JP2012177625A - Device and method for predicting diffusion of compressible fluid - Google Patents

Device and method for predicting diffusion of compressible fluid Download PDF

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Mitsuisa Matsumoto
充功 松本
Kenichi Shimizu
研一 清水
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To predict a predicted diffusion state of hydrogen when hydrogen blows out from a blowout part of a hydrogen supply pipe of a fuel battery electric vehicle in short time.SOLUTION: A compressible fluid diffusion prediction device, which divides a hydrogen blowout part into first to third stages of calculation areas R1-R3 in order from the nearest part of a hydrogen supply pipe 33, performs calculation of a diffusion state of compressible fluid in R1 by a compression, stationary calculation system by a k-ω SST model, performs calculation of a diffusion state of the compressible fluid in R2 by an incompressible, stationary calculation system by the k-ω SST model, and performs calculation of a diffusion state of the compressible fluid in R3 by an incompressible, geostationary calculation system by an RSM model.

Description

本発明は、圧縮性流体が噴出部位に高圧噴出した時の該噴出部位における該圧縮性流体の拡散進行状態を予測する圧縮性流体拡散予測装置及び方法に関する。   The present invention relates to a compressible fluid diffusion prediction apparatus and method for predicting a diffusion progress state of a compressive fluid at an ejection portion when the compressive fluid is ejected at a high pressure to the ejection portion.

燃料電池電気自動車は、燃料としての水素を貯留する水素タンクを搭載し、水素タンク内の水素を配管を介して燃料電池へ供給して、燃料電池において発電を行っている。   A fuel cell electric vehicle is equipped with a hydrogen tank that stores hydrogen as a fuel, and supplies the hydrogen in the hydrogen tank to the fuel cell via a pipe to generate power in the fuel cell.

水素は、無色かつ無臭で比重が最も小さく拡散が早いといった、他の燃料にはない特性を持っており、これらの特性に配慮した設計(例:水素センサの取付位置や拡散空間の形状等)を燃料電池電気自動車について行うことが大切である。   Hydrogen has characteristics that are not found in other fuels, such as colorlessness, odorlessness, the smallest specific gravity, and quick diffusion, and is designed with consideration for these characteristics (eg, hydrogen sensor mounting position and diffusion space shape). It is important to carry out fuel cell electric vehicles.

従来は、車両を用いた実測試験によって水素の拡散状態を水素センサ(実測試験で用いる水素センサは、単なる水素の有無を検知する水素センサではなく、水素濃度を検出する水素センサ)により実測して、拡散空間の形状や水素センサの取付位置等を検討していたため、これらのレイアウトを決定するまでに長い期間を要していた。これに対し、水素が拡散空間を拡散しながら流れる挙動を圧縮性流体拡散予測で短期間に解析できれば、設計段階から拡散空間形状等を検討することができる。   Conventionally, the hydrogen diffusion state has been measured by a hydrogen sensor (a hydrogen sensor used in the measurement test is not a hydrogen sensor that detects the presence of hydrogen but a hydrogen sensor that detects the hydrogen concentration) through a measurement test using a vehicle. Since a study was made on the shape of the diffusion space, the mounting position of the hydrogen sensor, etc., it took a long time to determine these layouts. On the other hand, if the behavior of hydrogen flowing while diffusing in the diffusion space can be analyzed in a short time by compressible fluid diffusion prediction, the shape of the diffusion space can be examined from the design stage.

しかし、これまで、単純な形状に対して水素拡散圧縮性流体拡散予測を行って精度検証した報告はあるが(例えば非特許文献1,2)、燃料電池電気自動車の複雑な形状に対して圧縮性流体拡散予測の精度を検証し、設計検討に適用できる手法であることを実証した例は、水素応用技術分野の研究報告を調査した限り見当たらない。   However, until now there have been reports of accuracy verification by performing hydrogen diffusion compressible fluid diffusion prediction for simple shapes (for example, Non-Patent Documents 1 and 2), but compression for complex shapes of fuel cell electric vehicles. As a result of investigating research reports in the field of hydrogen application technology, there are no examples that verify the accuracy of the prediction of ionic fluid diffusion and prove that it is a method that can be applied to design studies.

特許文献1は、シミュレーションによる予測ではなく、石油化学工業のプラントにおいてガス漏洩が現実に発生した時に、漏出場所や気象条件を検知して、それらに基づき漏出ガスの拡散方面及び拡散範囲を所定の計算式から予測する方法を開示する。該予測方法によれば、ガス漏洩検知時点の風向風速データに基づいてガスの拡散角α及び風向の平均振れ角βを算出し、ガス検知地点から平均風向の風下側へ基準線を延ばし、該基準線を中心線にしてα+βの中心角範囲の領域と、漏洩場所を中心として各時点までのガス到達距離を半径とする円とが重なる扇形領域を各時点のガス拡散領域と推測する(特許文献1の第3図及び第4図)。   Patent Document 1 is not a prediction by simulation, but when a gas leak actually occurs in a petrochemical industry plant, the leak location and weather conditions are detected, and based on these, the diffusion direction and diffusion range of the leaked gas are determined. A method for predicting from a calculation formula is disclosed. According to the prediction method, the gas diffusion angle α and the average wind angle β of the wind direction are calculated based on the wind direction wind speed data at the time of gas leakage detection, the reference line is extended from the gas detection point to the leeward side of the average wind direction, A fan-shaped region in which the region of the central angle range of α + β with the reference line as the center line and the circle having the radius of the gas arrival distance up to each time point around the leak location is estimated as the gas diffusion region at each time point (patent) 3 and 4 of Literature 1).

非特許文献3は、水素拡散のシミュレーションについて仮想煙源法及び拡散空間分割法の2つの方法を開示する。仮想煙源法のシミュレーションでは、圧縮計算を要する噴出部位近傍は計算せず、円形の噴出口からの噴流に対する理論式を用いて、境界条件を設定し、残りの領域を計算している。   Non-Patent Document 3 discloses two methods for simulation of hydrogen diffusion: a virtual smoke source method and a diffusion space division method. In the simulation of the virtual smoke source method, the vicinity of the jet part that requires compression calculation is not calculated, but the boundary condition is set using the theoretical formula for the jet flow from the circular jet outlet, and the remaining area is calculated.

拡散空間分割法のシミュレーションでは、噴出部位近傍のマッハ数0.5より大きい領域を圧縮性領域として分割して計算し、その結果を境界条件として残りの非圧縮性領域を計算する。圧縮計算を必要な領域のみに限定するため、計算時間を短縮することができる。また、拡散空間分割法は、仮想煙源法とは異なり、複雑な空間形状を再現して計算することができる。   In the simulation of the diffusion space division method, a region having a Mach number greater than 0.5 in the vicinity of the ejection site is divided and calculated as a compressive region, and the remaining incompressible region is calculated using the result as a boundary condition. Since the compression calculation is limited to only the necessary area, the calculation time can be shortened. Further, unlike the virtual smoke source method, the diffusion space division method can be calculated by reproducing a complicated space shape.

特許第3025503号公報Japanese Patent No. 30255503

ミッシェル・R・S、エリック・S・G、マチュー・N・S:容器及び管路からの漏出水素によるリスク、米国DOE水素プログラムレビュー会報、NREL/CP−570−25315(1998)[Michael, R. S., Eric, S. G., Matthew, N. S.: Risk incurred by hydrogen escaping from containers and conduits, Proceedings of 1998 U.S. DOE Hydrogen Program Review, NREL/CP-570-25315(1998)]Michel R.S., Eric S.G, Mathieu N.S: Risks of leaking hydrogen from containers and pipelines, US DOE Hydrogen Program Review Bulletin, NREL / CP-570-25315 (1998) [Michael, RS , Eric, SG, Matthew, NS: Risk incurred by hydrogen escaping from containers and conduits, Proceedings of 1998 US DOE Hydrogen Program Review, NREL / CP-570-25315 (1998)] チョベレブ・A・V、デバール・J、チェン・Z、 コーフュ・R、ロゼック・R、リー・C:水素のCFモデリング、SAE J2578試験法開発の拡散実験、第2回水素安全国際会議(水素タンク2007)[Tchouvelev, A. V., Devaal, J., Cheng, Z. , Corfu, R. ,Rozek, R. , Lee, C.: CFD modeling of hydrogen. ,dispersion experiments for SAE J2578 test methods development, 2nd International Conference of Hydrogen Safety(2007)]Chobereb AV, Devar J, Chen Z, Kofu R, Rosec R, Lee C: Hydrogen CF modeling, SAE J2578 test method diffusion experiment, 2nd International Conference on Hydrogen Safety (hydrogen tank 2007) [Tchouvelev, AV, Devaal, J., Cheng, Z., Corfu, R., Rozek, R., Lee, C .: CFD modeling of hydrogen., Dispersion experiments for SAE J2578 test methods development, 2nd International Conference of Hydrogen Safety (2007)] 独立行政法人新エネルギー産業技術開発機構:水素の有効利用ガイドブックNew Energy Industrial Technology Development Organization: Effective Use Guidebook for Hydrogen

例えば、燃料電池電気自動車では、水素供給管や弁等は、車室の後部及び下部に、複雑な面形状の壁材により車室等から仕切られた空間内に収容されており、また、その収容空間には、その他の部品も一緒に配設されており、水素漏出の場合の拡散空間は複雑な形状となる。なお、拡散空間の形状とは、該拡散空間の外面形状と共に、該拡散空間の内部に収容されている部品の表面形状から決まる内面形状も含むものとする。   For example, in a fuel cell electric vehicle, a hydrogen supply pipe, a valve, and the like are accommodated in a space partitioned from the passenger compartment by a complex surface-shaped wall material at the rear and lower portions of the passenger compartment. Other parts are also arranged in the accommodation space, and the diffusion space in the case of hydrogen leakage has a complicated shape. In addition, the shape of the diffusion space includes the outer surface shape of the diffusion space and the inner surface shape determined from the surface shape of the components accommodated in the diffusion space.

特許文献1の漏出ガス拡散予測は、現実にガス漏洩が起きてからのガス拡散予測であるとともに、周囲に障害物の存在しない野外空間での水平方向のガス拡散を予測するものであり、非特許文献1,2のシミュレーションによる拡散予測と同様に、複雑形状の拡散空間への漏出ガス拡散予測については困難である。   The leakage gas diffusion prediction of Patent Document 1 is a gas diffusion prediction after gas leakage actually occurs, and predicts horizontal gas diffusion in an outdoor space where there are no obstacles around. Similar to the diffusion prediction by the simulations of Patent Documents 1 and 2, it is difficult to predict the leakage gas diffusion into the diffusion space having a complicated shape.

非特許文献3の煙源法によるシミュレーション計算は、計算時間は短縮されるが、圧縮計算を要する噴出部位近傍の円形範囲は計算を省略するものであり、噴出部位近傍に障害物がある場合には適用が困難であることから、複雑形状の解析には適さない。   In the simulation calculation by the smoke source method of Non-Patent Document 3, the calculation time is shortened, but the circular range in the vicinity of the ejection part requiring compression calculation is omitted, and there is an obstacle in the vicinity of the ejection part. Is difficult to apply and is not suitable for analysis of complex shapes.

非特許文献3の拡散空間分割法のシミュレーションは、複雑形状の噴出部位における水素の拡散状態の予測にも適用することができるが、本発明者が、非特許文献3の拡散空間分割法を用いた場合の計算所要時間を見積もったところ、現状の計算機性能では並列計算を行ったとしても、1秒分の計算に約3週間を必要とすることが判明した。また、水素拡散挙動は数秒から数十秒のオーダで解析したいため、従来の実測による検討に比べて,検討期間を短縮することができない。   Although the simulation of the diffusion space division method of Non-Patent Document 3 can be applied to the prediction of the hydrogen diffusion state at the complex-shaped ejection site, the present inventor uses the diffusion space division method of Non-Patent Document 3. As a result, it was found that the current computer performance required about 3 weeks to calculate for one second even if parallel calculation was performed. Moreover, since it is desired to analyze the hydrogen diffusion behavior on the order of several seconds to several tens of seconds, the examination period cannot be shortened as compared with the examination based on the conventional measurement.

本発明の目的は、複雑形状の拡散空間における噴出圧縮性流体の拡散状態を、計算時間を大幅に短縮して予測することができる圧縮性流体拡散予測装置及び方法を提供することである。   An object of the present invention is to provide a compressible fluid diffusion prediction apparatus and method capable of predicting the diffusion state of a jet compressible fluid in a diffusion space having a complicated shape by greatly reducing the calculation time.

第1発明の圧縮性流体拡散予測装置は、圧縮性流体に対しその拡散空間の形状及び該拡散空間における該圧縮性流体の噴出部位を予め設定して、圧縮性流体が該噴出部位から噴出したときの該拡散空間内における前記圧縮性流体の拡散の進行を予測する圧縮性流体拡散予測装置であって、前記拡散空間内において前記噴出部位に近い方を内側、遠い方を外側にして前記拡散空間をその内側から外側へ3つ以上の複数の計算領域に分割する分割手段と、各計算領域における前記圧縮性流体の拡散状態の計算において、最も内側の計算領域には圧縮・定常計算方式を割り当て、最も外側の計算領域には非圧縮・非定常計算方式を割り当て、中間計算領域には非圧縮・定常計算方式を割り当てる計算方式割当手段と、計算領域ごとに、それに適用する乱流モデルを選定する乱流モデル選定手段と、各計算領域における圧縮性流体の拡散状態を、各計算領域に対して前記計算方式割当手段が割り当てた計算方式と前記乱流モデル選定手段が選定した乱流モデルとに従って計算し、この計算に基づく前記圧縮性流体の噴出開始時点からの各離散時間の経過時点での各計算領域における圧縮性流体の拡散状態から、この経過時点での前記拡散空間における圧縮性流体の拡散状態を計算する時点別拡散状態計算手段と、
前記時点別拡散状態計算手段が計算した、離散時間の経過ごとの前記拡散空間における圧縮性流体の拡散状態を、各経過時点までの前記拡散空間における圧縮性流体の拡散進行状態として予測する予測手段と、を備えることを特徴とする。
The compressive fluid diffusion prediction apparatus according to the first aspect of the present invention presets the shape of the diffusion space and the ejection portion of the compressive fluid in the diffusion space for the compressive fluid, and the compressive fluid is ejected from the ejection portion. A compressive fluid diffusion prediction apparatus for predicting the progress of diffusion of the compressive fluid in the diffusion space when the diffusion is performed with the side closer to the ejection site in the diffusion space being the inner side and the far side being the outer side. In the calculation of the diffusion state of the compressible fluid in each calculation area, the dividing means for dividing the space into three or more calculation areas from the inside to the outside, the compression / steady calculation method is applied to the innermost calculation area. Allocate and assign the uncompressed / unsteady calculation method to the outermost calculation area, assign the uncompressed / steady calculation method to the intermediate calculation area, and apply it to each calculation area. The turbulence model selection means for selecting a turbulent model, the calculation method assigned by the calculation method assignment means for each calculation area, and the turbulent model selection means for the diffusion state of the compressible fluid in each calculation area Calculated from the turbulent flow model, and based on this calculation, the diffusion of the compressive fluid in each calculation region at each discrete time from the start of the ejection of the compressive fluid, A point-by-time diffusion state calculation means for calculating the diffusion state of the compressible fluid in the space;
Prediction means for predicting the diffusion state of the compressible fluid in the diffusion space for each lapse of discrete time calculated by the time-dependent diffusion state calculation means as the diffusion progress state of the compressive fluid in the diffusion space up to each elapsed time And.

第1発明によれば、噴出部位を圧縮性流体側から遠ざかる側へ3以上の拡散空間に分割し、最も内側の計算領域と最も外側の計算領域との間に中間計算領域を挿入することにより、所定の予測精度を保証しつつ非圧縮・定常計算で済ませられる拡散空間部分を生成して、拡散空間全体の計算時間を短縮することができる。   According to the first aspect of the present invention, the ejection part is divided into three or more diffusion spaces in the direction away from the compressive fluid side, and an intermediate calculation area is inserted between the innermost calculation area and the outermost calculation area. In addition, it is possible to reduce the calculation time of the entire diffusion space by generating a diffusion space portion that can be completed by non-compression and steady calculation while guaranteeing a predetermined prediction accuracy.

第2発明の圧縮性流体拡散予測装置は、前記分割手段は、前記拡散空間を、前記計算領域より細かい領域としての複数のメッシュに分割するとともに、前記複数の計算領域の境界がメッシュ間の境界になるように、前記拡散空間を前記複数の計算領域に分割し、前記時点別拡散状態計算手段は、圧縮性流体の濃度をメッシュを単位に計算して、前記拡散空間における圧縮性流体の濃度分布を前記拡散空間における圧縮性流体の拡散状態として計算するものであり、前記分割手段は、メッシュによる前記拡散空間の分割状態を前記拡散空間の各部位の圧縮性流体のマッハ数と前記拡散空間の境界面とに基づき設定し、かつ中間計算領域の個数及び境界を、前記時点別拡散状態計算手段による離散時間の経過ごとの全メッシュにおける濃度計算時間が最小になるように、設定することを特徴とする。   In the compressible fluid diffusion prediction apparatus according to a second aspect of the invention, the dividing unit divides the diffusion space into a plurality of meshes as regions smaller than the calculation region, and a boundary between the plurality of calculation regions is a boundary between meshes. The diffusion space is divided into the plurality of calculation regions so that the time-dependent diffusion state calculation means calculates the concentration of the compressible fluid in units of meshes, and the concentration of the compressive fluid in the diffusion space is calculated. The distribution is calculated as a diffusion state of the compressive fluid in the diffusion space, and the dividing unit determines the division state of the diffusion space by a mesh and the Mach number of the compressive fluid in each part of the diffusion space and the diffusion space. And the number of intermediate calculation areas and boundaries are calculated when the concentration of all meshes is calculated for each lapse of discrete time by the time-dependent diffusion state calculation means. There as a minimum, and sets.

拡散空間における圧縮性流体の拡散状態を、メッシュを単位とする圧縮性流体の濃度として計算する結果、メッシュによる拡散空間の分割状態は圧縮性流体の拡散状態の計算時間に影響を与える。このため、メッシュによる拡散空間の分割状態により境界を決められる中間計算領域の個数及びそれらの境界設定も、圧縮性流体の拡散状態の計算時間に影響を与える。第2発明によれば、中間計算領域の個数及び境界を適切に設定できるので、拡散空間全体のシミュレーション計算時間の短縮を図ることができる。   As a result of calculating the diffusion state of the compressive fluid in the diffusion space as the concentration of the compressive fluid in units of meshes, the division state of the diffusion space by the mesh affects the calculation time of the diffusion state of the compressive fluid. For this reason, the number of intermediate calculation regions whose boundaries are determined by the division state of the diffusion space by the mesh and the setting of the boundaries also affect the calculation time of the diffusion state of the compressible fluid. According to the second invention, since the number and boundaries of the intermediate calculation regions can be appropriately set, it is possible to shorten the simulation calculation time for the entire diffusion space.

第3発明の圧縮性流体拡散予測装置は、第1及び第2発明の圧縮性流体拡散予測装置において、前記拡散空間は少なくとも上方及び側方は壁面により画成された空間となっており、前記乱流モデル選定手段は、最も外側の計算領域に対しては乱流の異方性を計算可能としている乱流モデルを選定し、最も内側の計算領域に対しては噴流乱流について計算精度を確保する乱流モデルを選定することを特徴とする。   The compressible fluid diffusion prediction device according to a third aspect of the present invention is the compressive fluid diffusion prediction device according to the first and second aspects, wherein the diffusion space is a space defined by at least an upper side and a side wall, The turbulence model selection means selects the turbulence model that can calculate the anisotropy of the turbulence for the outermost calculation area, and the calculation accuracy for the jet turbulence for the innermost calculation area. It is characterized by selecting a turbulent model to be secured.

燃料電池電気自動車では、水素タンクや配管は、上方及び側方を仕切り部材により仕切られた複雑形状の収容空間に配備されることが一般的である。   In the fuel cell electric vehicle, the hydrogen tank and the pipe are generally arranged in a housing space having a complicated shape, which is partitioned upward and laterally by a partition member.

第3発明によれば、最外側の計算領域に乱流の異方性を計算可能としている乱流モデルを選定し、最も内側の計算領域に対しては噴流乱流について計算精度を確保する乱流モデルを選定することにより、燃料電池電気自動車等の圧縮性流体噴出時の圧縮性流体の拡散状態の予測精度を高めることができる。   According to the third invention, a turbulent flow model capable of calculating the anisotropy of turbulent flow is selected in the outermost calculation region, and the turbulence that ensures calculation accuracy for the jet turbulent flow is calculated for the innermost calculation region. By selecting the flow model, it is possible to improve the prediction accuracy of the diffusion state of the compressive fluid when the compressive fluid is ejected from a fuel cell electric vehicle or the like.

第4発明の圧縮性流体拡散予測装置は、第3発明の圧縮性流体拡散予測装置において、前記予測手段が予測した予測拡散進行状態を表示する表示手段を備えることを特徴とする。   A compressible fluid diffusion prediction apparatus according to a fourth aspect of the present invention is the compressive fluid diffusion prediction apparatus according to the third aspect of the present invention, further comprising display means for displaying the predicted diffusion progress state predicted by the prediction means.

第4発明によれば、解析者は、表示を見て、拡散空間の形状、拡散空間内の部品のレイアウト等を検討することができる。   According to the fourth aspect of the invention, the analyst can look at the display and examine the shape of the diffusion space, the layout of components in the diffusion space, and the like.

第5発明の圧縮性流体拡散予測装置は、第4発明の圧縮性流体拡散予測装置において、前記表示手段は、前記拡散空間の形状を含む複数の拡散条件のそれぞれに対して前記予測手段が予測した複数の予測拡散進行状態を対比可能に表示する。   The compressible fluid diffusion prediction apparatus according to a fifth aspect of the present invention is the compressive fluid diffusion prediction apparatus according to the fourth aspect of the invention, wherein the display means predicts each of a plurality of diffusion conditions including the shape of the diffusion space. A plurality of predicted diffusion progress states are displayed in a comparable manner.

解析者は、拡散条件ごとに予測した拡散空間における圧縮性流体の拡散進行状態の予測結果を見て、それに基づき拡散空間の設計を適切にすることができる。   The analyst can see the prediction result of the diffusion progress state of the compressible fluid in the diffusion space predicted for each diffusion condition, and can appropriately design the diffusion space based on the prediction result.

第6発明の圧縮性流体拡散予測方法は、圧縮性流体に対しその拡散空間の形状及び該拡散空間における該圧縮性流体の噴出部位を予め設定して、圧縮性流体が該噴出部位から噴出したときの該拡散空間内における前記圧縮性流体の拡散の進行を予測する圧縮性流体拡散予測方法であって、コンピュータが、前記拡散空間内において前記噴出部位に近い方を内側、遠い方を外側にして前記拡散空間をその内側から外側へ3つ以上の計算領域に分割する分割ステップと、コンピュータが、各計算領域における前記圧縮性流体の拡散状態の計算において、最も内側の計算領域には圧縮・定常計算方式を割り当て、最も外側の計算領域には非圧縮・非定常計算方式を割り当て、中間計算領域には非圧縮・定常計算方式を割り当てる計算方式割当ステップと、コンピュータが、計算領域ごとに、それに適用する乱流モデルを選定する乱流モデル選定ステップと、コンピュータが、各計算領域における圧縮性流体の拡散状態を、各計算領域に対して前記計算方式割当ステップにおいて割り当てた計算方式と前記乱流モデル選定ステップにおいて選定した乱流モデルとに従って計算し、この計算に基づく前記圧縮性流体の噴出開始時点からの各離散時間の経過時点での各計算領域における圧縮性流体の拡散状態から、この経過時点での前記拡散空間における圧縮性流体の拡散状態を計算する時点別拡散状態計算ステップと、コンピュータが、前記時点別拡散状態計算ステップにおいて計算した、離散時間の経過ごとの前記拡散空間における圧縮性流体の拡散状態を、各経過時点までの前記拡散空間における圧縮性流体の拡散進行状態として予測する予測ステップと、を備えることを特徴とする。   In the compressive fluid diffusion prediction method of the sixth aspect of the present invention, the shape of the diffusion space and the jetting site of the compressive fluid in the diffusion space are preset for the compressive fluid, and the compressive fluid is jetted from the jetting site. A compressive fluid diffusion prediction method for predicting the progress of diffusion of the compressive fluid in the diffusion space at the time, wherein the computer sets the side closer to the ejection site in the diffusion space to the inner side and the far side to the outer side. Dividing the diffusion space into three or more calculation regions from the inside to the outside, and the computer calculates the compression state in the innermost calculation region in the calculation of the diffusion state of the compressible fluid in each calculation region. Assign a steady calculation method, assign an uncompressed / unsteady calculation method to the outermost calculation region, and assign an uncompressed / steady calculation method to the intermediate calculation region. A turbulence model selection step in which the computer selects a turbulence model to be applied to each calculation area; and the computer calculates the diffusion state of the compressible fluid in each calculation area with respect to each calculation area. Calculated according to the calculation method assigned in the assigning step and the turbulent flow model selected in the turbulent model selection step, and each calculation region at the time when each discrete time has elapsed from the start point of ejection of the compressible fluid based on this calculation A step-by-time diffusion state calculation step for calculating the diffusion state of the compressive fluid in the diffusion space at this time point from the diffusion state of the compressive fluid at The diffusion state of the compressive fluid in the diffusion space over time, the diffusion space up to each time point Characterized in that it and a prediction step of predicting the progress of diffusion of the definitive compressive fluid.

第6発明によれば、噴出部位を圧縮性流体側から遠ざかる側へ3以上の拡散空間に分割し、最も内側の計算領域と最も外側の計算領域との間に中間計算領域を挿入することにより、所定の予測精度を保証しつつ非圧縮・定常計算で済ませられる拡散空間部分を確保して、拡散空間全体の計算時間を短縮することができる。   According to the sixth aspect of the invention, by dividing the ejection part into three or more diffusion spaces on the side away from the compressive fluid side and inserting an intermediate calculation area between the innermost calculation area and the outermost calculation area In addition, it is possible to secure a diffusion space portion that can be processed by non-compression and steady calculation while guaranteeing a predetermined prediction accuracy, and to shorten the calculation time of the entire diffusion space.

水素タンクを搭載する燃料電池電気自動車の概略構成図。The schematic block diagram of the fuel cell electric vehicle carrying a hydrogen tank. 水素供給管の所定部位から水素の噴出が生じたときのフロアパネルの下側空間における水素の拡散についての説明図。Explanatory drawing about the spreading | diffusion of hydrogen in the lower side space of a floor panel when the ejection of hydrogen arises from the predetermined site | part of a hydrogen supply pipe | tube. 3段分割計算法における拡散空間の分割説明図。Explanatory drawing of the diffusion space in the three-stage division calculation method. 噴出口径及び噴出流量を同一にして第1段の計算領域までの噴出軸上の水素濃度を種々の乱流モデルでシミュレーション計算したときの各計算値と実験値との対比を示すグラフ。The graph which shows the comparison of each calculated value and experimental value when carrying out the simulation calculation of the hydrogen concentration on the ejection axis | shaft to the calculation area | region of the 1st step | paragraph by making a jet nozzle diameter and the jet flow volume the same with various turbulence models. 噴出口径及び噴出流量についての3つの組合せについて第1段の計算領域までの噴出軸上の水素濃度を、乱流モデルをk−ω SSTモデルに選定してシミュレーション計算したときの各計算値と実験値とを対比するグラフ。Calculations and experiments when calculating the hydrogen concentration on the jet axis up to the first stage calculation area for the three combinations of jet diameter and jet flow, and selecting the turbulent model as the k-ω SST model A graph that compares values. 噴出口径及び噴出流量を同一にして第3段の計算領域における噴出軸上の水素濃度を種々の乱流モデルでシミュレーション計算したときの各計算値と実験値との対比を示すグラフ。The graph which shows the comparison of each calculated value and an experimental value when carrying out the simulation calculation of the hydrogen concentration on the ejection axis | shaft in the calculation area | region of a 3rd step | paragraph by making a jet nozzle diameter and the ejection flow volume the same with various turbulent models. 計算時間と計算精度との対比関係を検証するために使用した燃料電池電気自動車において選定した水素噴出部位を示す図。The figure which shows the hydrogen ejection site | part selected in the fuel cell electric vehicle used in order to verify the contrast relationship of calculation time and calculation accuracy. 検証に使用した自動車において選定した3つの水素センサの取付位置の説明図。Explanatory drawing of the attachment position of the three hydrogen sensors selected in the motor vehicle used for verification. 検証に使用した自動車における検証実験の実験結果と照合するためのシミュレーションによる3段分割計算における各段の計算結果についての水素濃度のコンター図。The contour figure of the hydrogen concentration about the calculation result of each stage in the three-stage division | segmentation calculation by the simulation for collating with the experimental result of the verification experiment in the motor vehicle used for verification. 水素濃度の評価ポイントにおいて実測値と比較した結果を示すグラフ。The graph which shows the result compared with the measured value in the evaluation point of hydrogen concentration. 圧縮性流体拡散予測装置を実現するハードウェア構成図。The hardware block diagram which implement | achieves a compressible fluid diffusion prediction apparatus. 圧縮性流体拡散予測装置のブロック図。The block diagram of a compressible fluid diffusion prediction apparatus. 圧縮性流体拡散予測装置が実施する予測方法のフローチャート。The flowchart of the prediction method which a compressible fluid diffusion prediction apparatus implements.

[燃料電池電気自動車における水素噴出]
図1において、燃料電池電気自動車10は、車体11の前部及び後部の下側に前輪12及び後輪13を装備している。車室16は、車体11内に形成され、下側をフロアパネル17により画成されている。
[Hydrogen ejection in fuel cell electric vehicles]
In FIG. 1, a fuel cell electric vehicle 10 is equipped with a front wheel 12 and a rear wheel 13 below a front portion and a rear portion of a vehicle body 11. The vehicle compartment 16 is formed in the vehicle body 11, and the lower side is defined by a floor panel 17.

フロアパネル17は、後端部において隆起して、車体11の後壁の下端部を画成する。水素タンク20は、フロアパネル17の隆起部分の内面側に配設される。燃料電池21は、フロアパネル17の前後方向中間部分の下側に配設され、水素タンク20からの水素により発電を行う。モータ22及びバッテリ23は共に車体11のボンネット内の空間に配設される。燃料電池21の生成電力はバッテリ23に蓄えられ、モータ22は、バッテリ23からの電力により作動し、駆動輪の前輪12を駆動する。   The floor panel 17 is raised at the rear end portion to define the lower end portion of the rear wall of the vehicle body 11. The hydrogen tank 20 is disposed on the inner surface side of the raised portion of the floor panel 17. The fuel cell 21 is disposed below the middle portion of the floor panel 17 in the front-rear direction, and generates power using hydrogen from the hydrogen tank 20. Both the motor 22 and the battery 23 are disposed in a space in the hood of the vehicle body 11. The generated power of the fuel cell 21 is stored in the battery 23, and the motor 22 is operated by the power from the battery 23 to drive the front wheels 12 of the drive wheels.

水素センサ28は、水素タンク20の収容空間部分の上方に配備されて、水素タンク20の収容空間部分の水素濃度を検出する。水素センサ29は、燃料電池21の収容空間部分の上方に配備され、燃料電池21の収容空間部分の水素濃度を検出する。水素センサ30は、車室16の天井に配備され、車室16内の水素濃度を検出する。水素センサ28〜30は、各取り付け箇所における水素濃度を検出するが、燃料電池電気自動車10に配備する水素センサは、その個数及び取付箇所を適切に選定されて、燃料電池電気自動車10において経路外への水素の噴出が起きた時には、それを迅速に検出できるようになっていなくてはならない。   The hydrogen sensor 28 is disposed above the housing space portion of the hydrogen tank 20 and detects the hydrogen concentration in the housing space portion of the hydrogen tank 20. The hydrogen sensor 29 is disposed above the housing space portion of the fuel cell 21 and detects the hydrogen concentration in the housing space portion of the fuel cell 21. The hydrogen sensor 30 is disposed on the ceiling of the passenger compartment 16 and detects the hydrogen concentration in the passenger compartment 16. The hydrogen sensors 28 to 30 detect the hydrogen concentration at each mounting location, but the number and mounting locations of the hydrogen sensors deployed in the fuel cell electric vehicle 10 are appropriately selected, and the fuel cell electric vehicle 10 is out of the path. When a hydrogen eruption occurs, it must be able to detect it quickly.

図2において、水素タンク20は、軸線を燃料電池電気自動車10の左右水平方向に揃えて、フロアパネル17の下側に配設されている。水素供給管33は、水素タンク20の近傍では、水素タンク20の軸線に沿って水素タンク20から水平方向側方へ突出し、圧縮水素を燃料電池21へ導いている。図2では、水素供給管33の所定箇所に水素漏れが生じ、圧縮水素が、F1のように、噴出部位34から上方へ噴出している状態を想定している。   In FIG. 2, the hydrogen tank 20 is arranged on the lower side of the floor panel 17 with the axis line aligned in the horizontal direction of the fuel cell electric vehicle 10. In the vicinity of the hydrogen tank 20, the hydrogen supply pipe 33 projects horizontally from the hydrogen tank 20 along the axis of the hydrogen tank 20, and guides compressed hydrogen to the fuel cell 21. In FIG. 2, it is assumed that hydrogen leaks at a predetermined location of the hydrogen supply pipe 33, and compressed hydrogen is ejected upward from the ejection portion 34, as in F1.

フロアパネル17の下側の空間は複雑空間を想定しているとともに、タンク周り部品36〜38が、フロアパネル17の水平の上壁部と水素タンク20との上下方向範囲に、また、タンク横部品40が水素タンク20の左右水平方向の側方に存在することを想定している。   The space below the floor panel 17 is assumed to be a complex space, and the tank peripheral parts 36 to 38 are arranged in the vertical range between the horizontal upper wall portion of the floor panel 17 and the hydrogen tank 20 and also to the side of the tank. It is assumed that the component 40 exists on the lateral side of the hydrogen tank 20 in the horizontal direction.

図2において、(a)は(b)のRxの拡大図である。図2(a)において、圧縮水素は、水素供給管33の噴出部位34から上方へ噴出し、Rxの範囲において末広がりに上方へ直線的に進む。噴出直後の噴流では、水素のみとなっており、上方へ進むに連れて、周囲の空気を巻き込んで、空気との混合状態になる。Rxにおいて、水素の末広がり直進部分の外側の範囲では、空気の渦が上下方向に複数層にわたり生成される。   In FIG. 2, (a) is an enlarged view of Rx in (b). In FIG. 2A, the compressed hydrogen is ejected upward from the ejection part 34 of the hydrogen supply pipe 33 and linearly advances upward in the range of Rx. In the jet immediately after jetting, it is only hydrogen, and as it goes upward, the surrounding air is entrained and mixed with air. In Rx, air vortices are generated in a plurality of layers in the vertical direction in a range outside the straight-forward portion of hydrogen spreading outwardly.

図2(b)において、Rxの上の境界から出た水素は、フロアパネル17の斜面に突き当たると、方向転換して、F2に示すように、フロアパネル17の斜面に沿って上昇する。次に、水素は、フロアパネル17の上面の水平部に沿って、水素供給管33とは反対側の水素タンク20の端部の方面へ流れる。水素の圧力は徐々に大気圧へ低下する。   In FIG. 2B, when the hydrogen coming out from the upper boundary of Rx hits the slope of the floor panel 17, the direction changes and rises along the slope of the floor panel 17 as indicated by F2. Next, the hydrogen flows along the horizontal portion on the upper surface of the floor panel 17 toward the end portion of the hydrogen tank 20 on the side opposite to the hydrogen supply pipe 33. The hydrogen pressure gradually decreases to atmospheric pressure.

水素は、フロアパネル17の水平な上壁部の水素供給管33とは反対側に端部付近で、F3に示すように、渦を生成する。その後、フロアパネル17の斜面部に沿って下降する。水素は、水素供給管33とは反対側の水素タンク20の端部近辺で十分に1気圧に接近し、その後は、F4に示すように、浮力により上昇する。   Hydrogen generates a vortex as shown by F3 in the vicinity of the end on the opposite side of the horizontal upper wall portion of the floor panel 17 from the hydrogen supply pipe 33. Then, it descends along the slope of the floor panel 17. The hydrogen sufficiently approaches 1 atm in the vicinity of the end of the hydrogen tank 20 on the side opposite to the hydrogen supply pipe 33, and thereafter rises by buoyancy as indicated by F4.

次に説明する3段分割計算手法は、以上に説明した燃料電池電気自動車10における水素の噴出状況を踏まえて、その拡散状態進行を短時間で予測するものとして、案出され、また、十分に予測精度が得られることを検証することができた。   The three-stage division calculation method described below was devised as a method for predicting the progress of the diffusion state in a short time based on the hydrogen ejection state in the fuel cell electric vehicle 10 described above. It was verified that the prediction accuracy was obtained.

[3段分割計算手法]
図3において、R1〜R3は、第1段〜第3段の計算領域に対応し、3次元空間となっている。Hは噴出水素を示している。後述するように、水素の拡散状態を計算する拡散空間はR1〜R3の3つの計算領域に分割される。噴出部位34に近い側を内側、噴出部位34から遠い側を外側と定義すると、R2はR1の外側に隣接し、R3はR2の外側に隣接する。
[Three-stage division calculation method]
In FIG. 3, R1 to R3 correspond to the first to third calculation areas and are a three-dimensional space. H represents ejected hydrogen. As will be described later, the diffusion space for calculating the hydrogen diffusion state is divided into three calculation regions R1 to R3. If the side closer to the ejection part 34 is defined as the inner side and the side far from the ejection part 34 is defined as the outer side, R2 is adjacent to the outer side of R1, and R3 is adjacent to the outer side of R2.

R1〜R3の計算領域間の境界面について、クーラン数Cの算出式(1)に基づいて説明する。
C=(v・Δt)/Δx・・・(1)
ただし、各記号の意味は次のとおりである。
v:流体の速度
Δt:時間ステップ(time step)
Δx:メッシュサイズ
The boundary surface between the calculation areas R1 to R3 will be described based on the calculation formula (1) for the Courant number C.
C = (v · Δt) / Δx (1)
However, the meaning of each symbol is as follows.
v: fluid velocity Δt: time step
Δx: Mesh size

圧縮は時間ステップ当たりの流体の移動メッシュ数を表し、過度に大きいと反復計算中の数値の発散や、時間変化の高周波成分の喪失による精度低下を引き起こす。1以上の圧縮で非定常計算が可能な陰解法を用いても、信頼性のある計算を行うためには、クーラン数Cの上限値は40程度となる。   The compression represents the number of moving meshes of fluid per time step, and if it is too large, the numerical value diverges during iterative calculation and the accuracy decreases due to the loss of the high-frequency component of the time change. Even if an implicit method capable of non-stationary calculation with one or more compressions is used, the upper limit of the Courant number C is about 40 in order to perform a reliable calculation.

流速vが高く、メッシュサイズΔxが小さい噴出口近傍を含む非定常計算において、クーラン数C<40の制約を満たすためには、時間ステップΔtを小さくしなければならない。これは、圧縮性流体の噴出開始から所定時間経過した時における圧縮性流体の拡散状態を計算終了するまでの時間ステップ数を増大させて、計算時間の増大に繋がる。   In the unsteady calculation including the vicinity of the jet outlet where the flow velocity v is high and the mesh size Δx is small, the time step Δt must be reduced in order to satisfy the constraint of the Courant number C <40. This increases the calculation time by increasing the number of time steps until the calculation of the diffusion state of the compressive fluid when a predetermined time has elapsed since the start of the ejection of the compressive fluid.

R1とR2との境界面は、該境界面より内側の圧縮性拡散空間と、該境界面より外側の非圧縮性拡散空間とを分ける境界面として定義され、例えばマッハ数=0.5を境界面とする。すなわち、この例では、R1はマッハ数≧0.5の計算領域とし、R2,R3はマッハ数<0.5の計算領域としている。水素の音速は1200m/sであるから、マッハ数=0.5は、式(1)においてv=600m/sとなる。   The boundary surface between R1 and R2 is defined as a boundary surface that divides a compressive diffusion space inside the boundary surface and an incompressible diffusion space outside the boundary surface. For example, the boundary surface has a Mach number of 0.5. A surface. That is, in this example, R1 is a calculation region where Mach number ≧ 0.5, and R2 and R3 are calculation regions where Mach number <0.5. Since the sound velocity of hydrogen is 1200 m / s, the Mach number = 0.5 is v = 600 m / s in the equation (1).

なお、水素におけるマッハ数≧0.5は、クーラン数Cが40より十分に小さい領域になるように、Δt及びΔxが定義される。Δtは、R1〜R3において共通の値に定義される。Δxは、拡散空間全体にわたり1つの値を設定してもよいし、R1〜R3の各計算領域における水素の拡散状態の計算精度が許容値内になるように、拡散空間R1〜R3ごとに標準値を設定することもできる。各計算領域においても、共通の値を設定することなく、部品(パーツ)の近傍ではその他の場所より小さく設定することもできる。外側の計算領域ほど、流速は低下するので、各計算領域の計算精度を許容値内にする各計算領域の標準(デフォルト)メッシュサイズは外側の計算領域ほど大きくして、計算時間の短縮を図ることができる。ただし、Δxは、燃料電池電気自動車10の水素タンク20の収容空間のような複雑形状の噴出部位に対しては、複雑形状の再現のために、メッシュサイズをR3において最大5mm以下にする必要がある。   Note that Δt and Δx are defined so that the Mach number ≧ 0.5 in hydrogen is in a region where the Courant number C is sufficiently smaller than 40. Δt is defined as a common value in R1 to R3. Δx may be set to one value over the entire diffusion space, or standard for each diffusion space R1 to R3 so that the calculation accuracy of the hydrogen diffusion state in each calculation region of R1 to R3 is within an allowable value. You can also set a value. In each calculation area, a common value can be set smaller than other places in the vicinity of the part (part) without setting a common value. Since the flow velocity decreases in the outer calculation area, the standard (default) mesh size of each calculation area that keeps the calculation accuracy of each calculation area within the allowable value is increased in the outer calculation area to shorten the calculation time. be able to. However, Δx needs to be a mesh size of 5 mm or less at R3 in order to reproduce the complex shape for a complex-shaped ejection portion such as the housing space of the hydrogen tank 20 of the fuel cell electric vehicle 10. is there.

R2とR3との境界面は、該境界面に対して内側のR2では、クーラン数C>40であり、外側のR3ではクーラン数C≦40となるように、設定されている。   The boundary surface between R2 and R3 is set so that the Courant number C> 40 at the inner R2 and the Courant number C ≦ 40 at the outer R3.

噴出部位における圧縮性流体の拡散状態の計算では、拡散空間に対して最初にメッシュを設定し、各メッシュのマッハ数及びクーラン数を計算して、R1とR2との境界面、及びR2とR3との境界面を設定してから、その後、各計算領域ごとの各メッシュにおける圧縮性流体の拡散状態の計算に進む。圧縮性流体の拡散状態の計算では、内側の計算領域から順番に行い、各計算領域における圧縮性流体の拡散状態の計算が終了すると、外側に隣接する拡散空間との境界における境界値を計算してから、該外側に隣接する拡散空間のメッシュにおける圧縮性流体の拡散状態の計算を、該拡散空間における計算方式で開始する。なお、同一の拡散空間においても内側のメッシュから外側のメッシュへ(又は水素の進行方向へ)順番に各メッシュにおける圧縮性流体の拡散状態を計算していく。   In the calculation of the diffusion state of the compressive fluid at the ejection site, the mesh is first set in the diffusion space, the Mach number and the Couran number of each mesh are calculated, the boundary surface between R1 and R2, and R2 and R3 Then, the process proceeds to calculation of the diffusion state of the compressible fluid in each mesh for each calculation region. The calculation of the diffusion state of the compressible fluid is performed in order from the inner calculation area, and when the calculation of the diffusion state of the compressible fluid in each calculation area is completed, the boundary value at the boundary with the diffusion space adjacent to the outer side is calculated. After that, the calculation of the diffusion state of the compressive fluid in the mesh of the diffusion space adjacent to the outside starts with the calculation method in the diffusion space. In the same diffusion space, the diffusion state of the compressible fluid in each mesh is calculated in order from the inner mesh to the outer mesh (or in the hydrogen traveling direction).

R1は圧縮計算領域とし、R2,R3は非圧縮計算領域とする。R1,R2は定常計算領域とし、R3は非定常計算領域とする。換言すると、R1における圧縮性流体の拡散状態の計算は、圧縮・定常計算方式で行い、R2における圧縮性流体の拡散状態の計算は、非圧縮・定常計算方式で行い、R3における圧縮性流体の拡散状態の計算は、非圧縮・非定常計算方式で行う。計算は、例えば陰解法、SIMPLE法を用いる。圧縮性流体として水素の浮力を考慮するため、例えばナビエストークス方程式の体積項に重力式を追加したモデルを使用する。水素と空気の混合、拡散を計算するために、例えば、FICKの拡散式をベースに乱流拡散を考慮したモデルを用いる。   R1 is a compression calculation area, and R2 and R3 are non-compression calculation areas. R1 and R2 are assumed to be steady calculation areas, and R3 is assumed to be a non-steady calculation area. In other words, the calculation of the diffusion state of the compressible fluid in R1 is performed by the compression / steady calculation method, the calculation of the diffusion state of the compressible fluid in R2 is performed by the non-compression / steady calculation method, and the compression fluid in R3 is calculated. The calculation of the diffusion state is performed by an uncompressed / unsteady calculation method. For example, an implicit method or a SIMPLE method is used for the calculation. In order to consider the buoyancy of hydrogen as a compressible fluid, for example, a model in which a gravity equation is added to the volume term of the Naviestokes equation is used. In order to calculate the mixing and diffusion of hydrogen and air, for example, a model that considers turbulent diffusion based on the diffusion formula of FICK is used.

なお、定常計算方式を割り当てたR1,R2における圧縮性流体の拡散状態の計算は、1回、行うと、圧縮性流体の流れが大きく変わらない限り、計算結果をそのまま使い続けると好適である。例えば、拡散空間における圧縮性流体の拡散状態を噴出開始からTe経過までシミュレーションで予測するとき、圧縮性流体の噴出は、その開始からTs(Ts<Te)までは噴出流量Q1を維持し、Ts経過以降は噴出流量0となったとすると(噴出終了)、噴出開始からTe経過までのシミュレーションにおけるR1,R2における圧縮性流体の拡散状態は同一のものを使い続ける。   In addition, if the calculation of the diffusion state of the compressive fluid in R1 and R2 to which the steady calculation method is assigned is performed once, it is preferable to continue using the calculation results as long as the flow of the compressive fluid does not change greatly. For example, when the diffusion state of the compressive fluid in the diffusion space is predicted by simulation from the start of ejection to the lapse of Te, the ejection of the compressive fluid maintains the ejection flow rate Q1 from the start to Ts (Ts <Te). Assuming that the ejection flow rate becomes 0 after the lapse of time (the ejection end), the same diffusion state of the compressive fluid in R1 and R2 in the simulation from the ejection start to the Te lapse continues to be used.

これに対し、非定常計算方式を割り当てたR3における圧縮性流体の拡散状態の計算は、時間ステップΔt経過ごとに行う。圧縮性流体の噴出開始から時間ステップΔt経過ごとに、各時間ステップ経過時点の拡散空間全体における圧縮性流体の拡散状態を計算するときには、各時間ステップ経過時点のR1〜R3における圧縮性流体の拡散状態同士を、R1〜R3の境界で結合して、拡散空間全体における圧縮性流体の拡散状態を計算する。   On the other hand, the calculation of the diffusion state of the compressible fluid in R3 to which the unsteady calculation method is assigned is performed every time step Δt has elapsed. When calculating the diffusion state of the compressible fluid in the entire diffusion space at each time step after the time step Δt has elapsed from the start of the ejection of the compressive fluid, the diffusion of the compressive fluid at R1 to R3 at each time step has elapsed. The states are connected at the boundaries of R1 to R3, and the diffusion state of the compressible fluid in the entire diffusion space is calculated.

流れのある場における拡散現象は、濃度差によって生ずる分子拡散よりも、乱流によって混ざり合う乱流拡散や乱流混合の影響が支配的である。乱流の計算手法には、直接数値圧縮性流体拡散予測(DNS)、 ラージ・エディ・圧縮性流体拡散予測(LES)、レイノルズ平均モデル(RANS)などがある。渦の全部又は一部を厳密計算するDNS、LESは計算負荷が高すぎるため、実用上はRANSを選択するのが妥当である。   The effect of turbulent diffusion mixed with turbulent flow or turbulent mixing is more dominant in the diffusion phenomenon in a flow field than in molecular diffusion caused by concentration differences. Turbulent flow calculation methods include direct numerical compressible fluid diffusion prediction (DNS), large / eddy / compressible fluid diffusion prediction (LES), and Reynolds average model (RANS). Since DNS and LES for exact calculation of all or part of the vortex have too high calculation load, it is appropriate to select RANS in practice.

RANSの乱流モデルは数多く開発されているが、どのような計算対象に対しても万能なモデルは存在しない。目標とする圧縮性流体拡散予測の精度を達成するためには、分割計算の各領域に対して精度良く計算できるモデルを選定することが必要である。   Many RANS turbulence models have been developed, but there is no universal model for any calculation object. In order to achieve the target accuracy of compressive fluid diffusion prediction, it is necessary to select a model that can be calculated accurately for each region of the division calculation.

工学計算への適用実績のある5つの乱流モデルを候補とし、噴出部に発生する噴流乱流と壁面流れで発生する壁乱流の乱流モデルを選定した。候補とした乱流モデルは次の(a)〜(e)の5つである。
(a)k−ω standard、(b)k−ω SST、(c)k−ε standard、(d)k−ε realizable、(e)RSM。
We selected five turbulence models that have been applied to engineering calculations as candidates, and selected turbulence models for jet turbulence generated in the jet and wall turbulence generated by wall flow. The following five turbulent models (a) to (e) are used as candidates.
(A) k-ω standard, (b) k-ω SST, (c) k-ε standard, (d) k-ε realizable, (e) RSM.

図4は、噴出口径をφ1.4mm、噴出流量を120NL/min、噴出向きを鉛直上向きにして、同一にして第1段の計算領域までの噴出軸上の水素濃度を(a)〜(e)の各乱流モデルでシミュレーション計算したときの各計算値と実験値との対比を示している。横軸は噴出軸上の噴出口からの距離(m)、縦軸は水素濃度(モル分率)を表している。k−ω SSTモデルが、5つの乱流モデルの中で最も高精度であることが判明した。   FIG. 4 shows the hydrogen concentration on the ejection axis up to the first calculation region with the ejection diameter of φ1.4 mm, the ejection flow rate of 120 NL / min, and the ejection direction vertically upward. The comparison between each calculated value and the experimental value when the simulation calculation is performed with each turbulent flow model of () is shown. The horizontal axis represents the distance (m) from the ejection port on the ejection axis, and the vertical axis represents the hydrogen concentration (molar fraction). The k-ω SST model was found to be the most accurate of the five turbulence models.

発明者は、さらに、乱流モデルとしてk−ω SSTモデルを採用したときに、噴出条件(噴出口径及び噴出流量)が変わっても所定の精度を維持できるかを調べた。その結果が図5に示される。   The inventor further examined whether or not the predetermined accuracy can be maintained even when the ejection conditions (the diameter of the ejection port and the ejection flow rate) change when the k-ω SST model is adopted as the turbulent flow model. The result is shown in FIG.

図5において、各符号の意味は次のとおりである。
G1,g1:噴出口径=φ7mm、噴出流量=212NL/minとしたときの実験値(点)と計算値(線)。
G2,g2:噴出口径=φ0.5mm、噴出流量=130NL/minとしたときの実験値(点)と計算値(線)。
G3,g3:噴出口径=φ0.1mm、噴出流量=5.1NL/minとしたときの実験値(点)と計算値(線)。
In FIG. 5, the meaning of each symbol is as follows.
G1, g1: Experimental value (point) and calculated value (line) when the outlet diameter = φ7 mm and the ejection flow rate = 212 NL / min.
G2, g2: Experimental values (points) and calculated values (lines) when the jet outlet diameter = φ0.5 mm and the jet flow rate = 130 NL / min.
G3, g3: Experimental value (point) and calculated value (line) when the outlet diameter is φ0.1 mm and the jet flow rate is 5.1 NL / min.

発明者は、図5より、乱流モデルとしてk−ω SSTモデルを採用したときに、噴出条件(噴出口径及び噴出流量)が変わっても所定の精度を維持できることを確認した。   The inventor has confirmed from FIG. 5 that when the k-ω SST model is adopted as the turbulent flow model, the predetermined accuracy can be maintained even if the ejection conditions (the diameter of the ejection port and the ejection flow rate) change.

次に、発明者は、噴出口径をφ7mm,噴出流量を212NL/minとし、水平の壁面に平行に噴出した場合について検証した。噴出軸上0.14mの位置までを、3段分割計算手法の2段目までとして計算し、3段目の計算として0.14mから1mまでの範囲については前述の(a)〜(e)の5つの乱流モデルのそれぞれについて計算した。図6はその計算結果と実測値とを比較したグラフである。   Next, the inventor verified the case where the jet nozzle diameter was 7 mm, the jet flow rate was 212 NL / min, and jetted parallel to the horizontal wall surface. Up to the position of 0.14 m on the ejection axis is calculated as the second stage of the three-stage division calculation method, and the range from 0.14 m to 1 m as the third stage calculation is the above (a) to (e). Each of the five turbulence models was calculated. FIG. 6 is a graph comparing the calculation result with the actually measured value.

壁乱流では、2方程式モデルはいずれも計算値の水素濃度が高くなり、十分に拡散を表現できない。一方で7方程式モデルであるRSMモデルは実測値に良く一致する。RSMモデルは乱流渦の異方性を計算可能であり、壁面付近の速度差で発生する異方性の強い縦渦の影響を表現できたためと考えられる。主に車両フロアパネルに沿う流れを計算する分割計算の3段目にはRSMモデルを採用するべきとの知見を得た。   In wall turbulence, the two-equation model has a high calculated hydrogen concentration and cannot fully express diffusion. On the other hand, the RSM model, which is a seven-equation model, agrees well with the actual measurement values. The RSM model can calculate the anisotropy of turbulent vortices, and is considered to be able to express the influence of highly anisotropic vertical vortices generated by the velocity difference near the wall surface. We obtained the knowledge that the RSM model should be adopted in the third stage of the split calculation that mainly calculates the flow along the vehicle floor panel.

[検証車における検証実験]
発明者は、上記計算手法の効果を確認するため、燃料電池電気自動車10の検証車における水素タンク20の周りの車両床下空間を対象として、実験と計算を実施し、計算時間と計算精度を検証した。検証実験における噴出条件は口径φ7 mm、流量212 NL/minで代表した。噴出口を水素タンク横の配管継手部付近に設置して鉛直上方に水素を噴出させた。噴出時間は4秒とした。
[Verification experiment in verification vehicle]
In order to confirm the effect of the above calculation method, the inventor conducted experiments and calculations on the vehicle underfloor space around the hydrogen tank 20 in the verification vehicle of the fuel cell electric vehicle 10 to verify the calculation time and calculation accuracy. did. The ejection conditions in the verification experiment were represented by a diameter of 7 mm and a flow rate of 212 NL / min. A jet outlet was installed in the vicinity of the pipe joint next to the hydrogen tank, and hydrogen was jetted vertically upward. The ejection time was 4 seconds.

図7は検証車において水素漏出部位として設定した噴出部位34を示し、噴出部位34は、水素タンク20の圧縮水素を燃料電池21へ導く水素供給管33の、水素タンク20近傍位置に設定した。水素タンク20は、台部50に載置され、上方はフロアパネル17の後端部の隆起部分より覆われて、車室16に対して仕切られている。   FIG. 7 shows an ejection part 34 set as a hydrogen leakage part in the verification vehicle, and the ejection part 34 is set at a position near the hydrogen tank 20 in the hydrogen supply pipe 33 that guides the compressed hydrogen in the hydrogen tank 20 to the fuel cell 21. The hydrogen tank 20 is placed on the platform 50, and the upper part is covered with a raised portion at the rear end of the floor panel 17 and is partitioned from the vehicle compartment 16.

図8は、噴出部位34に対して水素タンク20の収容空間部分内の各部位の水素濃度を検出するために取り付けた3つの水素センサ1〜3(図10)の取り付け位置P1〜P3を示している。図8では、P1〜P3はフロアパネル17の上面側(外面側)を指しているが、水素センサの実際の取付位置は、水素タンク20及び水素供給管33の収納側としてのフロアパネル17の下面側(内面側)である。P1は水素タンク20の収容空間部分の最上部位、P2は該収容空間部分の前側側壁の部位、P3は該収容空間部分の後ろ側側壁の部位として、それぞれ選択したものとなっている。   FIG. 8 shows attachment positions P1 to P3 of the three hydrogen sensors 1 to 3 (FIG. 10) attached to detect the hydrogen concentration of each part in the accommodation space portion of the hydrogen tank 20 with respect to the ejection part 34. ing. In FIG. 8, P <b> 1 to P <b> 3 indicate the upper surface side (outer surface side) of the floor panel 17, but the actual mounting position of the hydrogen sensor is that of the floor panel 17 as the storage side of the hydrogen tank 20 and the hydrogen supply pipe 33. It is the lower surface side (inner surface side). P1 is selected as the uppermost part of the storage space portion of the hydrogen tank 20, P2 is selected as the front side wall part of the storage space part, and P3 is selected as the rear side wall part of the storage space part.

検証実験におけるソルバについて、ソルバは、Fluent6.3をソルバとして使用し、陰解法、SIMPLE法にて計算した。水素の浮力を考慮するため、ナビエストークス方程式の体積項に重力式を追加したモデルを使用し、水素と空気の混合、拡散を計算するために、FICKの拡散式をベースに乱流拡散を考慮したSpeciesモデルを用いた。   Regarding the solver in the verification experiment, the solver was calculated by the implicit method and the SIMPLE method using Fluent 6.3 as the solver. In order to consider the buoyancy of hydrogen, a model in which the gravity equation is added to the volume term of the Navier-Stokes equation is used, and turbulent diffusion is considered based on the diffusion formula of FICK in order to calculate the mixing and diffusion of hydrogen and air. The Species model was used.

検証実験における解析メッシュの大きさは最大5mmとした。   The maximum analysis mesh size in the verification experiment was 5 mm.

本発明において、拡散空間の形状とは、メッシュを設定したメッシュ空間の形状に相当する。したがって、拡散空間の形状は、拡散空間の外面形状が同一であっても、拡散空間内の部品やその配置により別の形状になる。   In the present invention, the shape of the diffusion space corresponds to the shape of the mesh space in which the mesh is set. Therefore, even if the outer surface shape of the diffusion space is the same, the shape of the diffusion space is different depending on the components in the diffusion space and the arrangement thereof.

検証実験による検証結果を説明すると、3段分割計算における各段の計算結果について水素濃度のコンター図を図9に示す。図9において、(a)〜(c)はそれぞれ第1段計算領域R1〜第3段計算領域R3のコンター図である。コンピュータのディスプレイに出力、表示される実際のコンター図の画面は、水素濃度の各領域ごとに色分けされており、高濃度の水素領域ほど暖色の赤に近い色で、また、低濃度の水素領域ほど寒色の藍色に近い色で、表示される。   The verification result by the verification experiment will be described. FIG. 9 shows a contour diagram of the hydrogen concentration for the calculation result at each stage in the three-stage division calculation. In FIG. 9, (a) to (c) are contour diagrams of the first-stage calculation area R1 to the third-stage calculation area R3, respectively. The actual contour map screen that is output and displayed on the computer display is color-coded for each hydrogen concentration region. The higher the hydrogen concentration region, the closer the color to warm red, and the lower concentration hydrogen region. It is displayed in a color that is close to the cold blue color.

図9(c)の3段目の計算結果では水素が拡散を伴い流れる挙動が可視化できた。全ての計算に要した時間は4日であり、従来の実測による検討期間に比べて短期間で計算できた。   In the calculation result of the third stage in FIG. 9C, the behavior of hydrogen flow with diffusion could be visualized. The time required for all calculations was 4 days, which was shorter than the conventional examination period.

水素濃度の評価ポイント(取り付け位置)P1〜P3(図8)において実測値と比較した結果を図10に示す。どの評価ポイントについても計算値と実測値は良く一致した。   FIG. 10 shows the result of comparison with actual measurement values at evaluation points (attachment positions) P1 to P3 (FIG. 8) of the hydrogen concentration. The calculated values and the measured values were in good agreement with each evaluation point.

以上の3段分割計算手法を実施する水素拡散予測装置60について以下に説明する。   The hydrogen diffusion prediction apparatus 60 that implements the above three-stage division calculation method will be described below.

図11は水素拡散予測装置60のハードウェア構成図である。水素拡散予測装置60を実現するハードウェアは、周知のコンピュータの周知のハードウェアとなっている。CPU61、ROM62、RAM63、通信インタフェース通信I/F64、ハードディスク65、ディスプレイ66、キーボード67及びポインティングデバイス68はバス69を介して接続されている。水素拡散予測装置60の機能を実現するソフトウェアは、ハードディスク65にプログラムとして格納され、水素拡散予測装置60による水素の拡散状態の予測は、CPU61が該プログラムをハードディスク65から呼び出して、実行することにより実施される。   FIG. 11 is a hardware configuration diagram of the hydrogen diffusion prediction device 60. The hardware for realizing the hydrogen diffusion prediction device 60 is a well-known hardware of a well-known computer. The CPU 61, ROM 62, RAM 63, communication interface communication I / F 64, hard disk 65, display 66, keyboard 67 and pointing device 68 are connected via a bus 69. The software that realizes the function of the hydrogen diffusion prediction device 60 is stored as a program in the hard disk 65, and the hydrogen diffusion state prediction by the hydrogen diffusion prediction device 60 is executed by the CPU 61 calling the program from the hard disk 65 and executing it. To be implemented.

図12は水素拡散予測装置60のブロック図である。水素拡散予測装置60は、ソフトウェアにより実現する手段として分割手段75、計算方式割当手段76、乱流モデル選定手段77、時点別拡散状態計算手段78及び予測手段79を備える。水素拡散予測装置60の作用について、図13のフローチャートを参照して説明する。なお、水素拡散予測装置60は、拡散状態の予測を行う拡散空間の形状及び噴出部位の位置を、各回のシミュレーション実行に先立ち、設定する。   FIG. 12 is a block diagram of the hydrogen diffusion prediction device 60. The hydrogen diffusion prediction device 60 includes a dividing means 75, a calculation method assigning means 76, a turbulent flow model selecting means 77, a point-by-time diffusion state calculating means 78, and a predicting means 79 as means realized by software. The operation of the hydrogen diffusion prediction device 60 will be described with reference to the flowchart of FIG. Note that the hydrogen diffusion prediction device 60 sets the shape of the diffusion space and the position of the ejection site for predicting the diffusion state prior to each simulation execution.

分割手段75は、フロアパネル17の隆起部分の内側空間としての水素タンク20の収容空間部分(以下、適宜、「水素拡散空間」という。)を前述の計算領域R1〜R3に分割する(STEP91。本発明の分割ステップに相当する。)。   The dividing means 75 divides the housing space portion of the hydrogen tank 20 (hereinafter referred to as “hydrogen diffusion space” as appropriate) as the inner space of the raised portion of the floor panel 17 into the calculation regions R1 to R3 (STEP 91). This corresponds to the division step of the present invention).

計算方式割当手段76は、計算領域R1〜R3における水素の拡散状態の計算において、各計算領域ごとに前述の計算方式を割り当てる(STEP92。本発明の計算方式割当ステップに相当する。)。繰り返すと、R1に対しては圧縮・定常計算方式、R2に対しては非圧縮・定常計算方式、R3に対しては非圧縮・非定常計算方式がそれぞれ割り当てられる。   In the calculation of the hydrogen diffusion state in the calculation regions R1 to R3, the calculation method assigning means 76 assigns the calculation method described above for each calculation region (STEP 92, corresponding to the calculation method assigning step of the present invention). When it repeats, the compression / steady calculation method is assigned to R1, the non-compression / steady calculation method is assigned to R2, and the non-compression / non-stationary calculation method is assigned to R3.

乱流モデル選定手段77は、計算領域R1〜R3における水素の拡散状態の計算に適用する乱流モデルとして、前述したものを選定する(STEP93。本発明の乱流モデル選定ステップに相当する。)。繰り返すと、R1,R2に対してはk−ω SSTモデルを選定し、R3に対してはRSMモデルを選定する。   The turbulent flow model selecting means 77 selects the turbulent flow model applied to the calculation of the hydrogen diffusion state in the calculation regions R1 to R3 (STEP 93, corresponding to the turbulent flow model selecting step of the present invention). . To repeat, the k-ω SST model is selected for R1 and R2, and the RSM model is selected for R3.

時点別拡散状態計算手段78は、各計算領域R1〜R3における水素の拡散状態を、各計算領域R1〜R3に対して計算方式割当手段76が割り当てた計算方式と乱流モデル選定手段77が選定した乱流モデルとに従って計算する。そして、水素の噴出開始時点からの時間ステップΔtの経過ごとの水素拡散空間における水素の拡散状態を、該経過時の水素の拡散状態として計算された各計算領域R1〜R3同士から計算する(STEP94。本発明の時点別拡散状態計算に相当する。)。   The point-by-time diffusion state calculation means 78 selects the hydrogen diffusion state in each calculation region R1 to R3 by the calculation method assigned by the calculation method assignment means 76 to the calculation regions R1 to R3 and the turbulent flow model selection means 77. Calculate according to the turbulence model. Then, the hydrogen diffusion state in the hydrogen diffusion space for each elapse of the time step Δt from the hydrogen ejection start time is calculated from the calculation regions R1 to R3 calculated as the hydrogen diffusion state at the time (STEP 94). This corresponds to the calculation of the diffusion state by time of the present invention.)

予測手段79は、時点別拡散状態計算手段78が計算した、時間ステップΔtの経過ごとの水素の拡散状態から、各時間ステップ経過時点までの水素空間における水素の拡散進行状態を予測とする(STEP95。本発明の予測ステップに相当する。)。   The prediction means 79 predicts the hydrogen diffusion progress state in the hydrogen space from the hydrogen diffusion state at each time step Δt calculated by the time-point diffusion state calculation means 78 (STEP 95). This corresponds to the prediction step of the present invention).

予測手段79による予測結果はディスプレイ66に表示される(STEP96。本発明の表示ステップに相当する。)。ディスプレイ66に具体的に表示される予測は、例えば、図9のコンター図や、図10のグラフである。   The prediction result by the prediction means 79 is displayed on the display 66 (STEP 96, corresponding to the display step of the present invention). The prediction specifically displayed on the display 66 is, for example, the contour diagram of FIG. 9 or the graph of FIG.

なお、予測手段79による水素拡散状態の予測結果は、ハードディスク65に拡散条件(例:拡散空間の形状、噴出部位の位置及び水素の噴出圧、噴出流量等)に対応付けて記憶され、解析者は、ハードディスク65に記憶した予測結果を適宜、ディスプレイ66に表示させることができるようになっている。解析者は、また、複数の拡散条件における複数の予測結果を、同一画面に同時に、又は適宜切り替えて、対比できるようになっている。解析者は、このような対比に基づき、適切な拡散状態となる拡散条件に対応する設計を燃料電池電気自動車10に対して行う。   The prediction result of the hydrogen diffusion state by the prediction means 79 is stored in the hard disk 65 in association with the diffusion conditions (for example, the shape of the diffusion space, the position of the ejection site, the hydrogen ejection pressure, the ejection flow rate, etc.). Can display the prediction result stored in the hard disk 65 on the display 66 as appropriate. The analyst can also compare a plurality of prediction results under a plurality of diffusion conditions by switching to the same screen simultaneously or appropriately. Based on such a comparison, the analyst performs a design for the fuel cell electric vehicle 10 corresponding to the diffusion condition for obtaining an appropriate diffusion state.

本発明の圧縮性流体拡散予測装置は、燃料電池電気自動車10における水素タンク20の収容空間部分の水素噴出時の拡散状態についてのシミュレーション予測に限定されず、燃料電池電気自動車10における該収容空間部分の他の噴出部位や他の拡散空間、燃料電池電気自動車10以外の種々の拡散空間における種々の噴出部位、さらに、水素以外の圧縮性流体について、その噴出時の拡散状態についてのシミュレーション予測にも適用することができる。   The compressive fluid diffusion prediction apparatus of the present invention is not limited to simulation prediction about the diffusion state at the time of hydrogen ejection of the storage space portion of the hydrogen tank 20 in the fuel cell electric vehicle 10, and the storage space portion in the fuel cell electric vehicle 10. Other simulation parts and other diffusion spaces, various ejection parts in various diffusion spaces other than the fuel cell electric vehicle 10, and a simulation prediction of a diffusion state at the time of the ejection of a compressible fluid other than hydrogen Can be applied.

本発明の実施の形態では、噴出部位を3分割しているが、分割数は適宜、4以上とすることができる。実施の形態では、R1とR2との境界面のマッハ数を0.5とし、及びR2とR3との境界面のクーラン数を40としているが、適宜、マッハ数及びクーラン数は噴出条件等に応じて所定の範囲内で調整することができる。   In the embodiment of the present invention, the ejection site is divided into three parts, but the number of divisions can be suitably four or more. In the embodiment, the Mach number at the boundary surface between R1 and R2 is set to 0.5, and the Courant number at the boundary surface between R2 and R3 is set to 40. Accordingly, adjustment can be made within a predetermined range.

10・・・燃料電池電気自動車、17・・・フロアパネル、20・・・水素タンク、28・・・水素センサ、33・・・水素供給管、34・・・噴出部位、60・・・水素拡散予測装置、75・・・分割手段、76・・・計算方式割当手段、77・・・乱流モデル選定手段、78・・・時点別拡散状態計算手段、79・・・予測手段。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell electric vehicle, 17 ... Floor panel, 20 ... Hydrogen tank, 28 ... Hydrogen sensor, 33 ... Hydrogen supply pipe, 34 ... Injection part, 60 ... Hydrogen Diffusion prediction device, 75 ... division means, 76 ... calculation method assignment means, 77 ... turbulent flow model selection means, 78 ... time-dependent diffusion state calculation means, 79 ... prediction means.

Claims (6)

圧縮性流体に対しその拡散空間の形状及び該拡散空間における該圧縮性流体の噴出部位を予め設定して、圧縮性流体が該噴出部位から噴出したときの該拡散空間内における前記圧縮性流体の拡散の進行を予測する圧縮性流体拡散予測装置であって、
前記拡散空間内において前記噴出部位に近い方を内側、遠い方を外側にして前記拡散空間をその内側から外側へ3つ以上の複数の計算領域に分割する分割手段と、
各計算領域における前記圧縮性流体の拡散状態の計算において、最も内側の計算領域には圧縮・定常計算方式を割り当て、最も外側の計算領域には非圧縮・非定常計算方式を割り当て、中間計算領域には非圧縮・定常計算方式を割り当てる計算方式割当手段と、
各計算領域における圧縮性流体の拡散状態を、各計算領域に対して前記計算方式割当手段が割り当てた計算方式と前記乱流モデル選定手段が選定した乱流モデルとに従って計算し、この計算に基づく前記圧縮性流体の噴出開始時点からの各離散時間の経過時点での各計算領域における圧縮性流体の拡散状態から、該経過時点での前記拡散空間における圧縮性流体の拡散状態を計算する時点別拡散状態計算手段と、
前記時点別拡散状態計算手段が計算した、離散時間の経過ごとの前記拡散空間における圧縮性流体の拡散状態を、各経過時点までの前記拡散空間における圧縮性流体の拡散進行状態として予測する予測手段と、
を備えることを特徴とする圧縮性流体拡散予測装置。
The shape of the diffusion space and the ejection portion of the compressive fluid in the diffusion space are set in advance for the compressive fluid, and the compressive fluid in the diffusion space when the compressive fluid is ejected from the ejection portion is set. A compressible fluid diffusion prediction apparatus that predicts the progress of diffusion,
Division means for dividing the diffusion space into three or more calculation regions from the inside to the outside with the side closer to the ejection portion in the diffusion space as the inside and the far side as the outside,
In the calculation of the diffusion state of the compressible fluid in each calculation area, a compression / steady calculation method is assigned to the innermost calculation area, and an uncompressed / unsteady calculation method is assigned to the outermost calculation area. A calculation method assigning means for assigning an uncompressed and steady calculation method,
Based on the calculation, the diffusion state of the compressible fluid in each calculation region is calculated according to the calculation method assigned by the calculation method assigning unit and the turbulent model selected by the turbulent model selection unit for each calculation region. By time point for calculating the diffusion state of the compressible fluid in the diffusion space at the time point from the diffusion state of the compressive fluid in each calculation region at the time point of each discrete time from the start point of ejection of the compressive fluid. Diffusion state calculation means;
Prediction means for predicting the diffusion state of the compressible fluid in the diffusion space for each lapse of discrete time calculated by the time-dependent diffusion state calculation means as the diffusion progress state of the compressive fluid in the diffusion space up to each elapsed time When,
A compressible fluid diffusion prediction apparatus comprising:
請求項1記載の圧縮性流体拡散予測装置において、
前記分割手段は、前記拡散空間を、前記計算領域より細かい領域としての複数のメッシュに分割するとともに、前記複数の計算領域の境界がメッシュ間の境界になるように、前記拡散空間を前記複数の計算領域に分割し、
前記時点別拡散状態計算手段は、圧縮性流体の濃度をメッシュを単位に計算して、前記拡散空間における圧縮性流体の濃度分布を前記拡散空間における圧縮性流体の拡散状態として計算するものであり、
前記分割手段は、メッシュによる前記拡散空間の分割状態を前記拡散空間の各部位の圧縮性流体のマッハ数と前記拡散空間の境界面とに基づき設定し、かつ中間計算領域の個数及び境界を、前記時点別拡散状態計算手段による離散時間の経過ごとの全メッシュにおける濃度計算時間が最小になるように、設定することを特徴とする圧縮性流体拡散予測装置。
The compressible fluid diffusion prediction apparatus according to claim 1,
The dividing means divides the diffusion space into a plurality of meshes as regions smaller than the calculation region, and the diffusion space is divided into the plurality of meshes so that boundaries of the plurality of calculation regions become boundaries between meshes. Divided into calculation areas,
The point-by-time diffusion state calculation means calculates the concentration of the compressible fluid in units of meshes, and calculates the concentration distribution of the compressible fluid in the diffusion space as the diffusion state of the compressive fluid in the diffusion space. ,
The dividing means sets the division state of the diffusion space by the mesh based on the Mach number of the compressible fluid in each part of the diffusion space and the boundary surface of the diffusion space, and the number and boundary of the intermediate calculation regions, A compressible fluid diffusion prediction apparatus, wherein the concentration calculation time for all meshes for each lapse of discrete time by the time point diffusion state calculation means is set to be minimum.
請求項1又は2記載の圧縮性流体拡散予測装置において、
前記拡散空間は少なくとも上方及び側方は壁面により画成された空間となっており、
前記乱流モデル選定手段は、最も外側の計算領域に対しては乱流の異方性を計算可能としている乱流モデルを選定し、最も内側の計算領域に対しては噴流乱流について計算精度を確保する乱流モデルを選定することを特徴とする圧縮性流体拡散予測装置。
The compressible fluid diffusion prediction apparatus according to claim 1 or 2,
The diffusion space is a space defined by wall surfaces at least at the upper side and the side,
The turbulence model selection means selects a turbulence model that can calculate the anisotropy of the turbulent flow for the outermost calculation region, and calculates accuracy for the jet turbulence for the innermost calculation region. A compressible fluid diffusion prediction apparatus characterized by selecting a turbulent flow model to ensure
請求項3記載の圧縮性流体拡散予測装置において、
前記予測手段が予測した予測拡散進行状態を表示する表示手段を備えることを特徴とする圧縮性流体拡散予測装置。
The compressible fluid diffusion prediction apparatus according to claim 3,
A compressible fluid diffusion prediction apparatus comprising display means for displaying a predicted diffusion progress state predicted by the prediction means.
請求項4記載の圧縮性流体拡散予測装置において、
前記表示手段は、
前記拡散空間の形状を含む複数の拡散条件のそれぞれに対して前記予測手段が予測した複数の予測拡散進行状態を対比可能に表示することを特徴とする圧縮性流体拡散予測装置。
The compressible fluid diffusion prediction apparatus according to claim 4,
The display means includes
A compressible fluid diffusion prediction apparatus, wherein a plurality of predicted diffusion progress states predicted by the prediction means are displayed for each of a plurality of diffusion conditions including the shape of the diffusion space so as to be comparable.
圧縮性流体に対しその拡散空間の形状及び該拡散空間における該圧縮性流体の噴出部位を予め設定して、圧縮性流体が該噴出部位から噴出したときの該拡散空間内における前記圧縮性流体の拡散の進行を予測する圧縮性流体拡散予測方法であって、
コンピュータが、前記拡散空間内において前記噴出部位に近い方を内側、遠い方を外側にして前記拡散空間をその内側から外側へ3つ以上の計算領域に分割する分割ステップと、
コンピュータが、各計算領域における前記圧縮性流体の拡散状態の計算において、最も内側の計算領域には圧縮・定常計算方式を割り当て、最も外側の計算領域には非圧縮・非定常計算方式を割り当て、中間計算領域には非圧縮・定常計算方式を割り当てる計算方式割当ステップと、
コンピュータが、計算領域ごとに、それに適用する乱流モデルを選定する乱流モデル選定ステップと、
コンピュータが、各計算領域における圧縮性流体の拡散状態を、各計算領域に対して前記計算方式割当ステップにおいて割り当てた計算方式と前記乱流モデル選定ステップにおいて選定した乱流モデルとに従って計算し、この計算に基づく前記圧縮性流体の噴出開始時点からの各離散時間の経過時点での各計算領域における圧縮性流体の拡散状態から、該経過時点での前記拡散空間における圧縮性流体の拡散状態を計算する時点別拡散状態計算ステップと、
コンピュータが、前記時点別拡散状態計算ステップにおいて計算した、離散時間の経過ごとの前記拡散空間における圧縮性流体の拡散状態を、各経過時点までの前記拡散空間における圧縮性流体の拡散進行状態として予測する予測ステップと、
を備えることを特徴とする圧縮性流体拡散予測方法。
The shape of the diffusion space and the ejection portion of the compressive fluid in the diffusion space are set in advance for the compressive fluid, and the compressive fluid in the diffusion space when the compressive fluid is ejected from the ejection portion is set. A compressible fluid diffusion prediction method for predicting the progress of diffusion,
A division step in which the computer divides the diffusion space into three or more calculation regions from the inside to the outside with the side closer to the ejection site in the diffusion space as the inner side and the far side as the outer side;
In the calculation of the diffusion state of the compressible fluid in each calculation area, the computer assigns a compression / steady calculation method to the innermost calculation area, and assigns an uncompressed / unsteady calculation method to the outermost calculation area, A calculation method assignment step for assigning an uncompressed / steady calculation method to the intermediate calculation region,
A turbulence model selection step in which a computer selects a turbulence model to be applied to each calculation area;
The computer calculates the diffusion state of the compressible fluid in each calculation region according to the calculation method assigned in each calculation region in the calculation method assignment step and the turbulent flow model selected in the turbulent flow model selection step. Based on the calculation, the diffusion state of the compressible fluid in the diffusion space at the elapsed time is calculated from the diffusion state of the compressible fluid in each calculation region at the time when each discrete time has elapsed from the start of the ejection of the compressible fluid. A diffusion state calculation step for each time point,
The computer predicts the diffusion state of the compressible fluid in the diffusion space for each lapse of discrete time calculated in the diffusion state calculation step for each time point as the diffusion progress state of the compressive fluid in the diffusion space up to each time point. A prediction step to
A compressible fluid diffusion prediction method comprising:
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