熱流体解析ソフトウェア（CFD）の選定要件

　開発に必要な解析項目を検討し、ソフトウェアに求める以下の要件を決定した。その後、独自にベンチマークを作成し、その結果を参考として選定を行った。

＜要件＞

1）サーモサイフォン内の気液2相流解析

解析概要：液体の蒸発→蒸発気体の移動→蒸発気体の凝縮→凝縮した液体の流動
期待する解析結果：熱抵抗、蒸発気体・凝縮した液体の流れの様相、各部の圧力

2）熱交換器の性能解析

解析概要：高温流体と低温流体の流路が交差する部分の解析
期待する解析結果：熱伝達効率の算出、流れの様相（乱れ具合）

　選定においては、いくつかのソフトウェアベンダーに相談やベンチマークを依頼しソフトウェアの仕様を固め、最終的にはソフトウェアクレイドルのSCRYU/Tetraの採用が決まった。採用決定から正式導入の間は、SCRYU/Tetraの試用版の提供を受けた。分かりやすいマニュアルと使い勝手の良さで基本的な操作方法を習得することができ、限られた開発期間を有効に利用することができた。正式導入直後にはクレイドルが実施しているSCRYU/Tetraの熱流体解析セミナーに参加。これにより、SCRYU/Tetraのベーシックな部分の知識は十分に得ることができた。

研究開発センター 専門研究員 須貝 裕之氏


研究開発センター 主任研究員 村木 智彦氏

SCRYU/Tetraによる熱流体解析の実例

　その後、現在に至るまで、CAE研究室では数多くの熱流体解析の依頼を受けてきた。

＜ロックビットのノズル部の流体解析／株式会社ティクスTSK＞

　ロックビットは、石油・天然ガス等の地下資源や地熱井等を開発する際の掘削作業において、地層や岩石を破壊し土中を掘り進む機械であり、高温・高圧の過酷な環境における耐久性が要求される。ビットは、掘削部の冷却と掘削した土砂の排出をかねて水を噴射させるノズルを備えているが、流れる水には砂粒などが混ざっているため、ノズルの形状によっては長期間の砂粒の衝突により異常摩耗が発生することがある。そこでCFDにより、内部の流れや砂粒の軌跡を調べて対策を検討した。

　解析においては砂粒を粒子に見立て、その軌跡とノズル壁面での衝突を計算する解析モデルを構築。その解析モデルで計算した結果、粒子の衝突が多発した場所と実機で異常摩耗が強く発生している場所に相関関係が見られた。経験的に異常摩耗が発生しづらいノズル形状をCFDで計算してみることにより、具体的な設計指針を得ることができた。

＜ウェットブラスト用排気サイクロン分離性能向上／マコー株式会社＞

　ウェットブラスト装置は、水と研磨材の混合液を圧縮空気により被加工物に噴射し加工するもので、硬質皮膜の表面加工やバリ取り、精密な表面の加工や創生を行うことができる。処理室内の空気を排出する際には、排気中に混入した水滴や研磨剤をサイクロンセパレーターにより分離している。この研究では、サイクロンセパレーターのさらなる小型化と分離性能の向上の可能性をCFDで検討した。

　具体的には、CFD上でサイクロンセパレーターを模擬できる解析モデルの構築と、構築したモデルをもとにして各部の形状や排気風量、吸気に混入した粒子の粒子径を変化させたときの分離能力等を調べ、より高性能な装置開発にチャレンジした。結果として、サイクロン円筒部と吸入口の形状変更により、既存機を上回る分離能力を得ることができた。

＜太陽光発電システムにおよぼす風荷重と低減方法の研究／株式会社サカタ製作所＞

　折板屋根（金属屋根の一種で、工場、倉庫、体育館など大規模構造物の屋根として使用されることが多い）を持つ建屋に設置された太陽光パネルに作用する風荷重の調査と低減を目的に、CFDと縮小模型による風洞実験の組み合わせで詳細な検討を行った。

　CFDにより、折板屋根上に取り付けられた太陽光パネルに作用する風荷重の大きさと発生原因を明らかにすることができた。また新潟工科大学の協力により実施した風洞実験の測定結果をCFDの計算結果と比較したところ、ほぼ同じ値が得られた。これにより、CFDの精度を確認することができた。

使いやすさと高精度なシミュレーションに満足

　SCRYU/Tetra以外にも様々なソフトウェアにより20年近く解析を行ってきた須貝氏の率直な評価については以下の通りだ。

＜素早いレスポンス＞

解析ソフトウェアを使用する際にこれまで様々なベンダーのサポートを受けてきたが、ソフトウェアクレイドルの対応は素晴らしいという。「例えば、サポートにメールで問い合わせれば、その日中には何らかの回答がいただけます。またソフトウェアを自社開発しているため、機能拡張に迅速・柔軟に対応していただけるので、ソフトウェアの標準機能では対応できない解析を行うことが多い我々にとって大きなメリットです」（須貝氏）。

＜分かりやすいインターフェース＞

「チュートリアルが分かりやすく、その通りにやってみたら使いこなせた」と語るのは同研究所、主任研究員の村木氏。GUIも優れたポイントだという。「熱流体解析について多少の知識があれば、すぐに使いこなせる」と語る村木氏は、ソフトウェアクレイドル社ウェブサイトのコラムを読むことで、新たな使い方の発見もあるという。

＜高精度な解析結果＞

　あるとき、企業から「融雪配管の流量分布の計算」を依頼された。実はこの解析対象は実際の装置で流量を測定済みであった。企業側ではCFDによる開発に期待する一方、「シミュレーションで計算したらどんな結果が得られるか」という検証の側面もあった。そこで解析を行ったところ、実際の装置をほぼ同じ結果が得られた。「企業ではCFDにより高精度の計算結果が得られると分かり、実機の試作は最終確認以外不要と実感したとのこと。CAEで高精度な計算結果が出せる環境があれば、費用や時間に制約の多い実際の開発現場の方ほど、その有効性を実感できるのではないでしょうか。弊所のお客様にリピーターが多いのもそのような理由からだと思います。」（須貝氏）。

CAE研究室でのSCRYU/Tetraの運用シーン

scFLOWへの移行を含む今後の展開

　CAE研究室では、SCRYU/TetraからscFLOWへの切り替えも視野に入れている。

「scFLOWはSCRYU/Tetraよりも少ない手数で解析を速く終わらせることができ、細かい設定をしなくても容易に収束すると伺っています。現在行っている解析の途中で変えるわけにはいきません。従って、精度検証を行いながら徐々に移行を検討したいと考えています」（須貝氏）。

　公設試験研究機関は各都道府県に設置されているが、すべての機関にCAE研究室のような組織があるわけではない。一方、モノづくりの世界においては開発のさらなる迅速・高度・効率化が要求され、これを実現するためにCAEはますます重要になってゆくと考えられる。従って、企業を支援する公設試験研究機関への導入も増加するであろう。しかし、導入に関しては公的な組織であるため競争入札となることが多く、数値で表しにくい技術サポートの優劣などを選定の要件とすることは難しい。「サポートの対応がすばらしいのは十分理解しておりますので、価格競争力の向上にも期待しております。また、現在はCAEに携わる人材育成に力を入れていきながら、熱流体解析の利用範囲を拡大できないか模索しています。幸いにも、当研究所の化学系職員で熱流体解析に興味がある者がおりますので、育成できればと考えています」（須貝氏）。