star-ccm+の反応燃焼計算...

STAR-CCM+の反応/燃焼計算（抜粋版）機能ご紹介と最近の機能強化項目Karin Fröjd

Product Manager, STAR-CCM+ Reacting Flows

Realize Innovation.Unrestricted © Siemens 2017

Unrestricted © Siemens AG 2017

2017.07.07 Siemens PLM Software

本資料は、プレゼンテーション資料の抜粋版です。

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Why is Reacting Flow Modeling Necessary Today?

反応/燃焼モデリング数値計算の必要性

技術革新

環境への適合• 燃焼排出物の低減

• エネルギーの効率改善

効率化• 燃料効率改善

• 廃棄物削減

• 高収率化

コスト削減• 設計コストの削減

• 稼働コストの削減

• メンテナンスコストの削減

• 新燃料＆ハイブリッドシステム

• 新稼働条件

• 新プロセス/新材料Flameless combustor



How Does Reacting Flow Modeling Address the Challenges?

反応/燃焼モデリング課題への対応

実現象の理解と予測:• 火炎ダイナミクス

• 伝熱 & thermal wear

• NOx, CO,すすなどの排出予測

• 収率、転化率、選択率

• 火炎の吹き飛びや失火、火炎不安定性、ホットスポットなど、望まし

くない現象

開発初期段階での多くの設計バリエーションの探査:• 火炎形状や火炎位置の最適化

• ライナや固体部品の温度の最小化

• NOx, CO,すすなどの排出低減

• 収率、転化率、選択率の最大化

• 望ましくない現象の発生回避

• 技術革新

• 燃料効率改善

• 廃棄物削減

• 高収率化

• 新燃料＆ハイブリッドシステム

• 新稼働条件

• 新プロセス/新材料

• 設計コストの削減

• 稼働コストの削減

• メンテナンスコストの削減

• 燃焼排出物の低減

• エネルギーの効率改善

より良い設計をより速く！



STAR-CCM+

• 内蔵の3D-CADツール

• 外部のCAD/PLMツールとの双方向連携

Key Requirements

求められる機能

パラメトリックなモデル化



STAR-CCM+

• 完全に自動化されたメッシュプロセス

• テーブルを使用したメッシュ細分化

• 正確なCHTのための連続した境界メッシュ

Key Requirements



フレキシブルで堅牢なメッシュ



STAR-CCM+

• 反応、排出予測、電気化学の包括的なモデル

• 多様な反応現象への対応: 反応と流れ、伝熱、輻射、電

磁気、混相流とのカップリング

• 正確なCHT計算のための、流体-固体エネルギーソルバー

Key Requirements



様々な物理現象への対応




STAR-CCM+

• CPU時間と精度のバランスに応じた様々な手法

• スケーラビリティの良い高速なソルバー

• 詳細化学反応用のクラスタリング & ISATによる加速手法

• LES燃焼のためのPISOソルバー対応

Key Requirements



スピード、パフォーマンス



Scalability for LES gas turbine combustion

0%

25%

50%

75%

100%

0

12,288

24,576

36,864

49,152

0 6,144 12,288 18,432 24,576 30,720 36,864 43,008 49,152S

PE

ED

UP

CORES

Cold

Hot

Ideal (100% scaling)



STAR-CCM+

• 多様な、統合されたポスト処理と可視化

• データフォーカスを用いた複雑な相互依存関係の理解

Key Requirements






多様なデータ解析機能



STAR-CCM+

• 一つのGUI環境上ですべての作業が連携

• 数クリックのみで、同じ作業を繰り返し実行可能

Key Requirements



作業フローの自動化





CAD Solution AnalysisMesh

R1

R2



STAR-CCM+

• STAR-CCM+に組み込み済

• HEEDSの設計探査技術を活用

Key Requirements




高度な設計探査





Design Exploration of Industrial Burner

Varying injector locations and angles to minimize emissions



• 機能紹介と今後の開発予定

• 反応/燃焼モデル

• 化学種輸送モデル

• フレームレット（火炎片）モデル

• 混相流の反応

• 排出予測と反応流路モデル

• 電気化学

• 最近の燃焼計算の事例

Reacting Flow Models in STAR-CCM+ - Today & Tomorrow

STAR-CCM+の反応/燃焼モデル –機能紹介＆今後の開発プラン



高度な設計探査







Reacting Flow Models in STAR-CCM+ - Today

STAR-CCM+の反応/燃焼モデル –機能紹介

各産業に対応したモデル

• 単相または混相反応、電気化学反応など広範囲

な物理モデル

• それぞれのアプリケーションに適したモデルが

利用可能

精度向上

• 定常乱流燃焼のための高精度で高速なフレーム

レットモデル

• 過渡的な燃焼現象を正確に計算するための詳細

化学反応モデル

• LES燃焼のための高次数値スキーム

Electrochemistry

Electromagnetism

Electrochemical Reactions

Electrochemical Species

Bulk Ion Chemical Reactions



Reacting Species Transport – Today

反応化学種の輸送 –機能紹介

すべての化学種を輸送し、時間ステップ毎にすべての反応を計算する

• 気相や液相中の包括的でスティフな反応に対して厳密に計算を実行するロバ

ストな詳細化学反応ソルバー

• 解析的ヤコビ行列、クラスタリング、ISATを用いた計算の高速化

• 火炎位置を迅速に把握するためのEBU（渦消散）モデル

• 液相反応のための渦接触マイクロ混合モデル

• 重合反応の専用モデル

Temperature prediction in glass

furnace - Complex Chemistry



Reacting Species Transport – Future

反応化学種の輸送 –最近の機能強化項目

最近の機能強化項目

• スピード、スピード、スピード (v11.02, 11.04, 12.04)

• 使い易さの向上– NOxモデル (v11.06), モデル選択方法の改善(v11.06)

Speedup for gas turbine combustor

calculation using complex chemistry

Gas turbine combustor

• LES, 10 mil cells

• GRI 3.0 53 species mechanism

• 192 cores

• Clustering on

CPU time per iteration (11.04): ~9 sec

0

1

2

3

4

5

6

7

10.06 12.02 12.02, clustering

Speedup



Flamelet – Today

フレームレットモデル –機能紹介

混合分率や熱損失・・・などのパラメータを用いた燃焼モデル

• フレームレット形態の燃焼に適している

• 詳細化学反応モデルよりも速く、EBU（渦消散）モデルよりも正確

• FGMモデルは主に予混合と部分予混合燃焼用

• 化学種成分に対する熱損失の影響を考慮

• 定常層流フレームレットは非予混合燃焼用

• 火炎伝播モデルとの併用で火炎位置のより正確な予測が可能

• PISO法ソルバーのLES対応による高速化

• 燃焼テーブル生成機能を内蔵

• 並列処理対応

• 進行変数の最適化機能、誤差制御を用いた適応型グリッド

Temperature prediction in glass

furnace - FGM

CFM

TFC

Kinetic rate

Flame propagation

models



Flamelet – Future

フレームレットモデル –最近の機能強化項目


• スピード: フレームレットモデルへのPISO法対応 (v12.02)

• 精度: 適応型グリッドによるテーブル作成機能 (v12.02),

進行変数の最適化機能 (v12.04)

• 使い易さの向上: 燃焼テーブル作成機能内蔵 (v11.06)

0

50

100

150

200

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

CO

[p

pm

vd

]

Table size [GB]

v11.06

v12.02

Case Speedup w PISO

Sandia Flame D ~5x

Gas Turbine #1 ~2.5x

Gas Turbine #2 ~4x

Gas Turbine #3 ~3x

Flameless combustor 4.7x

Single jet 4.7x



Optimal progress variable selection for FGM (v12.04)

開発トピックス：FGM進行変数の最適化機能

FGM燃焼モデルの高精度化

• 進行変数の化学種重み付けのデフォルト: CO=1, CO2=1

• 進行変数の最適化1

• CO2, CO, H2O, H2 の組み合わせ

• 進行変数に対する後処理化学種や温度などの進行変数に

対する微分値を小さくする

• 進行変数が単調増加であることを確認

• テーブル生成のCPU時間は増加( 3～30分)

1Goldin, G., Zhang, Y., Proceedings of ASME Turbo Expo 2017, GT2017-64446

Minimize max

derivative

Default Optimal

CO 1 0.792

CO2 1 1

H2O 0 0.042

H2 0 0.542

Sydney Flame HM1



Multiphase Reactions – Today

混相流の反応 –機能紹介

表面反応

CVD（化学気相成長）や排気ガスの後処理用の触媒

反応などで使用

粒子反応（ラグランジェ粒子、DEM粒子）

微粉炭燃焼やバイオマス燃焼で使用

オイラー混相やVOF（自由界面）の反応

気泡塔、金属の精錬/精製、トリクルベッド反応器、

流動床・・・

単相の化学反応モデルとの連携

Dry methane reformation in packed bed reactor

Sulfur removal through oxidation in Pierce-Smith

copper converter



Multiphase Reactions – Future

混相流の反応 –最近の機能強化項目


• 液膜の相内反応モデル (v12.02)

• VOF,EMP-LSIの相間反応モデル (v12.04)



Multiphase reactions – VOF & EMP-LSI (v12.04)

開発トピックス：混相流の反応 – VOF & EMP-LSI (v12.04)

金属の冶金プロセスにおけるエネルギー効率の向上

• 金、銅、鉄鋼などの加工と精錬・精製プロセス

• トリクルベッド反応器の収率向上

VOF & EMP-LSIの相間反応

• 「混相の相互作用」で設定

• 反応速度は、一定値、フィールド関数、テーブルまたはユーザーコードで定義

• 詳細化学反応、EBU（渦消散）またはECM（渦接触マイクロ混合）の相内反応

とも併用可能

Sulphur removal

through oxidation in

Pierce-Smith copper

converter - VOF

CuS(l) + O2(g) → Cu(l) + SO2(g) Oxidizer

inlet

Molten Cu



Emissions & Reacting Channel Model – Today

燃焼排出物＆反応流路モデル –機能紹介

燃焼排出物モデル

• すべての関連する反応経路を含む、容易に設定可

能なNOxモデル

• すす –広範囲に対応するモーメント法または簡便

な２方程式法モデル

• COや炭化水素は、燃焼テーブルを用いたフレーム

レットモデル、もしくは化学種を輸送する詳細化

学反応で計算されます。

反応流路モデル

• 長く細い充填管または円管反応器に特化したカス

タムモデル

Reacting

Channels

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