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Advance/FrontFlow/MP

沸騰・凝縮を伴う気液二相流が精度よく解ける
世界有数の市販ソフトウェア Advance/FrontFlow/MP

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気体と液体が共存する流れ、すなわち気液二相流は日常よく見られる現象ですが、その複雑な特性のため、これらのシミュレーションが可能なソフトウェアはこれまでほとんど無いのが現状でした。

  • 沸騰・凝縮を伴う気液二相流解析を精度よく行いたい
  • 焼入れ解析を行いたい
  • 気泡合体の二相流解析を行いたい
  • 大規模な計算を精度よく行いたい
  • 膜沸騰や核沸騰を考慮した固体と気液二相の連成解析を行いたい

Advance/FrontFlow/MPは、このようなご要望にお応えするために生まれた、世界有数のソフトウェアです。

Advance/FrontFlow/MPの概要

二相流の流動機構や伝熱過程に関する理解は発展の過程にあり、今後ますます深まっていくものと考えられます。
また、沸騰や凝縮を伴う二相流は、多くの動力・化学プラントや空調・冷凍装置に関係し、ボイラ、蒸発器、凝縮器、蒸気タービンなどの流体機械における主要過程を占めています。
従って、二相流の流動状態や伝熱特性を理解することは、これらの機器の設計において極めて重要な役割を果たします。
Advance/FrontFlow/MP は、当社のAdvance/FrontFlow/redをベースに開発された、二流体モデルによる実用レベルの気液二相流解析ソフトウェアです。

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Advance/FrontFlow/MPの7つの特長

1) 沸騰や凝縮を伴う気液二相流を、高精度・安定的に解析することができます。

  • 各相の質量とエネルギーの保存精度を高める数値アルゴリズムを開発
  • 沸騰や凝縮を伴う場合でも質量誤差0.1%以下、熱収支誤差1%以下に抑制※
※当社実施ケースでの結果

(例1) 移動する高温物体に低温液体を噴射させた時の沸騰を伴う熱流動解析
    (固体の冷却)
(例1) 移動する高温物体に低温液体を噴射させた時の沸騰を伴う熱流動解析

(例2) 加熱壁面による沸騰を伴う合流管内の熱流動解析

(例2) 加熱壁面による沸騰を伴う合流管内の熱流動解析


(例3) 水蒸気(100℃)とサブクール水(26℃)の接触により凝縮を伴う熱流動解析

(例3) 水蒸気(100℃)とサブクール水(26℃)の接触により凝縮を伴う熱流動解析

Limらの凝縮実験結果(出口水温67℃)を再現
(参考)日本原子力学会,気液二相流の数値解析,朝倉書店(1993) p72.

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2) 固体の熱伝導および応力・歪み解析との連成解析ができます。

  • 膜沸騰や核沸騰を考慮した固体と気液二相の熱連成解析ができる
  • 沸騰と凝縮を同時に扱うことができる
  • 現状、2次元構造解析機能との連成により応力・歪み解析が可能。3次元系には今後対応予定

(例) 高温固体を低温液体に入れた時の沸騰を伴う固体の温度解析
  • 液温上昇と発生気泡による水の循環
  • 膜沸騰→遷移沸騰→飽和核沸騰→サブクール核沸騰→蒸気が凝縮

(例) 高温固体を低温液体に入れた時の沸騰を伴う固体の温度解析


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3) 気泡の合体を考慮した高精度な気液二相流解析ができます(今後、気泡の分裂も扱える予定)。

  • 気泡径分布を計算することによって気液相間摩擦力の計算精度の向上を達成
  • 気液速度分布を従来よりも詳細に計算できるようになりました

(例1) 固体の下面付近での気泡合体挙動の解析

(例1) 固体の下面付近での気泡合体挙動の解析1


(例2) サブチャンネル内の気泡合体

(例2) サブチャンネル内の気泡合体

断面平均気泡径の高さ方向分布: サブチャンネル内の上昇に伴い、気泡径が増大する実験結果を再現。

出典:革新的実用原子力技術開発費補助事業平成18年度成果報告書概要版「高温高圧二相自然循環炉の熱流動システム評価手法の開発」

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4) 並列計算による大規模な気液二相流解析が低コストでできる
  (CPU数に関係なく一定の金額で利用可能)

価格等詳細については、こちらよりお問い合わせください。

5) 非構造格子によって形状模擬精度の高い気液二相流解析ができる

(例) 新型炉燃料集合体上部ノズル部の気液二相流解析

(例) 新型炉燃料集合体上部ノズル部の気液二相流解析

出典:革新的実用原子力技術開発費 補助事業平成18年度成果報告書
概要版「高温高圧二相自然循環炉の熱流動システム評価手法の開発」

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6) 固体粒子の凝集解析ができる

粒径グループごとに運動方程式と個数濃度保存方程式が解ける。
個数濃度保存方程式に速度差と乱流による凝集を考慮している。

(例) 気液二相流中の固体粒子の凝集肥大および浮上分離挙動の解析

(例) 気液二相流中の固体粒子の凝集肥大および浮上分離挙動の解析1

(例) 気液二相流中の固体粒子の凝集肥大および浮上分離挙動の解析2

(例) 気液二相流中の固体粒子の凝集肥大および浮上分離挙動の解析3

(例) 気液二相流中の固体粒子の凝集肥大および浮上分離挙動の解析4

7) 豊富な構成方程式を利用することができる

  • 混合型k-εモデル
  • 分散型k-εモデル
  • 気液相間抗力モデル
  • 気液相間熱伝達モデル
  • 壁面熱伝達モデル
  • 揚力・壁面潤滑力・乱流拡散力モデル

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解析事例

解析事例目次

事例番号タイトル
1気液混合流の流動解析: 気泡領域形成の評価
2沸騰流の流動解析: 沸騰挙動の詳細評価
3気泡塔の流動解析: ボイド率および速度分布の評価
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Advance/FrontFlow/MP よくあるご質問(FAQ)

Q1.気液2相流解析ソフトウェアAdvance/FrontFlow/MPはどのような解析に適用できますか?
A1. 複雑な形状を示す流体機械内部における
  1. 気泡流・噴霧流の解析
  2. 気液界面の挙動の予測(スロッシング等)
  3. 気液の分離効率の評価
などに適用できます。また、沸騰・凝縮、気泡合体、粒子凝集、固体との熱連成解析などの機能を併せ持つことにより、ダイナミックに変動する流体機械内部のシミュレーションが可能です。

Q2.二流体モデルを使うメリットは何ですか?
A2. 2つの連続体の方程式を解く二流体モデルでは、気液界面の挙動を直接計算しないことにより、VOF法に比べて計算メッシュサイズや時間刻みを大きくとれます。そのため、計算コストを低減させたり大規模な解析を実施することができます。また、二相の速度・温度などの分布の違いを計算することもでき、実験観測における各相の詳細な分析に活用することができます。

Q3.流動様式はどのように分類されていますか?
A3. ボイド率(気体の体積割合)によって気泡流、中間領域、噴霧流に分類されています。気泡流と中間領域、中間領域と噴霧流の閾値はユーザーによる設定が可能です(標準設定では、それぞれ0.3と0.75としています)。

Q4.沸騰・凝縮を考慮しても計算を安定的に行うことができますか?
A4. 沸騰・凝縮は質量の大きな変化を伴う相変化ですが、Advance/FrontFlow/MPでは各相の質量とエネルギーの保存精度を高める数値アルゴリズムを開発・実装したことにより、当社実施ケースにおいて質量誤差を0.1%以下、熱収支誤差を1%以下程度に抑制することができました。この結果、沸騰・凝縮を伴う場合でも安定的に計算を実施することができます。

Q5.気泡成長を扱うことはできますか?
A5. できます。Advance/FrontFlow/MPではユーザーが指定する気泡径分布領域の中で、気泡合体モデルにより気泡径が成長する過程をシミュレートすることができます。

Q6.解析条件の詳細設定やデータ入出力形式などを柔軟に変更することはできますか?
A6. 当社はコード開発元であるため、入出力インターフェイスのカスタマイズなど計算ソフトウェア周辺環境に関するお客様のご要望にも柔軟に対応させて頂くことが可能です。以下のようなご要望に対応することが可能です。
  1. モデルの追加
  2. データ入出力形式の変更・カスタマイズ
  3. GUI整備
  4. お客様所有ソフトなどの他プログラムとの連携支援
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機能一覧

表1.Advance/FrontFlow/MP 機能一覧
項目Advance/FrontFlow/MP機能
解析機能基本機能:定常/非定常/非圧縮性/強制対流/自然対流/固体の熱伝導
(固体内部の複数材質を含む)
乱流モデル:k-εモデル/渦粘性一定
気液二相流:二流体モデル
流動様式:流動様式線図
蒸気表:水/蒸気系、空気の物性値
構成方程式:気泡流/噴霧流/中間領域
メッシュ形状6面体(ヘキサ)/4面体(テトラ)/ 3角柱(プリズム)/4角錐(ピラミッド)/
これらメッシュの混合
離散化有限体積法/節点中心法
アルゴリズム SIMPLE法/Rhie-Chow法による圧力振動の抑制/
Muzaferijaの手法による拡散項の精度向上
時間積分Euler陰解法
移流項の離散化スキーム1次精度風上差分/3次精度風上差分+リミタ(TVD法)/
上流補間法(USI法)
行列解法ICCG法/Bi-CGSTAB法
並列計算自動領域分割による並列計算
メッシュ作成市販のメッシュジェネレーターを使用
可視化市販あるいはフリーの可視化ソフトを使用
ユーザー
設定機能
初期値/流入境界条件/質量・運動量・エネルギーのソース項/ポスト処理/構成方程式(界面摩擦モデル、壁面熱伝達モデル)
動作環境OS:IRIX(Ver.6.5)/RedHat Linux9/SGI Advance Linux/
SUSE Linux等
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その他サービス

  1. ソフトウェア販売だけでなく、二相流に関する解析業務や、開発等お受けすることが可能です。
  2. お客様のニーズに合わせて、ソフトウェアをカスタマイズすることが柔軟にできます(モデルの追加・入出力形式・GUI・他プログラムとの連携など実績多数)。
  3. 二相流に関するコンサルティングや調査をお受けしております。
その他、お気軽にご相談ください。

関連ソフトウェア

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セミナー資料

2007年11月30日に「気液二相流解析セミナー~Advance/FrontFlow/MPの機能と応用事例のご紹介~」を開催いたしました。
セミナー資料をご希望の方はこちらよりお問い合わせください。

資料
気液二相流解析の現状と応用展開 「気液二相流解析の現状と応用展開」
気液二相流解析の基礎式と主な解析技術の紹介、種々の産業分野および環境防災分野におけるニーズと適用例
気液二相流解析ソフトウェアの概要紹介 「気液二相流解析ソフトウェアの概要紹介」
沸騰、凝縮、乱流モデル、抗力、揚力、壁面潤滑力、乱流拡散力、気泡合体、固体凝集などの機能紹介
気液二相流解析ソフトウェアの実用事例紹介 「気液二相流解析ソフトウェアの実用事例紹介」
気泡塔内の気液二相流解析、原子炉燃料集合体内沸騰解析、水平管内の凝縮解析、焼入れ解析などの実用事例の紹介

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