AnsysおよびFlownexを用いた水処理関連のソリューション

2023年6月

目次

1. はじめに

製品開発のデジタル化が盛んになることにより、シミュレーションやCAEは今後ますます製品開発において重要な役割を果たすこととなります。特に昨今、盛んに提唱されているSDGsや省エネなどを達成するために、製品の高性能化が求められ、より一層踏み込んだシミュレーションやCAEの活用が進んでいることも注目に値します。水処理の分野でも、初期の設備設計、設備の動作検証、リスク対策まで様々な工程でCAE技術が使われています。本稿ではCAEの1つの分野である流体解析に着目し、Ansys社の流体シミュレーションツール「Ansys CFD」を利用した様々な事例と、M-tech社の全体システムを解析できる1Dシミュレーションツール「Flownex」を利用した事例を紹介します。

2. Ansys CFDを用いた水処理関連の3Dシミュレーション事例の紹介

活性汚泥法の水処理におけるシミュレーション活用例
近年、水処理プラントの高効率化を目指して、シミュレーションを活用する例が増えています。下記は活性汚泥法の水処理プラントにおける下水の流入部、沈殿池および曝気槽（エアレーション）のシミュレーション例となります。図1は下水の流入部の流れおよび下水に含まれる固形物の滞留時間のシミュレーションを行ったものです。シミュレーションを用いることで、できる限り効率よく流すような管の配置や、下水に混じっている固形物の滞留時間を解析し、固形物がある場所にとどまらないための検討ができます。

図1　下水の流入部の固形物滞留時間

図2は沈殿槽の解析例であり、赤い部分は汚泥物の分布を示しています。沈殿槽において汚泥物（固形物）と処理水を効率よく分離させるために、最適な沈殿槽の深さやその数を検討することができます。

図2　沈殿槽の汚泥物分布

図3は曝気槽（エアレーションタンク）の解析例です。液体中に酸素を送り込み、酸素が全体にいきわたるかの検討が可能です。液相だけではなく、気相も含めて解析をすることができ、酸素が水中へ溶け込むモデル化も可能です。

図3　曝気槽内の酸素分布

このように下水処理施設の各工程の解析が可能であり、高効率化、省エネ化を目指す上でこういったシミュレーションは有用であることがわかります。

3. Flownexを用いた1Dシステムシミュレーション事例の紹介

3.1 熱流体システムシミュレーションソフト
Flownex SEの紹介
近年、CO2削減や省エネの要求により、装置全体の高効率化が求められています。それらを実現するために、上記の事例で示したような3DのCFDやCAEの活用が行われていますが、それらは一つの装置の部分的な解析に限られていることが多いです。一方で装置全体の性能把握や最適化も全体の高効率化を達成するために不可欠であり、それらを行うために有用なシステム解析ツールもあります。本章では熱流体システムシミュレーションソフト（1Dシミュレーションソフト）であるFlownexと、そのシミュレーション例について紹介いたします。Flownexは流体機械（ポンプ、タービンなど）、ボイラーなどの機器およびそれらを組み合わせた大規模システムの発電プラント、パイプシステムや空調設備などのシステムを解析できる熱流体システムシミュレーションソフトです。

3.2     1Dシステムシミュレーション事例の紹介
3.2.1　排熱回収ボイラーシステムの解析例
この節では排熱回収ボイラー（Heat Recovery Steam Generator 、HRSG）のシステムシミュレーション例を示します。ボイラーは発電プラントのみならず、ビルやマンション、ホテルといった建物にある熱源として幅広く利用されています。ボイラーは燃焼炉と熱交換装置で構成されていますが、物理現象としては燃焼（化学反応）、高温高圧流れ、水および水蒸気の相変化、伝熱（熱伝導、熱伝達、輻射）といった複雑な物理現象があります。それらの現象を考慮したボイラー全体を3D解析で行うのは非現実的なため、Flownexのようなシステムシミュレーションソフトで解析するのが有効です。図4（a）および（b）はボイラーの模式図とダイアグラムになります。ボイラーは燃焼排ガスで給水を温めるエコノマイザー（Economizer）、水を加…

図4　HRSGシステムシミュレーション［（a）・（b）］