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解析事例・インタビュー

ソフトウェアクレイドル 技術一課 藤山 敬太
キャビテーション解析機能の開発背景

[前編] 流体解析ソフトウェアSCRYU/Tetra®に搭載しているキャビテーション解析機能を用いると、設計段階における正確なキャビテーションの発生予測が可能です。非定常性の強い現象であるキャビテーションは、機器の性能低下や気泡が生じることによる騒音のみならず、物体表面に対してエロージョン(壊食)現象を引き起こすため、CFDを用いた非定常キャビテーション解析が重要となります。お客様とともにキャビテーション解析に取り組むソフトウェアクレイドル 技術部 藤山に、機能開発背景を聞きました。

ソフトウェアクレイドル
技術一課 藤山 敬太

キャビテーション解析はどのような機器が対象となるのか?

 キャビテーションは、水などの液体で作動する機器で発生します。「眼鏡店の店頭でよく見かける超音波洗浄」といったキャビテーションを有効利用した機器も存在していますが、「ポンプ」、「舶用プロペラ」、「発電プラントなどの配管」などの大部分の機器ではキャビテーションは性能低下や振動などの悪影響の原因となります。

 ご存じのとおり、ポンプや船舶用プロペラなどの水力用回転翼設計においては、近年の省エネルギー問題に対応すべく、小型化・高効率化の要求が益々高まっています。設計現場においては、従来からCFD による性能予測が有効に活用されていますが、要求性能が厳しくなるにつれてキャビテーション発生の予測が避けて通れなくなっています。というのも、キャビテーションによる性能低下、機器の損傷、騒音などのリスクを事前に予測することが、設計者にとっての非常に重要な課題となってきているためです。

 ところが、いざ解析を行おうとしても、実際の気泡は数ミクロンと極めて小さく、さらにその運動は非常に非定常性が強いため、とてもそのままではシミュレーションを行うことが困難です。そのため実際に数値解析による予測を行うためには、現象をモデル化することが必要となってきます。CFD におけるキャビテーション現象のモデル化についてもこれまでに様々な手法が提案・検証されてきましたが、昨今の計算環境の向上もあって迅速にリアルタイムで設計へとフィードバックするための計算時間と予測精度の両立が可能となってきました。
 

SCRYU/Tetra®におけるキャビテーション解析では、どのような手法が使われているのか?


 SCRYU/Tetra®におけるキャビテーション解析機能としては、「圧縮性気液二相局所均質媒体モデル※1」と「フルキャビテーションモデル※2」の組み合わせによるものが基本となります。まず流れる流体の取扱いとしては、圧縮性気液二相局所均質媒体モデルを用いています。このモデルでは、液相についても蒸気相と相似な状態方程式を仮定し、蒸気相・液相・不凝縮ガスについてそれぞれの密度と質量分率から流体の密度を合成することで、1流体の圧縮性解析の形で計算を行います。  

 また気泡の生成と消滅に関するモデルについては、Singhalらによるフルキャビテーションモデルを用いています。このモデルの特徴は、「バブルダイナミクスに基づく気泡の生成・消滅」・「乱流の効果」・「空気等の不凝縮ガス」これら全てについて考慮するキャビテーションモデルとなっていることとなります。

図1 水流中の3次元捻り翼に生じる非定常キャビテーションの発生予測(赤色部はキャビテーション発生予測位置)
​※クリックして拡大

 また、キャビテーションは非定常性の非常に強い現象となります。そのため、乱流モデルとしては一般的なRANSモデル(レイノルズ平均モデル)では不十分な場合があり、空間的・時間的許容度の比較的高く一般的な工学的モデルにも適用しやすいRANS+LES のハイブリッドモデルがより適合性が高いこともあります。たとえば図1は、過去に弊社で実施したキャビテーションの周期的放出について計算した例※3ですが、通常のRANS モデルでは間欠性が再現できないところが、ハイブリッドモデルの一種であるSST-SAS(Scale-AdaptiveSimulation)モデルを用いることで現象をよく再現することが可能となりました。

 もちろん、かなりキャビテーションの発生予測ができるようになってきたとはいえ、まだまだキャビテーションの発生範囲やその状態変化などについては完全なものとは言えません。そのため、今後も継続的にキャビテーションモデルと乱流モデル、その両面からの開発、検証が必要となってくると考えています。

図2 エロージョン解析事例
(インデックス2 の出力結果)
※クリックして拡大

図3 簡易インデックスの出力設定画面
※クリックして拡大

キャビテーションに関連して、エロージョンという現象をよく耳にします。考慮することはできるのでしょうか?

 エロージョンとは「壊食」と呼ばれる現象のことで、気泡が破裂する際にマイクロジェット(強いジェット流)・衝撃波が生じて物体の表面を攻撃する現象です。特に、気泡が崩壊して圧力が急激に上昇する場所において、そのリスクが高いといわれています。

 エロージョン予測において、現象をミクロまで考慮することは現状では非現実的です。そのためSCRYU/Tetra®ではそのエロージョンの発生リスクについて、圧力と蒸気量それぞれの絶対値と変動の大きさを組み合わせて表現するというコンセプトのもとに能見らが提案した簡易インデックス※4を、解析結果の物体表面上に情報として出力することができます。

 簡易インデックスということもあり、壊食量の推定などを完全に行うことは残念ながらできません。ただ、壊食場所の位置推定やそのリスクの大小について評価が可能となりますので、その情報を生かしてよりエロージョンフリーな機器開発が可能になります。



(※1)Okuda, K. and Ikohagi, T., "Numerical Simulation of Collapsing Behavior of Bubble Clouds", Trans. of the Japan Society of Mechanical Eng. B, Vol. 62, 1996
(※2)Singhal, A.K., Athavale,M.M., Li,H.Y., Jiang, Y., "Mathematical Basis and Validation of the full Cavitation model", Journal of Fluids Engineering, vol.124, 2002
(※3)Fujiyama, K., Kim, J-H., Hitomi, D., and Irie, T., "Numerical Analysis of Unsteady Cavitation Phenomena by using RANS Based Methods", Proc. of the 16th Cavitation Symposium, 2012
(※4)Nohmi, M., Iga, Y., and Ikohagi, T., "Numerical Prediction Method of Cavitation Erosion", Proc. of Turbomachinery Society of Japan,Vol.59, 2008 ​​

※SCRYU/Tetraは、日本における株式会社ソフトウェアクレイドルの登録商標です。
※その他、本インタビュー記事に記載されている会社名、製品・サービス名は、各社の商標または登録商標です。
※本インタビュー記事の内容は2015年4月現在のもので、予告なしに変更する場合があります。また、誤植または図、写真の誤りについて弊社は一切の責任を負いません。

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