エルボー部での圧損増大とガイドベーンによる圧損低減   pipeline.pdf

はじめに

ビルなどの空調設備では,矩形管路が広く用いられている.その中でも,管路が90度に曲がるエルボー部は,圧損増大の大きな要因である. 今回は,エルボー部とガイドベーンを含む矩形管路の流れ場を流体シミュレーションで予測することで, エルボーによる圧損の増大およびガイドベーンによる圧損の低減のメカニズムの理解に役立てる. 本解析の計算領域と圧力分布は,次の図のとおり.

Computation area and boundary conditions

図1 計算領域と境界条件

計算条件

矩形管路の断面寸法は,一辺が1 [m]の正方形である.図1に示すように,エルボーの曲率半径は,内周が20 [cm],外周が120 [cm]である. また,1番目のガイドベーンの曲率半径が70 [cm],2番目のガイドベーンの曲率半径が45 [cm]である. 今回は,(a) ガイドベーンを取り付けない場合,(b) 1番目のガイドベーンのみ取り付ける場合,(c) 1番目と2番目のガイドベーンを両方とも取り付ける場合,の3ケースを取り扱う. 流入面はエルボー部から100 [cm],流出面はエルボー部から400 [cm]の位置とし,流入面での境界条件は流速一定(u=0 [m/s], w=1 [m/s]),流出面の境界条件は圧力一定(p=0 [Pa])とする.

圧力分布

図2に矩形管路の中央断面での時間平均圧力分布を示す. 図2aでは,エルボー部の外周側でp≅0.9 [Pa]の高圧領域,内周側の下流ではp≅-0.7 [Pa]の低圧領域が生じている. この圧力差がエルボー部前後の圧力差に大きく寄与する. ここでは流出面を基準圧(p=0 [Pa])としているため,圧力差が生じると流入面での圧力が上昇する. 従って,流入面での圧力が計算領域における圧損である.続いて,図2bを見ると,ガイドベーンを取り付けた場合には受圧面積が増えるため, エルボー部での高圧と低圧がそれぞれ緩和され,圧損が低減されている. この傾向は,ガイドベーンをさらに増やした図2cでも確認出来る.

Pressure Distribution by Time Distribution

図2 時間平均圧力分布(中央断面)

流速分布

図3に矩形管路の中央断面での時間平均流速分布を示す. 図3aのエルボー部の内周付近では流速が大きく,管路壁面から流れが剥離している. 剥離した流れが管路壁面に再付着するまでの領域では,流速がほぼゼロとなる死水領域が現れる. 死水領域では流体がほぼ静止しており管路が部分的に塞がれたような状態になるため,その上流では圧力が増加し,下流では圧力が低下する(圧損が増大する). 図3bと図3cに示すようにガイドベーンを取り付けた場合には,流れの剥離を抑制し,死水領域が縮小されるため,圧損が低減される.

Flow Velocity Distribution by Time Distribution

図3 時間平均流速分布(中央断面)

上記の数値解析では,壁面摩擦を省略し,壁面の境界条件としてすべり条件を採用したが,濡れ,乾き面ともに水のふるまいが良く再現されていた. 確認のため,すべりなし条件を用いて乾き面を解いた結果を図4に示しておく. 海洋工学,海岸工学などで注目されるスケールでは,壁面摩擦や表面張力のような面積力が重要な役割を担う場面は少なく,一方で重力のような体積力が重要な役割を担う.