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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
2017.07.07Page 2 Siemens PLM Software
本資料は、プレゼンテーション資料の抜粋版です。
大変お手数をお掛けいたしますが、
全ページをご覧になりたい方は、以下の担当者にお問い合わせください。
サポート受付 [email protected]
Unrestricted © Siemens AG 2017
2017.07.07Page 3 Siemens PLM Software
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
Unrestricted © Siemens AG 2017
2017.07.07Page 4 Siemens PLM Software
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!
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2017.07.07Page 5 Siemens PLM Software
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
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2017.07.07Page 6 Siemens PLM Software
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
求められる機能
パラメトリックなモデル化
フレキシブルで堅牢なメッシュ
Unrestricted © Siemens AG 2017
2017.07.07Page 7 Siemens PLM Software
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
求められる機能
パラメトリックなモデル化
様々な物理現象への対応
フレキシブルで堅牢なメッシュ
Unrestricted © Siemens AG 2017
2017.07.07Page 8 Siemens PLM Software
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
求められる機能
パラメトリックなモデル化
スピード、パフォーマンス
様々な物理現象への対応
フレキシブルで堅牢なメッシュ
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)
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2017.07.07Page 9 Siemens PLM Software
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
求められる機能
パラメトリックなモデル化
スピード、パフォーマンス
様々な物理現象への対応
フレキシブルで堅牢なメッシュ
多様なデータ解析機能
Unrestricted © Siemens AG 2017
2017.07.07Page 10 Siemens PLM Software
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
求められる機能
パラメトリックなモデル化
作業フローの自動化
スピード、パフォーマンス
様々な物理現象への対応
フレキシブルで堅牢なメッシュ
多様なデータ解析機能
CAD Solution AnalysisMesh
R1
R2
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2017.07.07Page 11 Siemens PLM Software
STAR-CCM+
• STAR-CCM+に組み込み済
• HEEDSの設計探査技術を活用
Key Requirements
求められる機能
パラメトリックなモデル化
作業フローの自動化
高度な設計探査
スピード、パフォーマンス
様々な物理現象への対応
フレキシブルで堅牢なメッシュ
多様なデータ解析機能
Design Exploration of Industrial Burner
Varying injector locations and angles to minimize emissions
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2017.07.07Page 12 Siemens PLM Software
• 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
パラメトリックなモデル化
作業フローの自動化
高度な設計探査
スピード、パフォーマンス
様々な物理現象への対応
フレキシブルで堅牢なメッシュ
多様なデータ解析機能
Unrestricted © Siemens AG 2017
2017.07.07Page 13 Siemens PLM Software
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
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2017.07.07Page 14 Siemens PLM Software
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
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2017.07.07Page 15 Siemens PLM Software
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
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2017.07.07Page 16 Siemens PLM Software
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
Unrestricted © Siemens AG 2017
2017.07.07Page 17 Siemens PLM Software
Flamelet – Future
フレームレットモデル –最近の機能強化項目
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
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2017.07.07Page 18 Siemens PLM Software
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
Unrestricted © Siemens AG 2017
2017.07.07Page 19 Siemens PLM Software
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
Unrestricted © Siemens AG 2017
2017.07.07Page 20 Siemens PLM Software
Multiphase Reactions – Future
混相流の反応 –最近の機能強化項目
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)
Unrestricted © Siemens AG 2017
2017.07.07Page 21 Siemens PLM Software
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
Unrestricted © Siemens AG 2017
2017.07.07Page 22 Siemens PLM Software
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