熱流体システムの最適化の最新事例：ポンプ・コンプレッサーシステムにおける1D-3D連携シミュレーションのご紹介
-流体連携編-

• 日本政府が策定した８つの優先課題に基づいた施策のうちの重点項目を整理したアクションプラン
  • 優先課題⑤：「省・再生可能エネルギー、防災・気候変動対策、循環型社会」
• 重点項目の一つ「Planet 地球：地球の未来への貢献」
  • 「地域脱炭素の推進のための交付金等を通じ、2050年を待つことなく前倒しでカーボンニュートラル達成を実現する脱炭素先行地域を2030年度までに少なくとも100か所創出する」（一部抜粋）

• 脱炭素の加速
• 熱利用効率化・未利用熱活用等、熱の有効活用は引き続き重要
• アンモニアや水素への燃料転換 中小事業者の省エネ取組の深堀り
• etc

• デジタルツイン
• 1DCAE
• 原子炉
• 水素、アンモニア、メタン

製品形状が決定する前段階で、数式により機能をモデル化し、システムアーキテクチャ全体の最適化を行う。MBDまたは1D CAEという言い方もする。

コンプレッサーやポンプあるいはタービンなどの流体機械は単体ではなく配管やタンク、バルブなどの機器と連結して使用されるが、それら単体では問題がでなくても他の機器とつなぐことで予期していない脈動などのトラブルが発生することがよくある。

コンプレッサーやポンプ単体だけではなく、他の機器も一緒につないだ状態で解析や実証試験が予めできれば、トラブルを回避しやすくなるかもしれないが、３D解析や実証試験を複数の機器を含めた状態で解析するのは膨大なコストがかかり、現実的ではない場合が多い。

• 配管、バルブ、コンプレッサ等の流体機器を要素として数理モデル化
• 各要素を接続してネットワークを構築し、系全体のモデル化を行う

• プラントの実測データに対する妥当性の検証
• すべての運転モードをカバー:境界条件設定のみ
• 高信頼設計への近道: 短時間、 低リスク

• 沸騰の振動が解析できる
• 沸騰の振動を避けるように最小限の電力を決定できる
• 開発コストの削減

• 複雑な形状に対する回転流れ
• 任意形状による熱伝導
• パーツごとに異なった材料物性
• 複数の流路、漏れおよび流路タイプ

• コンプレッサーからシステムに空気が供給される。
• ラブリンスシールとノズルが空気量を調整
• キャビティー内の回転空気がディスクや燃焼器壁を冷却する。
• 一部の空気は中間キャビティを通って、ブレードとシャフトの間の環状部に移動する。
• 一部の空気はフィルム冷却のためにタービンブレードに排出される。
• 一部の空気はリムシールを通って主要ガス経路に流出する。

• Rotating cavity, labyrinth seals, rotating channel, Nozzle モデルなど

• Ansys – 固体の熱解析
• Flownex – 熱流体解析

• 配管システムの脈動伝播の検討
• 配管システムではバルブ有無の影響を検討
• 配管システム内の脈動伝播の把握: Flownex
• コンプレッサーの脈動解析: Ansys CFX (LES-Dynamicモデル）

• ポンプシステムの流動解析（実験装置を模擬）
• タンクと配管およびポンプをモデル化
• 実験対象はオリフィス
• 配管システム内の流動解析: Flownex
• オリフィス: Ansys CFX (LES-Dynamicモデル

• オリフィス下流側では大きな流量変動が起きている。
• クローズドタンクにより、大きな流量変動は抑制される。
• しかし、流量変動が低周波で起きている。
• クローズドタンクのガスの体積を小さくした場合は大きな流量変動が起きている。
• 系全体の不安定性の解析に有効

• インデューサーの流動解析（キャビテーションあり）
• タンクと配管およびインデューサーをモデル化
• 配管システム内の流動解析 (1D): Flownex
• インデューサー (3D): Ansys Fluent

インデューサー単体で3D解析した場合と1D/3D連携解析した場合で、圧力変動の違い（キャビテーションサージの有無）を確認する。

インデューサー上流側でキャビテーションが発生するため、強い圧力変動が起きていることがわかる。

3D解析ではインデューサー下流側の全圧変動は小さくなっているが、 1D/3D連携解析では大きな圧力変動が生じていることわかる。

3D単体の解析ではインデューサー下流側の全圧の振動はほぼ見られないが、1D/3D連携解析では下流側でも全圧の強い振動がみられる。インデューサーの上流側と下流側で強い脈動が生じていることがわかる。

• DXとデジタルツインについて述べた。
• 1DシミュレーションＦｌｏｗｎｅｘについて述べた。
  • 原子力発電の蒸気発生器解析事例
  • ガスタービンの二次流れ解析事例
• Flownex/Ansys CFDを用いた1D-3D連携について紹介した。
  • コンプレッサーシステムの1D/3D連携解析
  • ポンプ付き配管システムに取り付けられたオリフィスの1D/3D連携
  • 配管システムの取り付けられたインデューサーの1D/3D連携

• FlownexとAnsys CFDを組み合わせることで1D/3D連携解析を行うことができ、3D解析単体では再現できない現象も再現および予測できる可能性がある。