凍結ロータ法 — 水力タービンとフランシス水車への応用

フランシス水車やカプラン水車の初期設計でよく使われる。ステイベーン→ガイドベーン→ランナー→ドラフトチューブの4ドメイン構成で、ランナー前後にFrozen RotorまたはMixing Planeを設定する。

ドラフトチューブ内にはランナー出口の旋回残りによる渦ロープ（vortex rope）が発生する。これは非定常現象だからFrozen Rotorでは捉えられない。部分負荷での渦ロープによる圧力脈動評価にはSliding Meshが必須だ。

IEC 62006は水力タービンのCFD適用に関するガイドラインだ。メッシュ品質、乱流モデル、境界条件の推奨事項が記載されている。Frozen Rotorによる定常計算は効率のヒル図（hill chart）作成に広く使われている。

単位流量 $Q_{11}$ vs 単位回転数 $N_{11}$ の平面上に効率をコンター表示したものだ。

ガイドベーン開度、回転数、流量を変えて100点以上の運転点をCFDで計算し、効率マップを生成する。Frozen Rotorの高速性がここで活きるんだ。

そう。1点あたり数時間で済むFrozen Rotorなら並列で数日で完了するが、Sliding Meshだと1点に1日かかるから100点は非現実的だ。