ADINA FSIを使用して連続的に移動する狭い隙間を通る流体の流れ

2020.03.15 Fluid flow through continuously moving narrow gaps using ADINA FSI

ADINA FSIを使用して連続的に移動する狭い隙間を通る流体の流れ

タービン、コンプレッサー、ピストン、ギアポンプなどの回転や往復動機械には狭い隙間が存在します。 狭い隙間からの作動流体の漏れは可動部品間の潤滑を促し、これらの狭い隙間は頻繁に動いているため、これらの狭い隙間は時々機械の動作には不可欠です。

物理的な問題には見られませんが、狭い隙間も計算流体モデルで使用できます。 これは、固体同士の接触があるモデルで発生します。 たとえば、図1に示すリードバルブを考えてみましょう。リードバルブは、流れを単一の方向に制限し、各面の圧力を変化させて開閉するチェックバルブの一種です。 リードバルブが開いているとき、流体は入口ポートから上部チャンバーに流れます。 リードバルブが閉じているとき、リードバルブと入口ポートシートの間の固体同士の接触により流れが妨げられます。

(a) リードバルブが開いています。 流体は入口ポートから上部チャンバーに流れます。
(b) リードバルブが閉じています。 流体の流れはありません。

図1:リードバルブを通る流体の流れ

リードバルブの解析では、「ピストンの吸気リード弁の例」を参照してください。リードバルブが開いている場合、流体要素はリードバルブの下でメッシュ化する必要があります(図1aを参照)。 リードバルブが閉じられると、流体要素は圧縮されますが、流体の調合には解析全体に正の要素体積が必要であるため、流体要素をゼロ体積に圧縮することはできません。 その結果、リードバルブが閉じられたとき、物理モデルには存在しない狭い隙間が流体モデルにあります(図1bを参照)。 リードバルブの応答を正確にシミュレートするには、バルブが閉じているときにこの狭い隙間(GAP)を通る流体の流れを停止する必要があります。

他の問題では、例えばスクロール圧縮機で狭いギャップが連続的に移動します。 スクロールコンプレッサーは、エアコン、ヒートポンプ、商用冷蔵庫、および自動車の過給機で空気または冷媒を圧縮するために使用されます。 スクロールコンプレッサーには、固定スクロールと偏心軌道スクロールの2つのインターリーブスクロールがあります。 図2に示すように、2番目のスクロール軌道が回転すると、インターリーブスクロール間のガスのポケットが圧縮され、スクロールコンプレッサーの中心に向かって送られます。

図2:流体を圧縮するためのスクロール圧縮機の軌道運動(再生するにはビデオをクリックしてください)

スクロールコンプレッサーのモデリングは、解析が進むにつれてスクロール間の接触点の狭いギャップが連続的に移動するため、収束が困難です(図2を参照)。 流体要素は、接触点でゼロ体積に圧縮することはできません。 実際のスクロール圧縮機では、スクロール間の接触点での漏れは、チップシールを使用して防止されるか、スクロール圧縮機に「摩耗」設計を組み込むことで最小限に抑えられる小さな漏れを許容します。 したがって、流体モデルは、連続的に移動する接触点で狭い隙間からの漏れを止めるか、指定された速度に漏れを制御する必要があります。 流体モデルに実際に見られるよりも多くの漏れがある場合、圧力はスクロール圧縮機内で蓄積せず、モデルは正確な結果になりません。

連続的に移動する狭い隙間の問題をモデル化する際のもう一つの課題は、大きなメッシュの変位に対処することです。 これらの問題では、解析が進むにつれて流体領域が大幅に変化することが多く、流体メッシュはすべてのソリューション時間で有効なままでなければなりません。 有効な流体メッシュは、すべてが正の体積を持ち、大きな歪みのない要素を持つものと見なされます。

このショーケースでは、ADINA FSIを使用して時間内に連続的に移動する狭い隙間(ギャップ)を通る流体の流れを制御する方法について説明します。 ADINA FSIを使用して蠕動ポンプを解析することで紹介しています。

蠕動ポンプ

蠕動ポンプは容積式ポンプの一種です。 液体は、ポンプケーシング内に取り付けられたフレキシブルチューブ内に含まれています。 蠕動運動と呼ばれるポンプの原理は、チューブの交互の圧縮と弛緩に基づいています。 回転シューがチューブの長さに沿って外側を通過し、ポンプの吸込側と吐出側の間を一時的にシールします。 ポンプのローターがシューを回すと、この密閉動作がチューブまたはホースに沿って移動し、液体を入口から排出方向に強制的に移動させます。 圧力が解放されると、チューブが回復し、真空が生成され、ポンプの吸引側に製品が引き込まれます。 このポンピングプロセスを図3に示します。

図3:蠕動ポンプの排気プロセス(再生するにはビデオをクリックしてください)

ポンプチューブ以外は流体に触れないため、蠕動ポンプは、流体が汚染されない用途、または危険で研磨性のある化学物質の圧送に使用されます。 一般的な用途には、食品製造業界でのポンプ輸送(飲料の調剤)、化学処理、医薬品生産、廃水および水処理のポンプ輸送、および生物医学産業および医療分野でのポンプ輸送が含まれます。 たとえば、バイパス手術中に血液を循環させるために、人工心肺で使用されます。

ADINA FSIを使用した蠕動ポンプのモデリング

図4は、ADINA FSIを使用してモデル化された蠕動ポンプの流体構造相互作用モデルの概略図を示しています。

図4:ADINA FSIを使用してモデル化された蠕動ポンプの概略図

ソリッドモデルでは、27節点の3Dソリッド要素とeight-chainのゴム材料モデルを使用してゴム管がモデル化されます。ゴムチューブとローラーの間、ゴムチューブとポンプハウジングの間、およびゴムチューブの内面での自己接触がモデル化されています。チューブの内面には小さな接触オフセットが適用されるため、チューブ内に含まれる流体要素はゼロ体積に圧縮されません。接触オフセットは狭いギャップの厚さを決定し、固体または流体メッシュを変更せずに簡単に調整できます。

最初のサイクルでは、2つのローラーに所定の変位が適用され、ローラーが正しいポンプの配置になります(図5のアニメーションを参照)。その後、2つのローラーが動作速度で平行移動せずに回転します(本ページトップのアニメーションを参照)。前述のように、ローラーはゴムチューブを連続的に絞って、流体を入口から出口に送り出します。

図5:最初のポンプサイクルの結果のアニメーション

流体モデルでは、流体は4節点の3D流体要素を使用してモデル化されます。構造モデルと流体モデルの両方が、ローラーの回転に伴って大きな変形を受けます。図6を参照してください。

(a)構造メッシュ変形のアニメーション
(b) 流体メッシュ変形のアニメーション

図6:構造メッシュと流体メッシュのメッシュ変形のアニメーション

流体要素は、ローラーの位置に応じて、円形断面から狭い隙間まで大きく変形します。 Steered Adaptive Meshing(SAM)を使用して流体領域で良好な要素品質を維持し、conditional loadingを使用して狭い隙間からの漏れを制御します。

Steered Adaptive Meshing(SAM)

以下のショーケースは、CFDおよびFSIソリューション向けにADINAでサポートされている強力なSteered Adaptive Meshing(SAM)機能を示しています。

蠕動ポンプモデルでは、SAMが自動モードで使用され、ローラーの回転時にメッシュが自動的に修復されます。ユーザーは、SAMが使用する基準として優先要素サイズを指定します。 SAMは、完全縮小中に流体領域を自動的に再メッシュして、良好な要素品質を維持します。図7は、SAMによる自動再メッシュを示しています。

図7:SAMによる自動再メッシュのアニメーション

Conditional Loading

蠕動ポンプモデルでは、境界距離条件のdiffusion loadingが流体に適用され、固体同士の接触による流れの停止がモデル化されます。

diffusion loadingにより、元の入力流体の粘度に追加の粘度が追加されます。追加される粘度の量は、2つの外部ソリッド境界間の距離dに依存します。 d?dclosedの場合、荷重は要素に完全に適用され、d> dopenの場合、荷重は適用されません。 dclosed <d< dopenの場合、負荷は直線的に減少します。ここでdopenとdclosedはユーザーが指定します。 ADINA FSIは、すべての解析時間ですべての流体要素の距離dを自動的に計算します。この距離は、たとえば流体と構造の連成モデルのように、ソリューションが進むにつれて変化する可能性があります。外部の固体境界の間には、複数の流体要素を使用できます。

図8は、境界距離条件でのdiffusion loadingによって狭いギャップに自動的に追加される追加の粘度を示し、図9は速度場を示しています。これらの図は、追加された粘度が狭いギャップを通る流れを止めることを示しています。狭い隙間から漏れが必要な場合は、粘度を低くする必要があります。

図8:境界距離条件でのdiffusion loadingによって追加される追加の粘度
図9:蠕動ポンプの速度場

結論

このショーケースでは、ADINA FSIを使用して狭い隙間を通る流体の流れを制御する方法を示します。 ADINA FSIで提供される機能を使用して、固体同士の接触による流れの停止に関するさまざまな問題を正確にモデリングしたり、不完全な固体同士の接触による流れの漏れをモデリングしたりできます。 ADINA FSIの特に強力でユニークなソリューション機能は、時間内に連続的に移動する狭いギャップを通る流体の流れを制御する機能です。

ADINAはまた、潤滑油薄膜の流れをモデル化するために、特別な目的のレイノルズ流体要素を提供しています。これらの流体要素は、滑らかで粗い境界のレイノルズ方??程式を使用して定式化され、薄い潤滑膜のナビエ・ストークス流体要素よりも正確で効率的なソリューションを提供します。

これらの強力な機能により、ADINA FSIは、回転および往復運動する機械、ポンプのFSI分析、およびジャーナルベアリングやスラストベアリングなどの薄膜流体力学ベアリングのモデリングに最適な分析ソフトウェアプログラムとなります。

キーワード

Conditional loading, boundary-distance condition, diffusion loading, flow-resistance loading, SAM, スクロールコンプレッサ、蠕動ポンプ、ギアポンプ、リード弁