FLOW-3D 適用事例 – コンシューマ製品


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コンシューマ製品のモデル化

 2つの金属部品間にあるゴム類ガスケットの圧搾

2つの金属部品間にあるゴム類ガスケットの圧搾

自由表面流動は、家庭生活とオフィス環境の両方で使用される製品の設計および製造における共通課題です。例えば、ボトルの充填は大規模に毎日行われている工程です。生産速度を最大にしながら無駄を最小にする工程を設計することは、時間経過とともに著しいコストセービングに通じます。FLOW-3Dの自由表面機能はこのようなコスト削減を実現します。またFLOW-3Dはスプレーノズルの設計や多孔質体の吸収特性など様々なコンシューマ製品のモデル化に使われています。

多孔質体内の流れ

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多孔質体内における流体輸送の数値的モデル化は大きな課題です。FLOW-3Dは多孔質体流れにかかわる問題解決に対する多くの有益な特長を含んでいます。FAVORの技術は、ユーザが連続した多孔質体を表現するために必要な多孔度変数を含んでいます。FLOW-3Dでは飽和および不飽和流れ条件の両方をシミュレートできます。べき乗側の関係により、不飽和流れ条件の毛管圧と飽和との非線形関係をモデル化できます。個々の充填や排出曲線はヒステリシス現象をモデル化するのに使用されます。異なる開口率、透過率、湿潤は異なる多孔質体ごとに割り当てられます。透過率は流動方向で与えることができ、多孔質体の非等方性を表現することができます。また多孔質体と流体との熱伝達も考慮することができます。

旋回式スプレーノズル

FlOW-3D旋回式スプレーノズル解析例

FlOW-3D旋回式スプレーノズル解析例

旋回式スプレーノズルは化学洗浄、医療、燃料の領域では液滴を分散させるのに一般的に使用されています。適切に噴霧させるたにはノズル内にコーン状のガス領域を形成する必要があります。CFD技術は幾何形状や、回転速度、流体の物性などスプレーの条件を探るのに最適です。

ここで示す例は2次元軸対称による旋回式スプレーノズルの解析です。円錐状のガス領域がノズル内部にまで形成されているのが分かります。上図は圧力コンターと流速ベクトルを表しています。下図は流速コンターを表し、赤い領域で流速が速くなっていることが分かります。

スプレーコーンのスケールと液滴サイズは大きく異なるため、スプレーの噴霧そのものまでを解析することは困難です。また噴霧は外部環境やノズルなどのマイクロスケールでの乱れによるカオス的な要素と密接に関わりがあります。しかし、ノズルからのスプレーコーンの特性を予測できることはこのような流体装置の最適化で重要となっております。

充填過程と空気巻き込み

ボトル充填実験と空気連衡モデルの比較 提供:Procter & Gamble Company.

ボトル充填実験と空気連衡モデルの比較 提供:Procter & Gamble Company.

材料コストを削減し、サイクルタイムを向上させるために、コンシューマ製品の企業は、空気巻き込み、飛散、スロッシングなどの多く自由表面問題に対処する必要がある。図は、数週間実行した実験画像と空気巻き込みレベルの比較を行っています。(プロトタイプボトルでの利用ができる)噴流の飛散や充填レベルの定性的な一致に優れており、シミュレーションがボトルデザイン設計で十分正確であることが立証された。

ゴムとプラスチック材料への適用

直径4cmのゴムボール

直径4cmのゴムボール

FLOW-3D弾性応力モデルは、粘弾性樹脂材料の過渡応答をシミュレートすことができます。それらは、特定の降伏応力まで弾性固体として振舞い、超えると粘性流体として振舞う材料です。 弾性応力は、1ステップから徐々に計算され、それは大きな変形をシミュレートするのを簡単にします。

食品加工と包装

このコイルシミュレーションは、食品加工や製造工程の 元ではちみつ、コーンシロップ、歯磨、樹脂、または 高粘性流体の押出成形を表すことができました。

このコイルシミュレーションは、食品加工や製造工程の
元ではちみつ、コーンシロップ、歯磨、樹脂、または
高粘性流体の押出成形を表すことができました。

はちみつ、コーンシロップ、練り歯磨などの粘性流体は、一般的に固体の表面に接触するときコイルを形成する傾向を示します。この効果は興味深く、観察するのは面白いですが、それは製品の中に空気を巻き込み包装を難しくする原因となるため、包装過程では歓迎されません。

水洗トイレへの適用

水洗トイレによる堰きタイプの流動シミュレーション

水洗トイレによる堰きタイプの流動シミュレーション

いったい、トイレはどのように動作していると思いますか。それらは実際にかなり複雑です。ハンドルが押されると水は、便器を一杯にします。便器内の水がトラップ(防臭弁)の上部より上昇した時、堰きタイプの流動が始まります。流れが十分速い時、泡は、サイフォンを作成しているトラップ上部にできます。その時点で、サイフォンは便器の水を抜いてトイレを流します。

多くの場所で、節水が重要な問題です。低流量のトイレは、家庭と商業利用のために必要です。しかし、もしトイレが最初の試みで勤めを果たさないならば、節水はできません。最適な結果を得るための様々なデザインをモデル化するのにFLOW-3Dを使用することができます。

攪拌への適用

この混合タンクのシミュレーションは、回転 するブレードによって攪拌される2つの流体を表現します。一定 速度をインペラーに与えました。

この混合タンクのシミュレーションは、回転
するブレードによって攪拌される2つの流体を表現します。一定
速度をインペラーに与えました。

電子化された測定値とシミュレーション技術の進歩により大部分の混合を理解するのにおいて多くの進展がありました。流体モデル技術の継続的な進歩によって混合装置の流れに依存する過程の詳細な洞察を簡単にシミュレートする事ができ、CFDソフトウェアを使用することで理解する事ができます。

今日、固体混濁液の混合、反応炉の熱伝達からの発酵などの広範囲の適用をFLOW-3Dの混合技術を使用する事でモデル化できます。FLOW-3Dシミュレーションは、任意容器形状での混合やインペラーがどのような構成でも混合時間、循環、動力数などの主要混合パラメータを評価するのに役立ちます。これらのシミュレーションは実験を補完します。そのような装置の流れに依存した過程の予測や理解にCFDソフトウェアを使用することにより製品品質を高めて、費用と時間を減少させることができます。

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