Hydraulic Turbine CFD — トラブルシューティング
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タービンCFD解析 — 熱伝達予測の精度向上
熱伝達係数の不一致
CFDの翼面熱伝達係数が実験と合わないことが多いのですが…
翼面熱伝達予測はCFDで最も難しい項目の一つだ。典型的な不一致要因を整理しよう。
| 要因 | 影響 | 対策 |
|---|---|---|
| 乱流モデル | SSTで±15～25%の誤差 | Gamma-Theta遷移モデル追加 |
| y+の管理 | y+ > 2で熱伝達が過小 | y+ < 1を確保 |
| 入口乱流強度 | 燃焼器出口TI: 10～20% | 実験値を反映、デフォルト5%は過小 |
| フリーストリーム乱流減衰 | 翼前縁までにTIが減衰 | 乱流長さスケールも正しく設定 |
入口乱流強度が10～20%もあるんですか？
燃焼器出口では渦が残っているから、乱流強度が高い。これを5%で計算すると前縁付近の熱伝達が大幅に過小評価される。
後縁の熱伝達
後縁付近の熱伝達が特に合わないと聞きました。
後縁はウェイク領域と翼面の境界層が交差する複雑な流れ場だ。RANSでは後縁近傍の乱流構造を正確に再現できないことが多い。SASやSDESでこの領域の非定常渦を解像すると改善される。
CHT解析のTips
CHT（共役熱伝達）解析のコツを教えてください。
| Tips | 詳細 |
|---|---|
| 固体メッシュの整合 | 流体-固体界面で節点を一致させると精度向上 |
| 固体の熱伝導率 | Ni基超合金: 11～25 W/(m・K)、温度依存を考慮 |
| TBCの扱い | Thin Wall BCで薄い断熱コーティングを模擬 |
| 内部冷却通路 | 1D流れ網モデルで簡略化可能（CFXのBoundary Source Term） |
| 収束判定 | 翼面温度の変動が±1K以内で安定 |
Coffee Break よもやま話
キャビテーションの見逃し——水力タービンCFDの危険な誤診
水力タービンのCFD解析でキャビテーション予測が外れる最も多い原因は「蒸気圧の温度依存性の無視」だ。水温が10℃と20℃では蒸気圧が約2.3倍違い（1.2kPa vs 2.8kPa）、20℃の夏季に設計されたランナーが10℃の冬季に予期せぬキャビテーションを起こすことがある。また解析者が見逃しがちなのが「局所的な低圧ピーク」——平均的な圧力係数分布では問題なく見えても、翼前縁や吸い込み面のごく局所的な2〜3グリッド幅の領域でキャビテーション条件を超えているケースがある。メッシュ解像度の検討は必須だ。
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