CFD(流体力学)

液体、気体、プラズマなど様々な固有特性(圧縮性、粘度、密度)により、航空機の翼を横切る空気流れやパイプ内部を通過する液体流れなどの流体特性が決まります。したがって、これらの物質の動きを研究する流体力学は、流体を含むシステムのより優れた設計、予測可能性、効率、および制御を提供します。流体力学は、製造業における革新、空力の改善によるセンサー開発、自動車設計など様々な分野に影響を与えます。

空力とは、固体物体周りの流れと空気の相互作用であり、航空機設計、自動車、鉄道などの広範囲において適用されています。強力な自動車エンジンへの要求と同様に、空力設計は主要な役割を果たしています。風の抵抗が速度を著しく低減していることが判明して以来、開発エンジニアは自動車の空力的側面に着目しはじめました。DEPは、エンジン効率を大幅に改善するベストな空力設計を提供します。

翼や物体上の空気流を理解し予測するプロセスは壮大で、エンジニアは単純性と複雑性を兼ね備える流れのモデルと共に、実験と経験的発見の双方に従います。

1.車両空力シミュレーション

空力特性は、車両性能や燃料効率、さらに車両安定性に大きな影響を及ぼします。車両空力の主な課題は、抵抗と風切り音を低減し、高速走行において望ましくない揚力を抑えることです。DEPは、揚力対抗力比を最適化し、全体性能を大きさとバランスさせる効果的なソリューションを提供しています。

  • ドローンの空力シミュレーション

    ドローンの空力性能を改善し、抗力を低減するために流体シミュレーションが活用されます。シミュレーションの目的は、揚力と抗力の正確な予測を行うことです。

空力は、航空宇宙エンジニアリングの中核ですが、空気と流体力学の両方を包含する流体動力学の広範な領域は、幅広いテーマに対応します。

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流体は、流体動力学の一部であり、流体力学に関する研究です。流体とは、流れを伴う液体や気体などの物質です。定まった形を持たず、外部応力の影響を受けないため、ほぼ抵抗を与えません。流体の運動は、不均衡な抗力または応力に支配されます。流体運動は、無制限の範囲に対し変形しやすく、非常に小さな外乱抗力に対して時間を損失します。その結果、それらの運動は非常に複雑で、単純な流体構造でさえ、非常に複雑な動きを示す流れ場を生成します。

一般的に知られているのは支配方程式ですが、流体の大部分は、しらみつぶしの計算では解くことができず、理論と実験との間の密接なコラボレーションが必要です。コンピュータによる大規模計算の向上と共に、実験と計算によるコラボレーションは、この数十年間で進化した一方で、取り組むべき課題も未だ多い分野です。

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1. 車室内冷却 – HVACシミュレーション

 本シミュレーションの主な目的は、車室内のドライバーと乗客に適切な快適性を提供することです。車室内の冷却と暖気の時間は、重要な設計要件であるだけでなく、規制の対象でもあります。HVACシミュレーションは、ドライバーと乗客の温熱快適性のために、HVACダクトのサイズや通気孔の向き、ならびに車室内の速度分布を最適化することができます。デフロスト/デミスト、乗客の快適性を最適化するため、当社は自動車空調(HVAC)システムに効果的なソリューションを提供します。HVACシステムにおける最小の圧力降下で、出口ダクト面における均一な空気流と、各ダクト出口間の分配を検討し、乗客の快適性を向上します。

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2. 燃焼シミュレーション

エンジン開発は、空気流、燃料噴射、移動形状、および燃焼の間の複雑な流体力学の相互作用に関与します。直面する設計上の課題には、ポート内部流れの設計、燃焼室形状の設計、可変バルブの調整、噴射および点火の調整、および低速またはアイドル走行時の設計が含まれます。シミュレーション結果を用いて、流れの現象を3Dで可視化し、数値的に分析することができます。これにより、エンジン内部で起こる複雑な相互作用に対する膨大な情報を得ることができ、異なる設計案の比較検討、すす 対 NOx、旋回 対 回転、乱流発生への影響、燃焼効率 対 汚染物質形成、などのトレードオフを定量化することで、最適な設計を決定することができます。当社は、ポート流れ、冷却流れ、スプレー、燃焼、およびシステム全体のシミュレーションも実施可能です。CFDシミュレーションは、自動車工学、発電、および輸送における設計プロセスの一部として幅広く適用されています。

当社では、エンジン性能の改善を目的とし、乱流、噴霧、排気の特性を正確に予測する、燃焼のソリューションを提供します。これにより、エンジンにおける噴射、気化、および複雑な燃焼化学についての深い知見を得ることができます。

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3. 自動車エンジンルーム内の熱管理

CFDは、車両空力の最適化や、エンジンルームの流れ、特に熱交換器パッケージを通過する質量流束の予測に効率的です。このシミュレーションでは、熱伝導、対流熱伝達、および熱輻射を考慮します。アンダーフードの流れ場と空気の温度分布に対しシミュレーションを実施し、アンダーフード内のホットスポットの探索や、エンジンファンおよび通気口の性能改善により、車両の熱対策を行います。DEPは、熱交換器周囲およびアンダーフード部品の温度の異常を検知し、車両全体を考慮したアンダーフードシステムの熱管理や、排気熱対策のためのソリューションを提供します。

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4. ターボチャージャー内流れのシミュレーション

燃焼ガスは、ターボチャージャータービン内で膨張されコンプレッサーを駆動します。コンプレッサーの役割は、シリンダに流入する空気の密度を膨張させることで、エンジン出力を増加したり、出力を減少したりすることなくエンジンのサイズダウンを行うことです。ターボチャージャーのシミュレーションでは、様々な設計パラメーターやタービン翼、コンプレッサーを最適化することで、エンジン出力を最大限にします。

5. ポンプ内流れのシミュレーション

遠心ポンプは、運動エネルギーを圧力エネルギーに変換します。翼とディフューザの形状は、圧力エネルギーとポンプ性能を改善するために重要な項目です。ポンプ内流れのシミュレーションは、翼とディフューザの形状を最適化し、性能とポンプ吐出の改善に役立ちます。このシミュレーションでは、圧力分布と速度分布を求め、さらに乱流、キャビテーション、非定常性に関する深い洞察を得ることができます。

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6. インテークマニホールド内流れのシミュレーション

インテークマニホールド内流れのシミュレーションは、マニホールド内部の速度と圧力分布を予測します。これにより、体積効率を改善し、ランナ間の流れの不均衡を最小にしてマニホールド設計を変更することによって、圧力降下を低減することができます。

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7. 排気マニホールドの熱流れシミュレーション

排気マニホールド流れのシミュレーションは、排気マニホールド内の排気ガスの温度、速度、大きさおよび圧力分布および排気マニホールド内外の熱伝達係数を予測します。これにより、より高い温度に耐えれる設計へ改善し、ランナー間の流れの不均衡を最小にして背圧の問題を低減します。

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8. クランクケースの換気シミュレーション

本シミュレーションでは、クランクケース内の通気口を開閉した際の流れ場に対する知見を得ることができ、さらにポンプ損失を予測し、通気と排水後部の低圧および高圧領域を特定します。また、ウインデージトレイの異なる設計をシミュレーションにより比較検討します。

9. CFDの検証と妥当性確認

当社は、定期的に取得されるデジタル減算血管造影に対し、CFDシミュレーションによる予測を検証するため、仮想血管造影法を取り入れています。より直接的な検証に向けて、CFD予測による速度場と、粒子造影速度測定(PIV)およびその計測メカニズムを用いて測定されたものとの詳細を比較しています。

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10. ピストンオイルジェットの冷却シミュレーション

混相流モデリングが必要なピストン冷却の熱伝達効率プロセスを調査し改善するため、オイルジェットの衝突熱伝達にCFDシミュレーションを適用します。当社では、熱の課題に対するピストンの影響を調査し、最適なオイルジェットとオイル流れのパラメーターを用いて、より効率的なピストン形状を作るためのソリューションを提供します。これにより、エンジンの熱効率を改善することができます。当社は、より良い温度分布の統計データを作るため、ピストンの熱課題に対するソリューションを提供します。内燃機関の効率を改善し、有害排出物を低減するために、ピストンの能動冷却戦略が研究されています。

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11. エンジンルーム冷却システム内流れのシミュレーション

エンジン冷却システムは、ウォータージャケット、ラジエータ、ウォーターポンプ、冷却ファン、ホース、サーモスタットの6つの主要部品から構成されています。当社は、冷却回路流れのシミュレーションを実施することで、流体の挙動や個々の部品を理解することができます。これにより、冷却システム性能を最大限にするため、パラメーターを最適化することができます。

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12. 電子ボックス冷却のシミュレーション

ラック内のプリント回路基板を冷却するため、ファンカードを使った冷却方式の評価にシミュレーションを活用します。電子ボックス冷却のシミュレーションは、電子部品の温度分布を予測することで、繊細な電子部品の寿命と性能を改善します。DEPは、幅広い電子部品に対する熱管理ソリューションを提供します。

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