best practice: turbomachinery simulation using...

Best Practice:

Turbomachinery Simulation

using STAR-CCM+

Usage From Across the Industry

• STAR-CCM+にアドバンテージのある解析内容

– 共役熱伝達（CHT）

– 流体弾性応答問題

– 性能曲線の導出

• STAR-CCM+の回転機械を対象としたキーになる機能

– 複雑な形状データのハンドリング

– 高品質なポリヘドラルメッシング

– ハーモニックバランス

– 可視化処理

• ベストプラクティス

– メッシュ設定

– 解析手順

概要

STAR-CCM+のキーとなる機能

• ダイレクトCADインポート

• 3D CAD データの編集機能

• メッシュ生成

– サーフェス化

– ポリヘドラルメッシュの使用

– コンフォーマルなインターフェース

– 自動プリズムレイヤー生成機能

共役熱伝達（CHT）


• ダイレクトCADインポート

タービン翼の冷却

固体形状のCADデータ

を直接インポート


• 3D CAD データの編集機能


外部領域や流体領域をオリジナル3D CADデータを

用いて作成



– サーフェスデータの取り扱い

– 完全自動メッシュ生成機能


• 流路に対するメッシュ生成

• シンプルなグローバルサイズ設定

• 局所細分化機能

• 解析結果の自動内挿




– ポリヘドラルメッシュ


より少ないメッシュ数

で収束






旋回流等、複雑な

流れに適している

ポリヘドラルメッシュは流れの方向に限らず

実際の流れに対してフェイスの直行性を保ち易い（フェイスが多い）






複雑形状に対する

高品質なメッシュ生成が可能



– コンフォーマルなインターフェース

– 自動プリズムレイヤー生成


流体/固体間のインターフェースではセルは完全に1対1接合

流体側には自動的にプリズムレイヤーが生成

一般的なシミュレーションでは多くの問題点が存在

• 流体弾性問題解析は非定常解析が要求される

• 一般的には非定常解析では多くの制限が存在

– 解析時間が長い

– 全周解析や前後の形状も推奨

– 羽根振動の定義が難解

– 安定条件を評価することが困難

流体弾性応答問題

• STAR-CCM+ハーモニックバランス手法はこれらの問題点を解決

• STAR-CCM+ハーモニックバランス手法は他の汎用ツールでは使用されていない

• ハーモニックバランスは回転機械の解に周期性がある場合に有用

• 「収束した」周期的で、且つ非定常解を求める

• 完全非線形ソルバー

• 全ての非定常現象（静－動翼干渉等）を考慮

ハーモニックバランスとは

非定常的な解析を高速に実施することが可能

• 非定常解析は収束解を得るまで多くの時間ステップを要する

• ハーモニックバランスを用いた場合、収束まで掛かる計算時間は1/10程度に減少

ハーモニックバランスの優位点

赤：非定常

青：ハーモニックバランス

1ピッチ流路解析で実施

• 一般的に非定常解析時には全周解析が推奨

• ハーモニックバランス使用時には1ピッチ流路のみ用いるが、

解析上は全周扱いとなる


非定常全周解析

ハーモニックバランス解析

羽根の振動モードを指定

– 各羽根車での振動には位相差があり、これを「翼間位相角」と呼ぶ

– シミュレーションを安定的に解くには各位相角について解く必要がある

– 一般的な非定常解析では、各位相角の運動を手動で指定する必要がある


羽根の振動を指定

翼間位相角をハーモニックバランスにて単純に指定


1周期当たりの仕事を簡単に算出

– 安定性を決定するのは「1周期当たりの仕事」

– 一般的な非定常解析では各時間ステップにて結果を保存し、手間の掛かるポスト処理を実施

ハーモニックバランスを用いた解析では、デフォルトで「1周期当たりの仕事」が算出できる


解析事例：ベーンフラッタ

Unsteady Pressure (Pa)

Motion

• 本解析事例では「1周期当たりの仕事」のプロットより、フラッタは発生しないと予測される

解析事例：ベーンフラッタ


• 複雑形状のハンドリング

• ポリヘドラルメッシュ

• 高品質なメッシュ

• プリズムメッシュの自動生成

• ハーモニックバランスソルバ

性能曲線の算出


• グリッドシーケンスを用いた初期化

• Optimate+を用いた効率的な最適化

• 回転機械に特化した可視化処理機能


前項までで説明


• グリッドシーケンスを用いた初期化


• 計算時間の大幅短縮

• ランプ条件の低減

• シミュレーション自体のロバスト性の向上

初期解収束した数値解

初期化に掛かる時間： 80 秒


• Optimate+を用いた効率的な最適化





翼間断面（スパン面）表示




子午面表示




周方向平均値の表示

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2

2.4

2.6

2.8

3

3.2

3.4

3.6

3.8

4

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2

Pre

ss

ure

Ra

tio

(t/t)

P2

c/P

1c

Corrected Air Flow (Kg/s)• •

•

•••

•

• 実測データとの比較

– 性能曲線

– 複数RPMケースを実施e

検証事例：遠心圧縮機

190000 RPM

210000 RPM

0.6

0.65

0.68 0.7

0.72

0.74 0.75

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2

2.4

2.6

2.8

3

3.2

3.4

3.6

3.8

4

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2

• 実装時の影響を予測

– 入口領域が湾曲

– 出口領域にディフューザを設置

検証事例：遠心圧縮機

• 必要に応じて入口/出口領域に押し出しメッシュを用いたポリヘドラル

回転機械シミュレーションに対するメッシュガイドライン

• 前縁/後縁でのメッシュ解像度を上げる


• 主となる流路でのメッシュサイズは出来るだけ均一とする


• y+値は出来るだけ5以下とし、壁関数はAll y+/Low y+


• プリズムレイヤーの最高部に位置するプリズムメッシュのサイズは接合するポリヘドラルと同様なサイズとする


ポリヘドラル

プリズムレイヤー

• 境界層の解像度は最低でも5層


壁面

速度プロファイル

境界層

参照値

• 参照圧力は動作点近傍の圧力値を設定

初期値

• 速度にはゼロではない値を使用

• 初期圧力は入口、出口境界で指定している圧力値の大きな方を入力

• 温度は入口温度を使用

回転機械シミュレーションに対するソルバガイドライン

初期化

• 初期状態を生成するために、グリッドシーケンスを用いた初期化を使用

• 各グリッドレベルでの収束はチェックが必要

• 実際の作動条件を用いて初期化を実行（ランプ条件を用いた境界条件や回転数は設定しない）

推奨GSI設定パラメータ

• Max iterations per level: 200

• Convergence tolerance: 0.005

• CFL number: 20


ソルバーの設定

• 可能な限り、大きなCFL数を使用、一般的に20程度のCFL数でスタートすることが多い

• 比較的高速な領域と低速な領域が混在するような場合、質量保存の収束加速オプションを使用することも有用


• STAR-CCM+にアドバンテージのある解析内容

– 共役熱伝達（CHT）

– 流体弾性応答問題

– 性能曲線の導出

• STAR-CCM+の回転機械を対象としたキーになる機能

– 複雑な形状データのハンドリング

– 高品質なポリヘドラルメッシング

– ハーモニックバランス

– 可視化処理

• ベストプラクティス

– メッシュ設定

– 解析手順

結語

best practice: turbomachinery simulation using...

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