ツインスクリューコンプレッサーの背景知識とCFDの応用

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ダブルスクリューコンプレッサーの基礎知識とCFDの応用
スクリューコンプレッサーの概要
ダブルスクリューコンプレッサーは、一般的に一対のオスローターとメスローター、ケーシングのベアリングやシール部品などで構成されている。
特徴・利点：信頼性が高く、操作やメンテナンスが容易、動力バランスが良く、適応性に優れ、多相混合輸送が可能。
欠点：コストが高く、高圧環境（4.5MPaを超えない）では使用できず、小型化も困難。
適用分野
鉱山、化学工業、発電、冶金、建設、機械、冷凍など、さまざまな産業分野で広く利用されている。統計によると、スクリューコンプレッサーの販売量は、全容積型コンプレッサーの販売量の80％以上を占めている。
スクリューコンプレッサーの分類
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いわゆる「無油」とは、ガスが圧縮される過程で油と一切接触しないことを意味し、つまりコンプレッサーの圧縮室やローター間に油による潤滑が行われないことを指す。しかし、圧縮機内のベアリングや歯車などの部品は、依然として通常の潤滑方法で潤滑されており、これらの潤滑部と圧縮室との間にのみ、効果的なシールが施されている。 噴射式スクリュー圧縮機では、大量の潤滑油が圧縮される気体媒体中に噴射され、潤滑、シール、冷却、および騒音低減の役割を果たします。噴射機械には同期歯車がなく、一対のローターがまるで一対の歯車のように、オスローターが直接メスローターを回転させる。したがって、燃料噴射機械の構造はよりシンプルです。 スクリュー圧縮機の動作原理 1　吸気過程　歯間の基本容積はローターの回転に伴って徐々に拡大し、吸気口と連通する。ある角度まで回転すると、歯間の基本容積が吸気口の位置を超え、近傍の孔口と遮断され、吸気が終了する。 2圧縮過程　噛み合い面が徐々に排気側へ移動し、噛み合い面と排気口との間の歯溝空間が次第に狭くなり、歯溝内のガスが圧縮されて圧力が上昇する。 3 排気過程　噛み合う端面が排気口と連通し、圧縮されたガスが排出され、排気口が閉じられるまで続く。 https://pic3.zhimg.com/v2-776e0873435658e2408dc14ab1c7b2c6_b.jpg
スクリューコンプレッサー技術の注目点
1. ローターの形状や歯形に関する研究
2. 燃油噴射プロセスがコンプレッサーの漏れ、熱交換、摩擦に与える影響
3. 熱力学的プロセスに関する研究
4. カヴィテーション性能に関する研究
5. ローターの振動と騒音に関する研究

CFD技術の注目点
1. 陰陽ローター間の極めて小さな噛み合い隙間
2. 高品質な初期メッシュの作成が必要
3. ローター領域は大変形領域であるため、動的メッシュが必要
4. 流体力学、熱力学、さらにはカヴィテーションも同時に考慮する必要がある
5. 流体による振動も考慮する必要がある
6. 燃油噴射プロセスでは気液二相を考慮する必要がある

SCORG&PumpLinxソリューション
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SCORGソフトウェアの技術的特徴
1. 几何学的モデルの分析
　・形状の編集
　・流入・流出経路の設計、および回転角に伴う吸気・排気面積の変化の分析
　・作業室の二次元面積や三次元容積が回転角によってどのように変化するかの分析
2. 熱力学的モデルによる計算
　・準一次元式を用いた計算
　・ガスの圧力や温度の予測
　・漏れや効率、出力などのパラメータの予測
　・CFDの境界条件の設定
3. スクリューメカニズムの3Dメッシュ生成
　・ローター領域のメッシュ変形の処理
　・流入・流出ポートのメッシュ生成
　・PumpLinxとシームレスに連携可能

PumpLinxの利点
1. 二重スクリューポンプ/コンプレッサー用のテンプレート
　・ローター領域の動的メッシュの設定
　・計算モデルのパラメータの設定
　・境界条件の設定
　・適切な後処理による結果の出力
2. 圧縮性や熱交換の考慮
　・圧力、流量、効率などの予測
　・熱力学的性能の予測
3. スペクトルグラフを用いて振動や騒音の分析が可能
　・アニメーション、トレース、カウンターチャート、速度ベクトルなどによる情報の視覚化

SCORGは、二重スクリュー領域の構造メッシュを自動的に生成でき、マイクロメートル単位の噛み合い隙間も考慮できます。また、PumpLinxとシームレスに連携可能です。 PumpLinxは、ダブルスクリューコンプレッサーのローター領域の動的メッシュを自動的に設定し、動的メッシュの設定作業を簡素化します。 PumpLinxソルバーは安定しており、高速で、収束も良好です。 計算結果は、構造やノイズのソフトウェアに出力して、さらなる結合解析を行うことができます。 PumpLinx VOF技術の要点 ・質量保存則の厳格な遵守 ・非圧縮項の体積保存 ・任意の項の圧縮性/非圧縮性特性の考慮 ・暗黙的および明示的な時間形式の選択 ・高解像度のインタラクティブな界面捕捉手法 ・表面張力モデル ・壁面接触モデル ・明確な気液境界を持つ二相流問題への適用（ギアボックスの潤滑、液環ポンプ、撹拌機、ダムの決壊、ポンプの自己吸上げ……）