nd-order 運動方程式 エネルギー方程式 :MUSCL 3rd-order 勾配 :2nd-order 12
Pabs / P0 Pabs / P0 実験値比較主流方向圧力分布 TOP wall y x BTM wall P0: 入口全圧力 1 BTM wall 1 TOP wall 0.8 0.8 0.6 0.4 0.2 0 starccm+ sotware A Experiment -6-4 -2 0 2 4 6 8 10 x/h 0.6 0.4 starccm+ 0.2 software A Experiment 0-6 -4-2 0 2 4 6 8 10 x/h starccm+, software A の共に圧力分布は実験と良好に一致 13
u [m/s] u [m/s] 実験値比較壁垂直方向速度分布 y x= x 300 300 250 250 200 150 100 50 0 x=1.73m starccm+ software A Experiment 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 y/h 200 150 100 50 0 x=2.88m starccm+ software A Experiment 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 y/h starccm+ と software A の速度分布はほぼ一致 14
u [m/s] u [m/s] 実験値比較壁垂直方向速度分布 y x= x 250 250 200 200 150 100 50 0 x=4.61m starcccm+ software A Experiment 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 y/h 150 100 50 0 x=6.34m starccm+ software A Experiment 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 y/h 15
マッハディスク 16
評価方法 ストレートノズル後流に生じるマッハディスクを対象としたベンチマーク解析を実施 下記の値を実測値と比較して starccm+, software A, software B を評価 マッハディスク Flow ノズル Lm Dm 1. マッハディスク径 : Dm 2. マッハディスク距離 : Lm CFD 解析結果の一例 17
解析モデル 流体物性 : Air Ideal Gas 乱流モデル : SST k-w 境界条件 Total pressure inlet: 50, 100, 250, 500,1000 [kpa] Total temperature: 522.15 [K] Turbulent Intensity : 0.1 Viscosity Ratio : 1.0 Wall Pressure outlet: 5 [kpa] Back Flow Temperature: 250.0 [K] Turbulent Intensity : 0.1 Viscosity Ratio : 1.0 Flow 軸対象モデル 18
解析メッシュ 241,741 node, 120,150 elements 19
計算手法 starccm+, 他社 software A に加え他社 software B の計算も追加した 定常 非定常解析 定常計算 乱流モデル RANS SST k-w Starccm+ / software A/ software B 計算スキーム Coupled ( 近似リーマン解法 ) 流体 計算精度 Ideal gas (air) 乱流モデル :2nd-order 運動方程式 エネルギー方程式 :MUSCL 3rd-order 勾配 :2nd-order 20
解析結果マッハディスク直径と位置 マッハディスク直径と位置 : 予測式との比較 6 5 4 3 2 1 マッハディスク直径 Lm/D,software B Lm/D,software A Dm/D,StarCCM+ Dm/D con 12 10 8 6 4 2 マッハディスク距離 Lm/D,software B Lm/D,software A Lm/D,Starccm+ Lm/D 0 0 50 100 150 200 250 0 0 50 100 150 200 250 T 0 /T out T 0 /T out D D m 0.36 P P 0 3. 9 b 0.5 予測式 Lm D P 0.65 P S. Crist et al, Study of Highly Underexpanded Sonic Jet AIAA Journal Vol. 4, No. 1, 1966 0 b 0.5 21
解析結果マッハ数分布図 T 0 /T out = 10 Lm/D~1.96 Dm/D~0.56 Lm/D~1.98 Dm/D~0.38 Software B StarCCM+ Lm/D~1.96 Dm/D~0.47 Software A 22
解析結果マッハ数分布図 T 0 /T out = 20 Lm/D~2.79 Dm/D~1.17 Lm/D~2.84 Dm/D~1.08 Software B StarCCM+ Lm/D~2.82 Dm/D~1.1 Software A 23
解析結果マッハ数分布図 T 0 /T out = 50 Lm/D~4.62 Dm/D~2.16 Lm/D~4.45 Dm/D~2.33 Software B StarCCM+ Lm/D~4.46 Dm/D~2.48 Software A 24
解析結果マッハ数分布図 T 0 /T out = 100 Lm/D~6.6 Dm/D~3.2 Lm/D~6.25 Dm/D~3.45 Software B StarCCM+ Lm/D~6.26 Dm/D~3.81 Software A 25
解析結果マッハ数分布図 T 0 /T out = 200 Lm/D~9.32 Dm/D~4.78 Lm/D~9.5 Dm/D~5.6 Software B StarCCM+ Lm/D~9.85 Dm/D~4.12 マッハ数が高い条件では 適切に計算できない可能性があることを確認した Software A 26
超音速キャビティ 27
超音速キャビティ計算対象 超音速キャビティ解析対象論文 Li et al., Effects of shear-layer characteristic on the Feedback-loop Mechanism in supersonic open cavity flows, 49th AIAA, 2011 主流マッハ数 M=2.0 Outlet は勾配ゼロ境界条件 D を代表長さとしたレイノルズ数 Re=10 5 Wall *No-slip Outlet 4D inlet 4D 0.6D D D View A 2D Wall *No-slip D D 2D View A 28
本検討で使用した解析条件 流入条件 全圧力 : P t = 782445 PaA 平均流入速度 : u 0 = 約 662.576 [m/s] 全温度 : T t = 492.65 [K] 流出条件 Zero-gradient inlet Wall Outlet 物性値 Flow 4D 流体 : Air (Ideal) 粘度 :μ =1.724 x 10-5 [Pa-s] 比熱 :C p =1004.4 [J/kg/s] Wall D D 2D D=0.002 [m] 29
本検討で使用した解析メッシュ メッシュは論文記載と同じにした メッシュ数 : 約 480 万メッシュ y+: 最大 15 クーラン数 : 平均 1.0 以下 瞬時場 y+ 分布図 30
計算手法 Starccm+, software B 定常 非定常解析非定常計算非定常計算 乱流モデル LES LES 流体 Ideal gas (air) Ideal gas (air) 計算スキーム Coupled ( 近似リーマン解法 ) Segregated 計算精度 時間刻み 乱流モデル :2nd-order 運動方程式 エネルギー方程式 :MUSCL 3rd-order 時間進行 :2nd-order implicit その他 :2nd-order 1.0 x 10-7 [s] ( 最大クーラン数 1 以下 ) 詳細不明 論文オリジナルコード Numerical flux: the simple high-resolution upwind scheme (SHUS) 粘性項 :6th-order 時間進行 :2nd-order implicit その他 :7th-order weighted nonlinear compact scheme 詳細不明 ( 最大クーラン数 1.2) 31
密度勾配分布図 ( 動画 ) dt=1.0 x 10-7 Starccm+ Segregated 32
密度勾配分布図 dt=1.0 x 10-7 33
解析結果 software B RMS of Non-dimensional Pressure Fluctuation Ratio CFD Result, Li et al. (2011) P1 P2 P1/P2 0.35 1.43 0.25 software B 0.04 0.37 0.11 starccm+, segragated starccm+, coupled 0.07 0.34 0.20 0.02 0.23 0.08 software B 34
まとめ 35
まとめ 高流速流れを対象にした圧縮性を考慮したベンチマーク計算を実施した 比較的マッハ数の低い条件は精度よく計算できることを確認した マッハ数が高い条件では 適切に計算できない可能性があることを確認した 36
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