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プラントエンジニアリングに向けた
圧縮性解析ベンチマーク計算
千代田化工建設株式会社
STAR Japanese Conference 2017
2017/07/07
○西口誠人、石神隆寛、前川宗則
Copyright © 2017 Chiyoda Corporation. All Rights Reserved.
発表内容
1
1. 会社概要・事業内容
2. ベンチマーク事例
3. まとめ
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超音速ノズル マッハディスク 高音速キャビティ
会社概要
2
商号 千代田化工建設株式会社 (Chiyoda Corporation)
設立 1948年 (昭和23年) 1月20日
資本金 433億96百万円
代表取締役社長 山東 理二
従業員数 5,367名(連結)、1,505名(単体) (2017年3月31日現在)
事業内容
エネルギー、化学、医薬品、バイオ、FA等のプラント・施設およびこれらの環境保全に関する計画、設計、機器調達、試運転、運転・保全管理コンサルティング並びにトレーニング、研究開発・技術サービス、プロジェクトマネジメント
本社 神奈川県横浜市
Web site http://www.chiyoda-corp.com/index.html
写真提供:サハリン・エナジー・インベストメント社 写真提供:カタールガス社
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事業内容
3
千代田化工HPより
豊富なプラント建設実績から得られた技術と知見を活用・展開・技術開発及びその商業化サポート・事業計画から建設・運転支援・メインテナンス(O&M)
Project Life Cycle
プラント建設フェーズ
事業計画フェーズ
運転保守フェーズ
プロジェクトライフサイクルエンジニアリング
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4
Process Development
Operation & Maintenance Trouble Shooting
Air pollution control
Plant Design
Agitator tank
Agitator tank
Hot Air Recirculation Study
Flow distribution at
piping
Applied field
Computational Fluid Dynamics
Cyclon
Particle transport
piping
Flow pattern in
connection point
Fired Heater
研究開発プラント設計
オペレーション&メンテナンス トラブルシューティング
CFD適用対象例
Bubble Column
A1 A2 B1 B2 C1 C2 D1 D2
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5
近年の傾向
生産量の増大に伴いサイズUP→設計高度化の必要性→圧縮性を考慮した解析技術
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6
プラントエンジニアリングでの圧縮性流れの例
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安全弁下流の高流速流れ
昨今では騒音に起因する振動問題に対し、検討が求められるようになった。
ボイラ内部の共鳴問題
従来評価が難しかった騒音源の振幅などが評価できれば、対応力が高まる。
プラントエンジニアリングでは圧縮性内部流れに起因した設計上の課題が多い。
商用流動解析コードを用いた圧縮性流れの適用範囲・予測精度を確認する必要あり。
圧縮性計算のベンチマークを実施した。
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ベンチマーク事例
8
ベンチマーク事例
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超音速ノズル(定常計算:Mach=約1.2~1.3)
マッハディスク(定常計算:Mach=約3.8~6.0)
高音速キャビティ(非定常計算:Mach=約2.0)
論文などで報告されている、以下の3つの事例を対象にした。
Mach=2.0
Dm
Lm
Point:
• 比較的マッハ数低い(Mach<1.3)
• 衝撃波の位置など
Point:
• 比較的マッハ数高い(1.3<Mach)
• マッハディスクの形など
Point:• 比較的マッハ数高い(1.3<Mach)• 圧力波のフィードバック現象など
Flow
Flow
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超音速ノズル
解析対象
10
Sajben Transonic Diffuser (Two dimensional, experiment)(NASA Web Site: http://www.grc.nasa.gov/WWW/wind/valid/transdif/transdif03/transdif03.html)
Flow
x
y解析対象図
ℎ𝑡ℎ𝑟=1m
入口全圧力
入口全温度
出口圧力
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1.4ℎ𝑡ℎ𝑟 ℎ𝑡ℎ𝑟1.5ℎ𝑡ℎ𝑟
4.04ℎ𝑡ℎ𝑟 8.65ℎ𝑡ℎ𝑟𝑥
Total Pressure (kPaA) 135
Total Temparature (deg K) 280
Static Pressure (kPaA) 111
Flow Conditions
解析メッシュおよび計算条件
11
メッシュサイズx方向:0.08m~0.3m
y方向:1e-4m~0.08m
メッシュ数:4160
x
y
• No slip wall
• Adiabatic
• No slip wall
• Adiabatic
• Total P: 33675.0 PaG
• Total T: 280 K
• Turbulent viscosity ratio:2.0
• P: 9336 PaG
• (Total T: 280 K)• (Turbulent viscosity ratio:10.0)
y+= 0.23 ~1.99 (Ave. 1.12)
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計算手法
12
Starccm+ / software A
定常・非定常解析 定常計算
乱流モデル RANS SST k-w
計算スキーム Coupled (近似リーマン解法)
流体 Ideal gas (air)
計算精度 乱流モデル:2nd-order
運動方程式、エネルギー方程式:MUSCL 3rd-order
勾配:2nd-order
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starccm+, 実験に加え他社software Aの計算も行い比較した
実験値比較主流方向圧力分布
13
x
y
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
-6 -4 -2 0 2 4 6 8 10
Pab
s/
P0
x/H
starccm+
sotware A
Experiment
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
-6 -4 -2 0 2 4 6 8 10Pa
bs
/P
0
x/H
starccm+
software A
Experiment
starccm+, software Aの共に圧力分布は実験と良好に一致
P0:入口全圧力
TOP wall
BTM wall
TOP wallBTM wall
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実験値比較 壁垂直方向速度分布
14
x
y
x=
0
50
100
150
200
250
300
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
u [
m/s
]
y/H
starccm+
software A
Experiment
x=1.73m
0
50
100
150
200
250
300
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2u
[m
/s]
y/H
starccm+
software A
Experiment
x=2.88m
starccm+とsoftware Aの速度分布はほぼ一致
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実験値比較 壁垂直方向速度分布
15
x
y
x=
0
50
100
150
200
250
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4
u [
m/s
]
y/H
starcccm+
software A
Experiment
x=4.61m
0
50
100
150
200
250
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4u
[m
/s]
y/H
starccm+
software A
Experiment
x=6.34m
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16Copyright © 2017 Chiyoda Corporation. All Rights Reserved.
マッハディスク
評価方法
17
1. マッハディスク径: Dm
2. マッハディスク距離: LmDm
CFD解析結果の一例
Lm
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ストレートノズル後流に生じるマッハディスクを対象としたベンチマーク解析を実施 下記の値を実測値と比較して、starccm+, software A, software Bを評価。
マッハディスク
ノズル
Flow
解析モデル
18
境界条件
Pressure outlet: 5 [kPa]
Back Flow
Temperature: 250.0 [K]
Turbulent Intensity : 0.1
Viscosity Ratio : 1.0
Total pressure inlet:
50, 100, 250, 500,1000 [kPa]
Total temperature: 522.15 [K]
Turbulent Intensity : 0.1
Viscosity Ratio : 1.0
軸対象モデル
Wall
流体物性: Air Ideal Gas
乱流モデル: SST k-w
Flow
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解析メッシュ
19
241,741 node, 120,150 elements
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Starccm+ / software A/ software B
定常・非定常解析 定常計算
乱流モデル RANS SST k-w
計算スキーム Coupled (近似リーマン解法)
流体 Ideal gas (air)
計算精度 乱流モデル:2nd-order
運動方程式、エネルギー方程式:MUSCL 3rd-order
勾配:2nd-order
計算手法
20Copyright © 2017 Chiyoda Corporation. All Rights Reserved.
starccm+, 他社software Aに加え他社software Bの計算も追加した
0
1
2
3
4
5
6
0 50 100 150 200 250
マッハディスク直径
Lm/D,software B
Lm/D,software A
Dm/D,StarCCM+
Dm/D con
解析結果 マッハディスク直径と位置
21
5.0
0 9.336.0
b
m
P
P
D
D5.0
065.0
b
m
P
P
D
L
マッハディスク直径と位置: 予測式との比較
0
2
4
6
8
10
12
0 50 100 150 200 250
マッハディスク距離
Lm/D,software B
Lm/D,software A
Lm/D,Starccm+
Lm/D
S. Crist et al, “Study of Highly Underexpanded Sonic Jet” AIAA Journal Vol. 4, No. 1, 1966
予測式
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T0/Tout T0/Tout
解析結果 マッハ数分布図 T0/Tout = 10
22
Lm/D~1.96Dm/D~0.56 Lm/D~1.98
Dm/D~0.38
Lm/D~1.96Dm/D~0.47
Software B StarCCM+
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Software A
解析結果 マッハ数分布図 T0/Tout = 20
23
Lm/D~2.79Dm/D~1.17
StarCCM+
Lm/D~2.84Dm/D~1.08
Lm/D~2.82Dm/D~1.1
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Software B
Software A
解析結果 マッハ数分布図 T0/Tout = 50
24
Lm/D~4.62Dm/D~2.16
StarCCM+
Lm/D~4.45Dm/D~2.33
Lm/D~4.46Dm/D~2.48
Copyright © 2017 Chiyoda Corporation. All Rights Reserved.
Software B
Software A
解析結果 マッハ数分布図 T0/Tout = 100
25
Lm/D~6.6Dm/D~3.2
StarCCM+
Lm/D~6.25Dm/D~3.45
Lm/D~6.26Dm/D~3.81
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Software B
Software A
解析結果 マッハ数分布図 T0/Tout = 200
26
Lm/D~9.32Dm/D~4.78
Lm/D~9.5Dm/D~5.6
Lm/D~9.85Dm/D~4.12
StarCCM+
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Software B
Software A
マッハ数が高い条件では、適切に計算できない可能性があることを確認した。
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超音速キャビティ
超音速キャビティ計算対象
28
• 主流マッハ数 M=2.0
• Outletは勾配ゼロ境界条件• Dを代表長さとしたレイノルズ数Re=105
D
2D
D
0.6D
4D
View A
D
2D
4D
D
Outlet
Wall
Wall
inlet
View A
*No-slip
*No-slip
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Li et al., ”Effects of shear-layer characteristic on the Feedback-loop
Mechanism in supersonic open cavity flows”, 49th AIAA, 2011超音速キャビティ解析対象論文
本検討で使用した解析条件
29
全圧力: 𝑃𝑡 = 782445 𝑃𝑎𝐴
平均流入速度: 𝑢0 =約662.576 [m/s]全温度: 𝑇𝑡 = 492.65 [K]
D
2D
4D
D
Outlet
Wall
Wall
inlet
流入条件
Zero-gradient
Flow
流体: Air (Ideal)
粘度:𝜇 =1.724 x 10-5 [Pa-s]
比熱:𝐶𝑝 =1004.4 [J/kg/s]
物性値
流出条件
D=0.002 [m]
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本検討で使用した解析メッシュ
30
メッシュ数:約480万メッシュ
y+:最大15
クーラン数: 平均1.0以下
瞬時場 y+分布図
メッシュは論文記載と同じにした
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計算手法
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Starccm+ , software B 論文オリジナルコード
定常・非定常解析 非定常計算 非定常計算
乱流モデル LES LES
流体 Ideal gas (air) Ideal gas (air)
計算スキーム Coupled (近似リーマン解法)
Segregated
詳細不明
計算精度 乱流モデル:2nd-order
運動方程式、エネルギー方程式:MUSCL 3rd-order
時間進行:2nd-order implicit
その他:2nd-order
Numerical flux: the simple
high-resolution upwind scheme
(SHUS)
粘性項:6th-order
時間進行:2nd-order implicit
その他:7th-order weighted
nonlinear compact scheme
時間刻み 1.0 x 10-7 [s]
(最大クーラン数1以下)詳細不明(最大クーラン数1.2)
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密度勾配分布図 (動画)
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dt=1.0 x 10-7
Starccm+
Segregated
密度勾配分布図
33
dt=1.0 x 10-7
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解析結果
34
RMS of Non-dimensional
Pressure Fluctuation Ratio
P1 P2 P1/P2
CFD Result,
Li et al. (2011)0.35 1.43 0.25
software B 0.04 0.37 0.11
starccm+,
segragated0.07 0.34 0.20
starccm+,
coupled0.02 0.23 0.08
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software B
software B
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まとめ
まとめ
36Copyright © 2017 Chiyoda Corporation. All Rights Reserved.
高流速流れを対象にした圧縮性を考慮したベンチマーク計算を実施した。
比較的マッハ数の低い条件は精度よく計算できることを確認した。
マッハ数が高い条件では、適切に計算できない可能性があることを確認した。
37
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