水素利用のためのシミュレーション事例

DXとはデジタルトランスフォーメーションの略で、デジタル技術を導入しビジネスや生活を変革することです。
ものづくりにおいては、従来、経験則や試行錯誤で行われていた工程をデジタル化し、定性、定量的な予測に基づいて製品の生産性や性能を向上させることを意味します。エネルギー関連一つとってもSDGsを達成するために要求される技術的なハードルは高く、既存の知識や経験の単純な外挿ではそれを超えることは難しいと考えられます。そのため、技術的な変革をもたらすDXはSDGs達成のための重要な手段の一つとなります。
デジタルツインはDXを推進する上で欠かせないキーテクノロジーの一つで、現実の環境をコンピューター内に再現し、現実の環境の変化をリアルタイムでモニタリングしながらシミュレーションを行う技術です。
図2に示すV字プロセスにおいて、その初期段階では「システムシミュレーション」によりシステム全体の最適化が行われます。
「要求&仕様」「システム構築&アーキテクチャ設計」のパートです。

DXやデジタルツインの構築に極めて有用な、熱流体に特化した1D CAEソフトウェアであるFlownexについて紹介します。
Flownexには、配管、バルブ、圧縮機、ポンプ、タービン、熱交換器などの熱流体機器の数理モデル化された要素が事前に準備されグラフィカルに実装されています。使用者はそれらの要素を画面内でパズルのように接続することでネットワークを構築し、その解析を行うことが可能です。構築されたネットワークは各要素における1次元の熱流体方程式を全ての要素に対して連成した連立方程式を解くことで解析されます。
また、熱流体機器だけではなく機械要素や制御機器なども実装されています。これらを熱流体要素と組み合わせてネットワークを構築することによりさまざまな分野の熱流体システムの設計を詳細かつ実用的な計算時間で検討できます。複雑なシステムの最適化や安全性の向上、省エネルギー、ライフサイクルコストの低減を実現します。

Flownexは非常に高機能なソフトウェアであると同時に高い信頼性も有します。その証左の一つとしてASMEからNuclear Quality Assurance（NQA-1）の認証を得ていることが挙げられます（図5）。
この認証はFlownexが原子力施設アプリケーションの品質保証要件に準拠した品質を有していることを示し、すなわちFlownexの解析結果を原子力施設の設計根拠として使用できるということを意味します。

図8に示すのは高圧水素の漏洩を模擬したFluentによる3次元のCFD解析結果です。
LESと有限速度化学反応モデルを用いた乱流と化学反応の相互作用を詳細に考慮した非定常解析を行い、タンク圧力の違いによる自着火の有無を検証しています。
これによると250気圧以上では継続的な燃焼が確認され、100気圧では一度着火するもその後消炎、50気圧では着火しないという結果が得られました。この様子は他の実験結果とも矛盾していません。
このような解析を行うことでさまざまなタンク圧力での水素漏れと自着火挙動を妥当な精度で予測することができ、 例えば、タンク壁の厚さや穴の直径、断面形状などの影響も調査することが可能です。