PowerFLOWを使用した層流はく離シミュレーションの新しいアプローチ

※本ブログは、SIMULIA Blog （英語版）で既に発表されたブログの日本語参考訳です。

層流と乱流の遷移は、eVTOLプロペラや風力タービンブレードなど、さまざまなシナリオにおける流体の挙動を理解するために重要です。これまでは、この遷移を正確にシミュレートすることが難しいとされてきました。PowerFLOWの非常に大きな渦シミュレーション（VLES）法への拡張により、層流はく離と再付着のシミュレーションがより簡単かつ正確に行えるようになりました。これにより、急速に成長している市場である都市空中移動や風力エネルギー分野での空力シミュレーションおよび空力音響シミュレーションが可能となります。

層流はく離とは？

流体の物理を計算する際、流れには2つの基本的な種類があります—層流と乱流です。層流は滑らかで、流体の「シート」間での混合を避けますが、乱流はカオス的です。一種類の流れだけをモデル化するのは一つの問題ですが、層流と乱流の間の遷移ではどうなるのでしょうか？

この遷移が重要となる一般的な場所は、eVTOL機や風力タービンのブレードのような比較的遅く動くプロペラやファンブレード周辺です。これらの速度と規模は、比較的低いコードのレイノルズ数（100万未満）を持っているため、複雑な境界層挙動を引き起こします。具体的には、層流が前縁ではく離し、層流はく離バブルを形成し、その後後縁で再付着します。

これはプロペラの空力にのみ影響を与えるわけではありません – ブレードの両側で流れが合流し、再付着するインターフェースも、ブレードノイズの主要な原因の一つです。正確な音響シミュレーションには、層流はく離と再接続をモデル化することが必要です。

層流はく離シミュレーションの応用

eVTOL（電動垂直離着陸）機は、都市空中移動のための新しいソリューションを開発するために注目されています。クワッドコプタータイプのドローンはすでに広く使用されていますが、より大型の機体は物流から空中タクシーまでさまざまな用途に対応できる可能性があります。これらが成功するためには、都市部の環境で安全に運用できること、さらに地元住民が我慢できる程度に静音であることが求められます。

eVTOL機のプロペラは、一般的に比較的ゆっくり回転します（従来の航空機と比べて）。これらのプロペラブレードの運用領域におけるレイノルズ数は低いため、層流はく離バブルが形成されることがあります。推力、抗力、ノイズなどの影響を理解するためには、これらを正確にモデル化する必要があります。

層流シミュレーションと乱流モデルの拡張

PowerFLOWは、空力および空力音響シミュレーションの業界標準であり、シミュレーション設定を高速化する自動グリッド生成、オートメーション、スケーラビリティといった機能や、非常に大きな渦シミュレーション（VLES）乱流モデルを搭載した強力な粒子ベースのソルバーが特徴です。遷移効果をシミュレートするためには、従来、ユーザーははく離効果を模倣するトリップ要素を手動でモデルに追加する必要がありました。しかし、SIMULIA PowerFLOWの新技術は、層流はく離を自動的にシミュレートするための迅速かつ正確な方法を提供します：PowerFLOW VLESへの乱流モデル拡張です。

PowerFLOWは、流体の流れを計算するためにラティス・ボルツマン法を使用しており、特にVLES法は乱流に適しています。この新しいバージョンは、ラティス・ボルツマンVLES法を層流から乱流への遷移をカバーするように拡張し、これらの遷移も同じシミュレーション内で捉えることができます。これにより、層流から乱流への遷移領域での空気の流れと音響をシミュレートできます。

乱流モデル拡張の精度は実験的に検証されています。プロペラが製作され、回転させることで、コード基準のレイノルズ数が約7×10⁴となりました。この速度では、顕著な層流はく離バブルが観察されました。図2および図3に示されているように、PowerFLOWはブレード周りの計測された速度とノイズとの優れた一致を提供します。遷移モデル拡張を用いたVLESは、分離を強制するためにジオメトリックな「トリップ」を使用するよりも正確でした。この詳細については、「Lattice-Boltzmann calculations of rotor aeroacoustics in transitional boundary layer regime」（Aerospace Science and Technology, Volume 130, November 2022, 107953）にて公開された完全な結果をご覧いただけます。

結論

レイノルズ数が比較的低い場合、層流の影響が重要になることがあります。これにより層流はく離バブルが発生し、音が増加します。この現象の一般的な例としては、eVTOLローターや風力タービンブレード周りの流れが挙げられます。この遷移のシミュレーションは従来、難しいものでした。

PowerFLOWのVLES（非常に大きな渦シミュレーション）乱流モデル拡張は、層流と乱流の遷移を効率的かつ正確に解決します。空力および空力音響のシミュレーションは、この乱流モデル拡張を活用することで、シミュレーション設定を加速させたり、従来はモデル化できなかったシナリオをシミュレーションすることができます。

Ribeiro氏は2011年からPowerFLOWを使用しており、世界中のOEM（元製造業者）や研究機関と協力し、空力および空力音響の分野で活動しています。特に航空宇宙市場に焦点を当てています。

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