解析事例のご紹介 Ansys Fluent

熱流体解析ソフトAnsys Fluentによる流体解析事例のご紹介です。委託解析をお考えの皆様が課題とするテーマについてイメージして頂けるとありがたいです。

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空気混合シミュレーション　FLUENT UDF使用例

異なる温度の空気を流入させ、流出温度を一定とした際の検討例です。計算にはFLUENTのUDFを用い、流入温度及び壁面温度の検討についてパラメータスタディを行いました。

• キーワード：乱流、燃焼、気体、ガス、温度、輻射、最適設計、パラメータスタディ、化学反応、UDF(ユーザー定義関数)

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撹拌タンク内流れ解析

撹拌槽内の二重らせん状の撹拌羽根(ヘリカルリボン翼)による流体の撹拌の様子を計算したものです。撹拌羽根は回転移動していますが、解析に使用する座標系を適切に選択することで、このような境界が移動する流れ場を計算することができます。

• キーワード：物性、乱流、撹拌槽、化学反応、MRF(Multiple Reference Flame)、VOF(Volume of Fluid)、粒子追跡、温度、翼形状、ヘリカルリボン翼

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熱交換器内の流れ計算

放熱フィンとチューブから成るフィンチューブ型熱交換器の周囲の流れを計算したものです。温度に伴う浮力効果を考慮し、流れの様子を調べることができます。

• キーワード：乱流、熱交換器、フィンチューブ、MRF(Multiple Reference Flame)、温度分布、伝熱、輻射

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静電塗装解析 FLUENT UDF使用例

帯電塗料による塗装シミュレーション時の液滴粒子の挙動追跡と温度分布です。ANSYS FLUENTのDPM(Discrete Phase Model)を解析手法として用いております。スプレーと塗装対象の間に電位差を発生させて、液滴にクーロン力を作用させています。液滴は帯電させ揮発成分(VOC)を含む多成分として計算しております。

• キーワード：静電塗装、粒子追跡、DPM(Discrete Phase Model)、クーロン力、温度分布、液滴、VOC、スプレーガン、電位、UDF(ユーザー定義関数)

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管内オリフィス部流体挙動

オリフィスは、高い圧力損失を利用し、管内流量・流速・圧力等を制御します。本事例では、水を管内に満たした上で、オリフィスが管内を移動した際の水の圧力挙動及び速度分布を二次元モデルにて検討しました。

• キーワード：乱流、オリフィス、油、圧力損失、移動メッシュ

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プラスチック製品の射出成型のシミュレーション

プラスチック製品の製造過程のシミュレーションを行った例です。射出成形と呼ばれる加工法で、溶融したプラスチックが金型に注入され成形されます。以下は溶融プラスチックが金型前の流路(スプルーブッシング、ランナー、ゲート)を進行する様子をVOF(Volume of Fluid)という手法を用いて再現しました。このシミュレーションにより均一な充填を妨げる原因を把握し、製造過程の改善を図ることができます。

• キーワード：粘性、VOF(Volume of Fluid)、ランナー、温度分布、金型

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スタティックミキサーのシミュレーション

スタティックミキサーとは、パイプ内にフィン等の障害物を設置し、流体の混合を促進させる器具です。主に食品・化学工場の製造ラインに組み込んで使用します。

下図はパイプ内に左右に捻ったフィンを交互に4枚設置したスタティックミキサーに2種の流体(潤滑油)をReynolds数667で注入したときのFluentによるシミュレーション結果です。色はトレーサ濃度を示しています。流路途中に設置されたフィンによって2種の流体が攪拌され混合が促進されている事が分かります。

• キーワード：粘性、混合流体、VOF(Volume of Fluid)

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電子機器内の流れ計算 / 固体表面温度と粒子追跡

電子機器内部には発熱体が設置されており、装置の性能を保証するためには、適切に機器の温度を管理することが必要です。近年の電子機器の小型化、高集積化に伴い、これらの機器から効率良く熱を排出することが求められています。

数値シミュレーションを使うことにより電子機器内部における発熱体、ファンなどの適切な配置を検討することが可能になります。

• キーワード：温度分布、電子機器、熱交換器、フィン、ファン、MRF(Multiple Reference Flame)、伝熱、輻射

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エンジン筒内の流れ計算

エンジン筒内の流れは非常に複雑な流れです。ピストンが移動する場合には、流れ場の形状が変化します。また燃料の噴射、燃焼の効果を表現するためには、化学反応を伴う乱流場を評価することが必要になります。

数値シミュレーションを使うことにより、このような複雑な流れ場の詳細を把握することが可能になります。

• キーワード：エンジン、温度分布、乱流、非定常、燃焼、化学反応、移動メッシュ

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オゾン気泡と水の2相流計算

水道水、下水、産業排水などの浄化、殺菌、消毒のために、強い殺菌効果のあるオゾンガスが利用されています。

オゾンの微細気泡を水中に放出して気液混相流とすることでオゾンガスの接触表面積を大きくし効率化を図ることができます。

オゾン気泡は浮力を有するため、オゾン気泡および水の流動は連成することになり、流れ場を正確に評価するためには、相互作用を考慮した気液混相流を計算することが必要です。数値シミュレーションを使うことで、このような複雑な流れ場の詳細を把握することが可能になります。

• キーワード：物性、乱流、非定常、気泡、合泡、分離、化学反応

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造波装置による造波シミュレーション

造波装置を波源とした造波シミュレーションの解析モデルと汀近傍での平面波挙動例です。造波装置の性能検討だけでなく、波高・波の波長・遡上高・浮体を設置した際の挙動等の検討にFluentが活用できると考えられます。

• キーワード：乱流、VOF、造波、重力波、遡上

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大口径曲管路の壁面圧力分布

管路内の流体解析結果から求められる、管路内壁への流体圧力分布を計算したものです。圧力分布結果は屈曲部において流体圧の集中箇所が有ることを示しています。なお、この計算結果を構造解析ソフトに入力データとして定義することで流体が流れた状態での管路表面応力分布を確認できます(流体-構造連成解析)。

• キーワード：配管、貯留施設、ハイドログラフ、乱流、非定常、VOF、圧力分布、水位
• 管径1m、レイノルズ数≒1E7(乱流モデル使用)

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他のソフトウェアとの連携によるロータリーキルンの解析

ロータリーキルン(回転窯)はセメント製造等に使われていて、直径は数メートル、長さは100メートルを超えるものもある巨大な窯です。その内部の挙動を予測し、ロータリーキルンの効率の良い運用をするために熱流体シミュレーションが活用されています。

従来、キルンの上部のガス空間についてはFLUENTを使って、また下部の固体や液体の組成変化はロータリーキルン解析ツール(KilnSimu)を使って解析されてきました。現在では2つのソフトを連携させて、より詳細に内部の様子を予測しています。

• キーワード：ロータリーキルン、乱流、燃焼、伝熱、輻射、KilnSimu、熱力学平衡計算

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冷却装置流れ計算

冷却機構は非常に単純にファンと数枚の放熱フィンに絞ったモデルとしております。計算例では流入する空気を20℃、ファン回転速度を300rpmとし、放熱フィンは70℃(背後面温度)、移動境界モデル(MRF法:Multiple Reference Frame)、標準k-εモデルを用いました。メッシュは多面体セル(122万セル)です。

• キーワード：温度分布、熱交換器、放熱フィン、ファン、MRF(Multiple Reference Flame)、伝熱、輻射

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表面張力を考慮したマイクロチャネルの液面

垂直に立てた一辺が0.5mmの正方形の角柱状流路内の液面形状の解析です。壁面は親水的で接触角は30度としました。液面が水平で接触角が90度の状態を初期値として、非定常計算を行いました。mm以下の小さなサイズの流動では表面張力や電気泳動力などの効果が顕著になりますが、大きなサイズの流れにおける乱流とは異なった意味で解析を不安定にします。そこで表面張力が支配的な場合の流体に対するシミュレーションの適用性を調べています。

• キーワード：マイクロリアクター等の微小流体素子中の流れ解析、マイクロバブル、エマルジョン等、アトマイゼーション(液体微粒化)ノズルの設計

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電気集塵機の微粒子除去計算

電気集塵機(EP:electrostatic precipitator)は、有害な粒子を除去するため、電場、流れ場、粉じん粒子の相互に複雑に関係しています。以下の例では集塵極(金属平板)の間に3本の電極線を配し、粉じん粒子の挙動を計算しています。粒子径が大きいほど収集効率が高く、流速が遅いほど収集効率が高いことがわかります。

• キーワード：電気集塵機、粒子、乱流モデル、イオン、コロナ放電

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風車気流解析

風力発電では、自然界に存在する風の力を利用して風車を回転させ、その運動エネルギーを電気エネルギーに変換します。燃料や廃棄物処理のコストがかからない経済的な方法なのですが、変動する風力に対して効率よく発電できるようにすること、運転時の騒音、耐久性などの課題も指摘されています。

ここでは二枚翼風車に対して空気流れの数値シミュレーションを行い、空気粒子が風車を通過する際の軌跡をアニメーションで示します。(ロータ直径10m、風速10m/sの場合)

なお、得られる羽根に作用するトルクから、発電効率を評価できます。数値シミュレーションを行うことにより実際の装置を作成しないで風車の基本特性を評価することが可能になります。

• キーワード：風車、翼形状、トルク、音響解析、低周波音

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施設内水流解析

近年、土木建設業界においては建設コストの削減、不要な環境負荷を削減するために、より正確な設計計画、環境アセスメントが要求されるようになってきています。いままでは土木、建築構造物を設計する際には主として経験式、模型実験式等を援用していましたが、最近では計算機の高速化および解析ソフトウエアの高度化に伴い、直接的に数値計算にシミュレーションを使うことで、建設設計に先立って正確な現象の把握が可能になってきました。

以下に示す例は、大都市地下に建設される雨水地下処理施設内の水の流れをシミュレーションしたものです。施設は複数の大きさ数十mオーダーの貯水部屋、合流管、マンホール等で構成されており、地表に降った降雨はこのような施設に集められて下流に流されることになります。

数値シミュレーションを使うことで、このような複雑な構造物内部の流れを把握し、時間変動するポンプの運転状況を考慮した施設内水位、流量などを正確に評価することが可能になります。

• キーワード：水理解析、ポンプ運転状況、ポンプ性能曲線

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