相変化を伴う解析事例の紹介 - CD

相変化を伴う解析事例の紹介
VOF+沸騰モデルによる焼入れ解析
出光興産（株）
生産技術センター
坂倉圭
背景・目的
焼入れ冷却とは、高温に加熱した金属を急激に冷却して硬化させるプロセスです。
冷却媒体としては、水や油が使われます。
高温金属の表面では高温に触れた液体が激しく沸騰します。
この蒸気発生が著しい場合は、高温金属表面が熱伝達率の小さい蒸気膜で覆われる
膜沸騰状態となり、冷却が妨げられるために硬化が不十分となります。
また、この効果が金属表面上で偏って発生すると強度にムラが生じます。
このムラの発生では、金属表面における以下の３つの量が互いに影響しあうため、これら
を一体的に解くシミュレーションが求められています。
（１）温度分布
（２）蒸気発生量分布
（３）気相/液相それぞれの流速分布
背景・目的
形状寸法
境界条件
解析条件
• ソルバー
– STAR-CCM+ Ver.9.06
– ２次元軸対称モデル
– 倍精度・分離型
– 非定常：
• 時間刻み： Δt = 1.0e-6 [s]
• 計算時間： t = 1.00 [s]
解析条件
気相：水蒸気
密度 [kg/m3]
液相：水
固相：銀
理想気体モデル
997.5
10490.0
1.26E-5
8.88E-4
-
-
0.06
-
100
100
-
生成熱 [J/kg]
-1.34E7
-1.58E7
-
比熱 [J/kg-K]
1938.19
4181.72
234.0
0.025
0.62
418.0
粘度 [Pa-s]
表面張力 [N/m]
沸騰温度 [℃]
熱伝導率 [W/m-K]
解析条件
格子条件
初期条件
解析結果【ＶＯＦコンター図】
動画
解析結果【温度コンター図＆温度プロット図】
解析結果【温度プロット図】
温度＠中心
温度＠表面
問題点
VOF+沸騰モデルによる焼入れ解析２：
解析条件
解析条件
格子条件
初期条件＆計算条件
解析結果1 【ＶＯＦコンター図】
ケース＃
解像するオプション
HTCxArea
1
OFF
0.0
動画
解析結果1【温度コンター図＆温度プロット図】
動画
ケース＃
解像するオプション
HTCxArea
1
OFF
0.0
温度プロット１
温度プロット２
温度プロット１
温度プロット２
解析結果1【温度プロット図】
温度＠中心
ケース＃
解像するオプション
HTCxArea
1
OFF
0.0
温度＠表面
解析結果2 【ＶＯＦコンター図】
ケース＃
解像するオプション
HTCxArea
2
ON
0.0
動画
解析結果2【温度コンター図＆温度プロット図】
ケース＃
解像するオプション
HTCxArea
2
ON
0.0
温度プロット１
温度プロット２
温度プロット１
温度プロット２
解析結果2【温度プロット図】
温度＠中心
ケース＃
解像するオプション
HTCxArea
2
ON
0.0
温度＠表面
解析結果3 【ＶＯＦコンター図】
ケース＃
解像するオプション
HTCxArea
3
ON
50,000.0
動画
解析結果3【温度コンター図＆温度プロット図】
ケース＃
解像するオプション
HTCxArea
3
ON
50,000.0
温度プロット１
温度プロット２
温度プロット１
温度プロット２
解析結果3【温度プロット図】
温度＠中心
ケース＃
解像するオプション
HTCxArea
3
ON
50,000.0
28
温度＠表面
解析結果比較【ＶＯＦコンター図】
ケース＃
解像するオプション
HTCxArea
2
ON
0.0
解析結果比較【ＶＯＦコンター図】
ケース＃
解像するオプション
HTCxArea
3
ON
50000.0
3次元解析
r25
40
15
r5
15
Solid
• 固体領域
30
Fluid
• 流体領域
31
初期条件
Fluid：
• 初期条件
・温度： T = 50 [℃]
・液相体積分率： α = 1.0
Solid
• 初期条件
・温度： T = 800 [℃]
解析結果4 【ＶＯＦ等値面LES】
動画
解析結果4【温度コンター図＆温度プロット図】
動画
温度プロット２
温度プロット１
温度プロット１
温度プロット２
まとめ
・遷移沸騰モデル、気液界面解像オプション選択による計算
は安定化した
・実現象に見られる液膜形成とその破砕は再現できていない
・金属温度低下の傾向は一致しており、焼入れ解析の温度
分布の定性的予測には活用できる

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