CFD シミュレーションとモデリングの 13 の主要なアプリケーション

数値流体力学 (CFD) は、データ構造を使用して速度、密度、化学組成などの流体の流れの問題を解決する科学です。

この技術は、キャビテーション防止、航空宇宙工学、HVAC 工学、電子機器製造などの分野で使用されています。

以下は、現在使用されている最も一般的な CFD シミュレーションアプリケーションのリストです。

1.キャビテーション防止のための CFD シミュレーション

キャビテーションは、液体内での蒸気の泡の形成であり、物体 (プロペラなど) が液体の中を移動するときに発生します。キャビテーションは、プロペラ、ノズル、タービン、余水路、およびバルブに損傷を与える可能性があります。

キャビテーションは、幅広い工学分野に影響を与える重要な流体力学の問題です。

最大の問題は?

物理的ストレステスト中にキャビテーションによるコンポーネントの損傷を検出することは非常に困難です。これは、損傷が段階的であり、重大なしきい値に達するまで明白な影響を示さないためです。

たとえば、プロペラのキャビテーションによる損傷を測定する 1 つの方法は、振動と騒音を測定する器具を使用することです。しかし、ほとんどの機器は、この種の損傷を正確に測定できるほど感度が高くありません.

しかし、CFD によるキャビテーションシミュレーションは、エンジニアが物理的な世界では測定が難しい小さなしきい値を設定するのに役立ちます。プロジェクトの柔軟性、耐久性、安全性を向上させるために、非常に詳細なレベルで測定して代替製品と設計を比較できます。

2. CFD を使用した回転機械のシミュレーション

コンプレッサ、蒸気ポンプ、ガスタービン、ターボエキスパンダーなどの回転機械には、構造に作用する周期的な負荷という共通点が 1 つあります。

ラビリンスシールは、さまざまな回転タイプの機械で漏れの流れを減らすために使用されます。シールを通過するガスは、多くの場合、不安定なローター振動につながる推進力を生み出します。

ここで重要なことは、不安定性を生み出す動的ローター力を決定できることです。

ここでも繰り返しになりますが、継続的なプロトタイピングや物理的ストレステストに投資するのではなく、CFD シミュレーションを使用してさまざまな設計変数をテストし、回転機械の最も理想的な構造を見つけることができます。

3.層流および乱流の CFD シミュレーション

乱流とは、空気、水、またはその他の液体の突然の激しい動きです。これは、パイロットが直面する最も悲惨で予測不可能な気象現象の 1 つです。実際、極端な乱気流により、航空会社のパイロットは飛行機を制御できなくなり、乗客に重傷を負わせることさえあります.

CFD シミュレーションでは、乱流モデルを使用して、CAD で設計された設計に対する乱流の影響を予測します。

乱流をシミュレートするための最も一般的なモデルの 1 つは、ANSYS の Generalized k-omega (GEKO) です。 GEKO は、ユーザーがモデルのキャリブレーションを維持しながらシミュレーションの個々のパラメーターを調整できるようにすることで、乱流モデルをさまざまなアプリケーションに合わせて調整するのに役立ちます

4.暖房、空調、換気 (HVAC) への CFD シミュレーションの適用

私たちの日常生活では見過ごされがちですが、家庭やオフィスに空気を送り込んで調整する HVAC システムには、綿密なエンジニアリングと計画が必要です。

空間の空気を効果的に調整し、室内の空気の流れを維持し、高い室内空気品質 (IAQ) を確保するために、HVAC 製品は流体力学の物理学を利用する必要があります。

通常、HVAC ディフューザー、エアハンドリングユニット、および FTU を作成するには、空気を効果的に循環させて調整し、IAQ 基準を満たしていることを確認するための厳格なテストが必要です。

そのため、多くの HVAC 機器メーカーは、CFD シミュレーションを使用して、プロトタイプの作成と新しい設計の検証を高速化しています。 CFD シミュレーションにより、エンジニアはさまざまなスペースやさまざまな構成で製品の潜在的なパフォーマンスを分析できます。

5. CFD によるバッテリーシミュレーション

額面通り、バッテリー設計プロセスは航空宇宙や HVAC 設計などとほとんど共通点がないように思われます — 製品のコア機能において気流が重要な (そして明らかな) 役割を果たします。

しかし、バッテリーの設計は、化学、電気、熱、流体工学など、いくつかの工学的実践を必要とする学際的なプロセスです。そのため、CFD シミュレーションは、バッテリーの性能と安全性を最適化する上で重要な役割を果たすことができます (物理的なテストにかかる時間とリソースを節約しながら)。

Simulia のような CFD ソフトウェアは、バッテリーメーカーが 3D で視覚化し、バッテリーの寿命だけでなく消費者の安全にも影響を与える急速な放電、過度の周囲加熱、過充電に関連する問題を解決するのに役立ちます。

6. CFD による空気力学のシミュレーション

空気力学は、物体 (航空機や自動車など) の周りの空気の流れを研究するものです。

これはおそらく最もよく知られている CFD のアプリケーションです。自動車設計者、航空宇宙エンジニア、スポーツ用品メーカーはすべて、シミュレーションソフトウェアを使用して空気の抗力と摩擦を減らし、製品の効率を向上させています。

多くの物理プロトタイプに投資せずに空力製品を設計できるだけでなく、シミュレーションを使用すると、エンジニアは設計に非常に小さな変更を加えてパフォーマンスを最大化することを、生産に移る前に数十回または数百回テストすることができます。

7. CFD での伝熱および熱管理シミュレーション

伝熱と熱管理は、固体流体設計 (高温の液体を移送するパイプなど) を介して熱がどのように移動するかを測定する分野であり、熱伝導、対流、または放射の原理を使用して設計を最適化する方法です。

熱管理は、適度な熱や冷たさを必要とする設計の構造的完全性と安全性を確保するために不可欠です。また、熱や燃焼を電力に使用する設計の性能と効率を最適化するためにも使用できます。

ほとんどのプロフェッショナル CAD ソフトウェアパッケージ (SolidWorks など) は、伝熱モデルのシミュレーションをネイティブでサポートしています。

CFD シミュレーションは、自動車のエンジン設計からコーヒーマシンの設計まで、あらゆる分野で熱伝達を最適化するために使用されます。また、このリストに記載されているその他の無数のシミュレーションタイプ (HVAC など) にとっても重要です。熱伝達は、製品のコア機能の不可欠なコンポーネントです。

8. CFD によるパイプとバルブのシミュレーション

流体の流れは、パイプやバルブに大きな圧力をかける可能性があり、適切に考慮されていないと、重大な変形や故障につながる可能性があります。

そのため、石油精製所、天然ガスパイプライン、および住宅の配管はすべて、安全性を確保し、高価な機器の長期的な損傷を防ぐために、流体の流れを最適化する必要があります。

CFD シミュレーションが登場する前は、この種の最適化には試行錯誤が必要でした。配管システムは最善の推測で構築され、失敗後に改良または修正されました。

CFD シミュレーションを使用すると、エンジニアはパイプのシステム全体のパフォーマンスをモデル化するか、単一のコンポーネント (バルブなど) を分離して故障の可能性を減らすことができます。 CFD シミュレーションを使用して老朽化したインフラストラクチャの障害を事後調査することもでき、エンジニアは何が起こったのかをより正確に把握できます。

9. CFD による電子機器冷却のシミュレーション

現在使用されているすべての電子機器には、何らかの形の熱管理が必要です (ヒートシンク、通気孔、ファン、熱コンポーネント、またはそれらの組み合わせのいずれであっても)。これは、GPU や CPU などのチップが過熱して誤動作し始めるためです。これらのコンポーネントは、パフォーマンスを維持するために比較的低温に保つ必要があります (通常は 85°C 未満)。

大規模なシミュレーションやテストがなければ、電子機器メーカーは、過熱のために故障した製品 (電話、おもちゃ、コンピュータチップなど) を頻繁に市場に投入していました。

CFD シミュレーションを使用して、コンポーネント (ヒートシンク、ファンなど) の最も理想的な配置をテストおよび整理し、敏感なチップが過熱しないようにすることができます。

10.ターボ機械 CFD シミュレーション

ターボ機械は、ローターから流体 (コンプレッサーやタービンなど) にエネルギーを伝える機械を表す機械工学の概念です。

航空機のジェットエンジンは、排気ガスから推力を生み出すガスタービンであるため、ターボ機械の一般的な例です。

CFD ソフトウェアは、前処理、モデリング、メッシングから後処理に至るまで、ターボ機械の設計と最適化に広く使用されています。

11.高レオロジー材料 CFD シミュレーション

高レオロジー材料は、力や応力がかかると液体として振る舞うことができる固体です。そのような資料の例は次のとおりです:

プラスチック
ポリマー
グラス
金属
セメント

ブロー成形、熱成形、押し出しなどの技術を使用することで、メーカーはこれらの固体を最終製品に形作ることができます。

CFD シミュレーションを適用することで、メーカーはエネルギーと原材料の需要を最小限に抑えながら、レオロジー材料の設計プロセスを加速できます。製造用金型の形状を変更し、余分な材料を削減し、レオロジー設計のプロトタイプを迅速に作成することで、コスト削減を特定できます。

12. CFD による反応流と燃焼のシミュレーション

化学的に反応する流動流体 (たとえば、燃焼エンジンの場合) は、シミュレーションでは「反応流」と呼ばれます。

これらのタイプの流れは、エンジニアにとって難しい物理的問題を表しています。

化学ベンチスケール (ミリメートル) で反応流体の挙動を予測することは 1 つのことですが、乱流を考慮しながら溶液レベル (立方リットル) で予測することは非常に困難です。

それでも、それは重要な問題です。

反応する流れの基礎となる化学と物理を理解できることは、自動車、航空宇宙、およびエネルギー分野でのエネルギー効率の向上、燃料の柔軟性、および排出量の削減において極めて重要です。

これは、CFD シミュレーションが得意とする分野です。反応する流れのような複雑なマルチフィジックスの問題を処理できます。高価な物理テストを必要とせずに、手動で計算することはほぼ不可能な製品に関する洞察を製造業者に提供します。

13. CFD シミュレーションによる非圧縮性および圧縮性流れ

(出典:SimScale)

圧縮性流れとは、密度が一定でない流体の流れを指します。

言い換えれば、圧力変化によって密度が圧縮または減圧される酸素のような流体には、圧縮性の流れがあります。

非圧縮性流れとは、圧力に関係なく密度変化が無視できる流体を指します。

パイプを流れる水は、圧力がその密度に与える影響が非常に小さいため、非圧縮性の流れになります。

どちらのタイプのフローも、メーカーとエンジニアに固有の課題をもたらします。たとえば、空気力学に取り組んでいるエンジニアは、酸素の圧縮率 (さまざまな速度で移動する物体) を分析で考慮する必要があります。逆に、非圧縮性流体を扱う業界では、計算の際に激しく強力で混沌とした乱流を考慮に入れる必要があります。

また、航空宇宙の場合 (両方のタイプの計算を 1 つの分析に組み合わせる必要がある場合があります)、テストと計画は非常に複雑になる可能性があります。

これが、現在の多くの製造業者にとって CFD シミュレーションが絶対に必要な理由です。 SimScale のようなソフトウェアを使用すると、エンジニアは異なる流体に固有の特性を割り当てることで、1 回のシミュレーションで非圧縮性および圧縮性の流れを解析できます。

まとめ

シミュレーションが登場する前は、世界の実際の物理問題の多くは、費用のかかる (そして時間のかかる) 物理テストによって解決されていました。製品が厳格なテストを事前に行っていなかった企業は、製品の不具合やリコール (および評判の低下) により、長期的にはかなりの損害を被りました。

しかし、シミュレーションモデリングの出現により、あらゆる業界のエンジニアや設計者が、事実上あらゆる条件で製品をテストするための安価な方法にアクセスできるようになりました。

特に、数値流体力学により、エンジニアは、流体の流れ、乱流、および熱伝達が重要な計算である製品の設計をテストおよび改善できます。

しかし、テストは方程式の一部にすぎません。

CAD 設計を迅速かつ効率的に更新して、CFD 解析によって指摘された問題を修正できるようにすることは、設計者にとって依然として問題となっています。

さまざまな業界でシミュレーションを大規模に採用できるようにするには、シミュレーションアプリケーションをより使いやすくする必要があります。

CAD とシミュレーションを扱うデザイナーまたはエンジニアであれば、シミュレーションの出力に基づいて製品を再設計するために必要な作業量を熟知しています。ほとんどの CFD ソフトウェアは、CAD モデルを更新しません。代わりに、モデルを最適化するために必要な変形を示す「ベクトルフィールド」が提供されます。その場合、設計を手動で変更するのは設計者の責任です。

この手動の再設計プロセスは、Spatial の BRep モーフィングツールセットを使用して自動化できます。ベクトル変形フィールド (前後のポイントのセット) を指定すると、このツールセットを使用すると、任意の BRep ジオメトリを自動的にモーフィングできます。したがって、エンジニアはシミュレーション結果を簡単に設計に反映させることができます。