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流体計算の基本 / バックステップ流れ

剥離と再付着を伴う流れは、原子炉・ガスタービン・電子機器・電熱装置等多くの装置で認められ、それらの性能をしばしば左右する流れ現象である。バックステップ流れは、剥離と再付着を同時に実現する最も基本的な流れである。
バックステップ流れの概略図を図1に示す。ステップの位置における流入境界部には放物状に分布する流入速度が描かれている。流れは流入部より十分発達した壁乱流が入り、 バックステップを通過して剥離を起こし、床面に再付着した後に発達して流出部に至る。
このようなステップ流れは、再付着長さXrがレイノルズ数Re=UL/νに依存するため、数値計算の動作確認には優れたテスト・ケースとして多用されている。 今回の計算領域のサイズはステップ高さhを基準として、流入部流路幅をh(すなわち拡大率は2.0となる)、ステップより流出部までの距離を30h、スパン方向距離をhにそれぞれ設定した 。

図1・バックステップ流れ解析モデルの構成

図1・バックステップ流れ解析モデルの構成

レイノルズ数をRe=200,400,600,800と順次変化させて数値シミュレーション解析を行った結果を図2に示す。この図では、領域内の流速の分 布をカラーで表示した。濃い青はほぼ静止状態であり、赤くなるほど流速が強くなる。流入口から流入する部分で特に流速が強くなる事がわかる他、レイノルズ 数が高くなるにつれて、再付着距離Xrが伸びていく傾向が再現されている。

図2・数値シミュレーションの解析結果例(Re=200,400,600,800)

Re=200

Re=200

Re=500

Re=500

Re=600

Re=600

Re=800

Re=800

 

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