2018年3月28日 機械部門、流体力学科目の方の電話によるコーチング指導

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 この日のコーチングによる指導時間は20時00分から、50分間行なわれ,その受講者様は機械部門、流体力学科目を目指す方で、居住地、広島から電話を用いて相談されました。U-2-1問題について、添削が続いたにもかかわらず正しい方向に解けていない状況なので、電話コーチングで指導することにしました。
 機械部門流体工学のU-2問題は次のようなCFDと風洞実験を用いて実務課題を解決する問題でした。


流体機械の性能改善をCFDを活用してこれまでよりも短期間・低コストで実施できるようになってきている。あなたがCFDと模型試験をもちいて現有の流体機械の効率を改善するプロジェクトの技術リーダーになったと仮定して、対象とする流体機械を1つ選定し、以下の問いに答えよ。
(1)選定した流体機械とその特徴について述べよ。
(2)検討すべき技術事項とその理由、及び技術検討を進める手順について述べよ。
(3)技術検討をする上での留意すべき事項について述べよ。



 この問題をT様はいつもの取り組んでいる現実的な課題をそのまま当てはめていたため、複雑すぎて解けなくなっていました。

 

 


T様の解答

 

(1)選定した流体機械とその特徴

〇〇施設におけるガス〇〇装置

1. 流体は固気2相流であり、〇〇装置より上流で乱流で、〇〇ブロック直前で平行流、〇〇ブロック内触媒板間で層流である。

2. ガス流れがレイノルズ数1000以下の層流で脱硝効率が上がる。

3. 〇〇の硬さと脱硝効率は反比例の関係にある。

2)a)検討すべき技術事項

 1. CFDでガス流量が〇〇板間で一様で反応機断面に対し、偏流をなくなるように、〇〇装置入口においてダンパーの配置を検討する。

■講師コメント ダンパーの配置を検討するとはどうすることですか。 試行錯誤で計算するでは×。

 

2.模型実験の触媒ブロックで整流された排ガスにより脱硝効率が最大となる硬度を求める検討を行う。

■講師コメント 現実は二相流と思われるが、模型実験ではどうするのか。 実ガスを実験に用いるのか? その温度は何度くらいか。

〇〇効率が最大となる硬度など、どうやって実験で出るのですか。試行錯誤的に何回も実験するのでは×です。

 

b)技術検討を進める手順

(1)   脱硝装置入口でダンパーを500mmピッチで取付、排ガスを6m/sで流して反応機断面に対し一様な流れか実験。

(2)   一様な流れでなければ、装置内の偏流が発生する箇所にダンパーを増加させ再実験。

(3)  模型実験で実寸の触媒ブロックでブロック高さを一定にし、排ガスを触媒板間で一様な流速にし、固体の粒径を分けて各々の粒径で最大の効率となる触媒硬度を求める。

(4)  触媒ブロックの摩耗率を決めそれ以上の摩耗率であれば、硬度を上げる。

■講師コメント ここは「CFDで・・・する」、「実験で・・・する」と書いてください。


3)検討を行うにあたっての技術的事項

(1)偏流が起こらなくても触媒ブロック上で乱流が起こる可能性があるので、乱流が起これば、流速を増減させる。

(2)C=uΔt/ΔLでCはクーラン数、uは 流速 、Δtは時間間隔、ΔLは 要素 幅としてΔtを小さくしてCを10以下とし、流れが細かく理解できるようにする。

(3)触媒損傷は石炭灰の粒径、ガス流速、衝突角度に依存する摩耗式により求める。

■講師コメント ここは上記2)a)の操作に対して、品質を高めるための提案です。

 


そこで実務の場面の中から、問題に適合した流体部分を取り出して、そこだけを解くことにしました。実際の流れを確認したところ、急なダクトの曲がりの直後に平行流を得たいという難しい課題があることがわかりました。そこで90度の角エルボダクトにガイドベーンをつけて、平行流にするという課題を設定しました。

 一般的にこのような直角の角エルボダクトでは、空気の流れは外側に偏ってしまい、曲がりの内側は風が流れないか、または逆流が生じるのが普通です。この問題ではそうした好ましくない流れの状態をcfdと風洞実験で確認して改善していくという手続きが求められました。

 課題を設定した後、CFDと風洞実験の役割を設定しました。

 CFDでは直角の角エルボダクトで、ガイドベーンによって曲がりの内側に流れの向きを変えてやることで出口での風速の分布と平行流に近づける事を検討することとしました。

 一方、風洞実験ではCFDでは確認することのできない現象をチェックする必要がありました。ガイドベーンによって流の向きは変えられたとしても、逆流が生じたり、渦を巻いたりする現象が予想されました。このような現象は、平均的な流れを捉えるCFDでは分析することはできません。

 

 そこで風洞実験で透明なダクトを用いて、空気を流すことによって、流れが乱れていないことを確認することにしました。もし偏りがあったり渦を巻いていたりした場合は、さらにガイドベーンを大きくするとかダクトの出口に抵抗つけて流速を平均化する必要があるからです。


 このほか、こうした解析の前提として、実務で対象としている流体が後半の排気ガスであることから、温度や粘性、個体・気体の二相流であることから、本来は正しい解析ができない恐れがありました。そこでCDを行う際には流体の密度や粘性を合わせる事、また風洞実験では常温空気を用いて実験するにあたり先の流体条件が無視できるものであることを確認することが前提条件であると申し上げました。

 以上を持ってこの日の電話コーチングによる指導を完了しました。機械工学流体科目のこのような問題ではT様はご自身の考えでは、問題が単純化できず実務で書かれているたくさんの問題が噴出して、答案としてまとめることができませんでした。しかし本講座のコーチング指導ではひとつひとつ問題を解決しコーチングによって必ず答えにたどり着くという指導を行っております。    

   コーチングがいかに役立つかご理解いただけましたか。本研究所では受講生様の進度に合わせて指導しています。論文の理解度が欠けていると判断ときや、業績についても新しい視点が必要と判断したときは、随時電話、スカイプにてご相談の時間を持つように講師の側からお知らせしております。皆さんの技術士合格への疑問を短時間で解決するよう努めています。