検証概要
プラントで多く用いられるT字管路内の乱流解析を行いました。図1に解析モデルを示します。
円形断面のT字管路には,流入口1(D1=100mm)から高温流体が流入(Q1)し,流入口2(D2=140mm)から低温の流体が流入(Q2)します。合流部から下流では,高温流体と低温流体の混合が乱流により促進されます。
本解析では,4つのRANS系乱流モデルを用いて解析を行いました。
![](https://www.terrabyte.co.jp/OpenFOAM/exe-OF/wp-content/uploads/2020/06/T-Junction_schema_japanese.png)
解析条件
この検証ではソルバーとしてbuoyantSimpleFoamを用いています。使用した乱流モデルを以下に示します。流入条件を表1に示します。
- 標準k-eモデル
- RNG k-eモデル
- Realizable k-eモデル
- SST k-wモデル
表1 流入条件
流入口1 | 流入口2 | |
レイノルズ数 | 107000 | 79400 |
流量 | 6 Litters/s (Q1) | 9 Litters/s (Q2) |
流速分布 | 実験値 | 実験値 |
温度 | 36℃ | 19℃ |
乱流エネルギー | 実験値 | 実験値 |
解析結果
流線
図2に,標準k-eモデルでの流線を示します。合流部ではく離が生じ,合流部の下流側の円管上部に循環領域が発生しています。
![](https://www.terrabyte.co.jp/OpenFOAM/exe-OF/wp-content/uploads/2020/04/T-Junction2_buoyantSimpleFoam_ke_st.png)
流速分布
図3に,標準k-eモデルを用いた場合のx-z中心断面(y=0)での流速分布を示します。
![](https://www.terrabyte.co.jp/OpenFOAM/exe-OF/wp-content/uploads/2020/04/trim3_T-Junction2_buoyantSimpleFoam_ke_xz_U.png)
温度分布
図4に,標準k-eモデルを用いた場合のx-z中心断面(y=0)の温度分布を示します。
![](https://www.terrabyte.co.jp/OpenFOAM/exe-OF/wp-content/uploads/2020/04/trim3_T-Junction2_buoyantSimpleFoam_ke_xz_T.png)
乱流エネルギー分布
図5に,標準k-eモデルを用いた場合のx-z中心断面(y=0)の乱流エネルギー分布を示します。
![](https://www.terrabyte.co.jp/OpenFOAM/exe-OF/wp-content/uploads/2020/04/trim3_T-Junction2_buoyantSimpleFoam_ke_xz_k.png)
実験結果との比較
実験値との比較点
図6に,実験結果[1]との比較を行うサンプリング点列を示します。
![](https://www.terrabyte.co.jp/OpenFOAM/exe-OF/wp-content/uploads/2020/04/T-Junction_sampling_points_only2sections_comments.png)
x-z中心断面のx方向速度分布
x-z中心(y=0)断面でのx方向速度分布を図7に示します。合流部から下流に向かって実験値とのずれが大きくなっています。比較した乱流モデルの中では,標準k-eモデルが最も誤差が小さくなっています。
![](https://www.terrabyte.co.jp/OpenFOAM/exe-OF/wp-content/uploads/2020/04/comparison_z_x1.6D_U-300x180.png)
![](https://www.terrabyte.co.jp/OpenFOAM/exe-OF/wp-content/uploads/2020/04/comparison_z_x2.6D_U-300x180.png)
x-y中心断面のx方向速度分布
x-y中心(z=0)断面でのx方向速度分布を図8に示します。合流部から下流に向かって実験値とのずれが大きくなっています。比較した乱流モデルの中では,標準k-eモデルが最も誤差が小さくなっています。
![](https://www.terrabyte.co.jp/OpenFOAM/exe-OF/wp-content/uploads/2020/04/comparison_y_x1.6D_U-300x180.png)
![](https://www.terrabyte.co.jp/OpenFOAM/exe-OF/wp-content/uploads/2020/04/comparison_y_x2.6D_U-300x180.png)
温度分布
壁面付近(壁面から1mm)のx方向温度分布を図9に示します。SST k-wモデルが最も誤差が小さくなっています。
![](https://www.terrabyte.co.jp/OpenFOAM/exe-OF/wp-content/uploads/2020/04/comparison_t0_T-300x180.png)
参考文献
- Smith, B.L. et al., Report of the OECD/NEA-Vattenfall T-Junction Benchmark exercise, EA/CSNI/R(2011)5.