双方向噴霧モデルの使用 ～Eulerian-Lagrangian Spray Atomizationモデル～
皆さま、こんにちは。
IDAJの水島です。
今回は、オートノマスメッシング熱流体解析プログラム「CONVERGE」の開発元である、Convergent Scienceが公開しているBLOGの内容を翻訳してご紹介します。
CONVERGEで液体燃料噴射などの噴霧の現象をモデル化する場合、連続流体領域にはオイラー法を、噴霧パーセルにはラグランジュ法を使用するのが標準的です。
CONVERGEは、オイラー法では流体を連続体として扱いますが、ラグランジュ法では、離散噴霧パーセルをトラッキングします。ラグランジュ法の粒子トラッキングは、噴霧の物理現象の表現に対してオイラー法ほど細密なメッシュが必要としないため効率的な数値計算が可能です。
噴霧モデルの用途の一つが、米国サンディア国立研究所の Engine Combustion Network（ECN）ワーキンググループが公開している噴霧A条件でのインジェクタ内の液体燃料噴射のシミュレーションです。
エンジニアは、ノズルの流体の流れの動態を捉えたいと考えていますが、このようなシミュレーションでは計算コストが非常に高くなる可能性があります。
実はCONVERGEには、Volume of Fluid（VOF）-噴霧1方向連成という計算方法があります。この方法は、ノズル内の液体燃料をモデル化するVOFシミュレーションと、VOFシミュレーションのノズル出口の情報で噴霧を初期化する噴霧シミュレーションの2つのステップで構成されています。
この方法が適切な状況もありますが、周囲の流れの状態や出口チャンバー内の液滴の動きが、ノズル内の流体の流れにどのように影響するかを捉えることはできません。
インジェクタと出口チャンバー
インジェクタの拡大図
ここで別のモデルの登場です。CONVERGEには、双方向連成による周囲の状態と液滴運動の下流への影響を計算するための高精度なEulerian-Lagrangian Spray Atomization（ELSA）モデルがあります。
シミュレーションの手順を簡単にご説明します。
まず、あらかじめ実証されたVOFモデルを利用して、サック内とノズル内の液体燃料の動きを正確に表します。ELSAは出口チャンバー内の液体をトラッキングし、液体が十分に希釈されると、オイラー噴霧をラグランジュパーセルに移行させます。
他のラグランジュ噴霧シミュレーションと同様に、CONVERGEの物理モデルを衝突、分裂、蒸発に適用します。
ECNの噴霧A条件のインジェクタを例に考えてみましょう。
図1・2で示した形状はインジェクタと出口チャンバーで構成され、燃料と周囲条件はECNデータベースの通りです。
図3は、ノズルと出口チャンバーの界面のメッシュで、最小セルの幅は10ミクロンです。図4・5は、液体のペネトレーションと噴射の噴霧形状を示しています。
ELSAモデルは噴射プロセスの物理現象を捉え、実験データとよく一致しています。
噴霧の物理現象に対して厳密な解像度が必要な場合は、ぜひ、CONVERGEのELSAモデルをお試しください。
インジェクターのメッシュ
液体のペネトレーションに対するシミュレーションと実験の比較
噴霧形状
出典：CONVERGENT SCIENCE BLOG（2017年8月31日公開）
A BIDIRECTIONAL SPRAY MODELING APPROACH: EULERIAN-LAGRANGIAN SPRAY ATOMIZATION IN CONVERGE 2.4
主任研究員 Julian Toumey
CONVERGEをご存じでない皆様、是非こちらをご視聴ください。CONVERGEの概要について9分で確認いただけます。
CONVEREGEの適用についてご不明な点がございましたら、お気軽に弊社までお問い合わせください。
■オンラインセミナー（無料）のご紹介
「CONVERGE」ご紹介セミナー ～3次元流体解析の新たな可能性を～
オートノマスメッシング熱流体解析プログラムCONVERGEは、2008年の販売を開始以来、エンジン筒内の3次元解析をメインターゲットに、世界中で広くご活用いただいています。
普段CONVERGEをご利用いただいていないモデルベース開発を統括・推進されていらっしゃる開発責任者・管理職・シニアエンジニアの皆様、これからCONVERGEのご導入をご検討される方、IDAJにコンサルティング業務の依頼を検討される方に、CONVERGEがどういう場面でお役立ていただけるかをわかりやすくご紹介しています。
セミナーの詳細・お申し込みはこちら
■オンラインでの技術相談、お打合せ、技術サポートなどを承っています。
本件ならびに本記事で登場する製品やサービスに関しては、下記までお気軽にお問い合わせください。ご連絡をお待ちしています。
株式会社 IDAJ 営業部
Webからのお問い合わせはこちら
E-mail：info@idaj.co.jp
TEL： 045-683-1990