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
千代田化工建設株式会社
STAR Japanese Conference 2017
2017/07/07
発表内容
1. 会社概要・事業内容
2. ベンチマーク事例
3. まとめ
超音速ノズル
マッハディスク
高音速キャビティ
会社概要
商号 千代田化工建設株式会社 (Chiyoda Corporation) 設立 1948年 (昭和23年) 1月20日 資本金 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 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 本社 神奈川県横浜市Web site http://www.chiyoda-corp.com/index.html
事業内容
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）Project Life Cycle
プラント建設フェーズ
事業計画フェーズ
運転保守フェーズ
プロジェクト ライフサイクル エンジニアリングProcess Development
Air pollution control
Plant Design
Agitator tank
Agitator tank
Hot Air Recirculation Study
Flow distribution at piping
Applied field
Computational Fluid Dynamics
Cyclon Flow pattern in
connection point Fired Heater
研究開発
プラント設計
CFD適用対象例
Bubble Column A1 A2 B1 B2 C1 C2 D1 D2近年の傾向
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。ベンチマーク事例
超音速ノズル（定常計算：Mach＝約1.2～1.3） マッハディスク（定常計算：Mach＝約3.8～6.0） 高音速キャビティ（非定常計算：Mach＝約2.0） 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。 Mach=2.0 Dm Lm Point： • 比較的マッハ数低い （Mach<1.3） • 衝撃波の位置など Point： • 比較的マッハ数高い （1.3<Mach） • マッハディスクの形など 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 Flow Flow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 x y 解析対象図 ℎ𝑡ℎ𝑟=1m 入口全圧力 入口全温度 出口圧力 1.4ℎ𝑡ℎ𝑟 ℎ𝑡ℎ𝑟 1.5ℎ𝑡ℎ𝑟 4.04ℎ𝑡ℎ𝑟 𝑥 8.65ℎ𝑡ℎ𝑟
Total Pressure (kPaA)
135
Total Temparature (deg K)
280
Static Pressure (kPaA)
111
解析メッシュおよび計算条件
メッシュサイズ x方向：0.08m～0.3m y方向：1e-4m~0.08m メッシュ数：4160 x y • No slip wall • Adiabatic • No slip wall • Adiabatic • Total P: 33675.0 PaG • Total T: 280 K• Turbulent viscosity ratio:2.0
• P: 9336 PaG • （Total T: 280 K）
• （Turbulent viscosity ratio:10.0）
計算手法
Starccm+ / software A
定常・非定常解析 定常計算
乱流モデル RANS SST k-w
計算スキーム Coupled (近似リーマン解法)
流体 Ideal gas （air）
計算精度 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
実験値比較 主流方向圧力分布
x y 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 Pab s / P0 x/H starccm+ sotware A Experiment 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 Pab s / P0 x/H starccm+ software A Experiment starccm+, software Aの共に圧力分布は実験と良好に一致 P0：入口全圧力
TOP wall
BTM wall
TOP wall BTM wall
実験値比較 壁垂直方向速度分布
x y x= 0 50 100 150 200 250 300 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 u [m/ s] y/H starccm+ software A Experiment x=1.73m 0 50 100 150 200 250 300 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 u [m/ s] y/H starccm+ software A Experiment x=2.88m starccm+とsoftware Aの速度分布はほぼ一致実験値比較 壁垂直方向速度分布
x y x= 0 50 100 150 200 250 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 u [m/ s] y/H starcccm+ software A Experiment x=4.61m 0 50 100 150 200 250 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 u [m/ s] y/H starccm+ software A Experiment x=6.34m評価方法
1. マッハディスク径: Dm 2. マッハディスク距離: Lm Dm CFD解析結果の一例 Lm 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
ノズル Flow
解析モデル
境界条件
Pressure outlet: 5 [kPa] Back Flow
Temperature: 250.0 [K] Turbulent Intensity : 0.1 Viscosity Ratio : 1.0
Total pressure inlet:
50, 100, 250, 500,1000 [kPa] Total temperature: 522.15 [K] Turbulent Intensity : 0.1 Viscosity Ratio : 1.0 軸対象モデル Wall
流体物性： Air Ideal Gas
乱流モデル： SST k-w
解析メッシュ
Starccm+ / software A/ software B
定常・非定常解析 定常計算
乱流モデル RANS SST k-w
計算スキーム Coupled (近似リーマン解法)
流体 Ideal gas （air）
計算精度 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
計算手法
0 1 2 3 4 5 6 0 50 100 150 200 250 マッハディスク直径 Lm/D,software B Lm/D,software A Dm/D,StarCCM+ Dm/D con
解析結果 マッハディスク直径と位置
5 . 0 0 3.9 36 . 0 b m P P D D 0 0.5 65 . 0 b m P P D Lマッハディスク直径と位置： 予測式との比較
0 2 4 6 8 10 12 0 50 100 150 200 250 マッハディスク距離 Lm/D,software B Lm/D,software A Lm/D,Starccm+ Lm/DS. Crist et al, “Study of Highly Underexpanded Sonic Jet” AIAA Journal Vol. 4, No. 1, 1966
予測式
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 Lm/D～1.96 Dm/D～0.47 Software B StarCCM+解析結果 マッハ数分布図 T
0/T
out= 20
Lm/D～2.79 Dm/D～1.17 StarCCM+ Lm/D～2.84 Dm/D～1.08 Lm/D～2.82 Dm/D～1.1 Software B Software A解析結果 マッハ数分布図 T
0/T
out= 50
Lm/D～4.62 Dm/D～2.16 StarCCM+ Lm/D～4.45 Dm/D～2.33 Lm/D～4.46 Dm/D～2.48 Software B解析結果 マッハ数分布図
T
0/T
out= 100
Lm/D～6.6 Dm/D～3.2 StarCCM+ Lm/D～6.25 Dm/D～3.45 Lm/D～6.26 Dm/D～3.81 Software B Software A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 Lm/D～9.85 Dm/D～4.12 StarCCM+ Software B 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。超音速キャビティ計算対象
• 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=105 D ２D D 0.6D 4D View A D 2D 4D D Outlet Wall Wall inlet *No-slip *No-slipLi et al., ”Effects of shear-layer characteristic on the Feedback-loop Mechanism in supersonic open cavity flows”, 49th AIAA, 2011
超音速キャビティ 解析対象論文
本検討で使用した解析条件
全圧力: 𝑃𝑡 = 782445 𝑃𝑎𝐴 平均流入速度: 𝑢0 = 約662.576 [m/s] 全温度: 𝑇𝑡 = 492.65 [K] D 2D 4D D Outlet Wall Wall inlet 流入条件 Zero-gradient Flow 流体: Air (Ideal) 粘度:𝜇 =1.724 x 10-5 [Pa-s] 比熱:𝐶𝑝 =1004.4 [J/kg/s] 物性値 流出条件 D=0.002 [m]本検討で使用した解析メッシュ
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 メッシュは論文記載と同じにした計算手法
Starccm+ , software B 論文オリジナルコード
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 詳細不明 計算精度 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
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
時間刻み 1.0 x 10-7 [s]
（最大クーラン数1以下）
詳細不明
密度勾配分布図 （動画）
ｄｔ＝１.0 x 10-７
Starccm+ Segregated
密度勾配分布図
解析結果
RMS of Non-dimensional
Pressure Fluctuation Ratio P1 P2 P1/P2 CFD Result, Li et al. (2011) 0.35 1.43 0.25 software B 0.04 0.37 0.11 starccm+, segragated 0.07 0.34 0.20 starccm+, coupled 0.02 0.23 0.08 software B software B
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。
