流体キャビテーションの予測: 現実的なシミュレーションによる船舶のプロペラ効率の向上

船舶用プロペラなどの多くの産業用アプリケーションにおいては、流体キャビテーションを予測し、低減することが重要です。数値流体力学 (CFD) ソフトウェアを使用すると、流体キャビテーションを予測し、設計プロセスの早期に代替設計案を探索できます。このホワイトペーパーでは、船舶プロペラのキャビテーションをシミュレーションするうえで重要な側面を中心に解説します。シミュレーション精度に誤差が生じた場合の影響を評価し、その影響を抑える方法を考察するとともに、モデルスケールの物理試験よりも、フルスケールのプロペラをシミュレーションする方に利がある理由を説明します。

船舶設計プロセスを船舶CFDで加速

包括的なデジタルツインは、未来の船舶イノベーションと効率化に不可欠です。シーメンスが提供するシミュレーション・テストツールは柔軟性、オープン性、拡張性があり、船舶設計プロセスのすべての段階をサポートします。統合された設計環境と、自動ワークフロー、インテリジェントな設計探索ツールを提供します。さらに、多数の設計バリエーションを素早く解析し、設計の初期段階からプロペラと船舶の性能をよりよく把握できます。

CFDシミュレーションを使用して、流体キャビテーションを予測し、その影響を低減

流体応力の急激な低下に起因する流体力学キャビテーションが発生すると、相変化が起こり、液体の中でガスが発泡します。ポンプ、バルブ、プロペラといった回転機械では特に、流体キャビテーションは頻繁に起こります。それが振動、騒音、腐食を招き、構造的な疲労と損傷の原因となります。船舶アプリケーションのプロペラで発生するキャビテーションは、推進効率を低下させ、船体とプロペラ翼の両方に腐食を招きます。したがって、キャビテーションの発生を正確に予測することが重要です。発生するとなれば、流体キャビテーションをできるだけ回避する設計にしなければなりません。

数値流体力学 (CFD) を使用した多相モデリングは、キャビテーションを理解する中心的なツールです。モデルスケールによる物理試験による予測は、実世界でのフルスケールでの運用条件との差があるため、用途が限定されます。CFDを使用すると、複数の設計案を迅速に調査し、キャビテーションを予測できます。

著者略歴

Milovan Peric教授は、産学両方で30年以上にわたり、船舶CFDと船舶アプリケーションの分野に身を置いてきました。ベストセラー書籍『流体力学の数値解析手法 (原題: Computational methods for fluid dynamics)』の共著者であり、そのほかにもCFDの開発と応用に関する約200本もの文献を単独または共同で執筆してきました。現在は、デュースブルク・エッセン大学のInstitute of Ship Technology, Ocean Engineering and Transport Systemsに研究者として在籍するかたわら、シーメンスデジタルインダストリーズソフトウェアの船舶CFDシニア・コンサルタントを務めています。

キャビテーションを高精度にシミュレーションする方法

船舶のプロペラに発生するキャビテーションは、Simcenter STAR-CCM+をはじめとするCFDコードで利用可能な一般的なキャビテーション・モデルを使用して正確に予測できます。このホワイトペーパーでは、キャビテーション・シミュレーションを実行する際に発生する可能性のある課題について詳しく説明します。評価対象

• 乱流モデル
• グリッド分解能
• プロペラ形状
• スケール効果

キャビテーションのシミュレーション結果を紹介します。本ホワイトペーパーは、CFDシミュレーションと実験データを比較したSVA Potsdam GmbHの事例を含みます。