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【流体】vol.3 ファンの気流の円周速度は羽の回転速度ではないのですか

ファンによる気流を境界条件として設定する場合の「旋回流」。
この「円周速度」はどの値を設定すればよいかわかりますか。
ファンの回転と気流の回転の関係を確認してみましょう。

ときどきある質問

ファンによる気流を境界条件として設定する場合に「旋回流」として「気流」の円周速度と半径方向速度が設定できるようになっているとします。
この場合に、「円周速度」はどの値を設定すればよいかわかりますか。

 「ファンメーカーのカタログを見ると回転速度がわかるのでこの値を設定すればいいんでしょ。」

実際に設定してみると思ったよりも激しく回転している流れになります。
本当にそんなに回転しているのでしょうか。

ファンの羽の回転速度と気流の円周速度は同じではない

物体が移動しているときの移動方向に平行な面の近傍の速度分布を考えてください。
物体の表面では流体が物体と同じ速度で移動していますが、表面から離れるに従って速度が遅くなり少し離れた位置では速度が 0 になります。



ファンの羽の回転の場合は、羽の面と羽の移動方向は平行ではなく角度がついていますので、これと全く同じではありませんが、ある程度これと同じ状況になります。
つまり、羽の回転速度よりもはるかに気流の円周速度は小さくなります。

ファンの羽の回転速度と気流の回転速度をCFDで解析してみた

それでは実際にどの程度になっているかを解析してみました。
なお、ここで示す結果は1つのモデルによる結果でして一般的な値ではありませんのでご注意ください。
あくまでも1つの例としてお考えください。

3次元CADデータをファンメーカー様のWebからダウンロードしました。
はじめはファンのCADデータがダウンロードできることに驚きましたが、よく見ると羽の形状がまったいらになっていました。
それはそうですよね。
従いましておそらく実際の羽の形状とは異なりますのでご了解ください。

 ファンの外形:40mm ☓ 40mm ☓ 28mm
 回転数:8,700 RPM

結果を羽の端面近傍( 5mm 離れた位置)とファンケース前面の近く( 2.7mm 離れた位置)で評価しました。
羽の端面近傍では気流の円周速度が羽の円周速度の 1/2 程度、ファンケース前面の近くでは 1/7 程度になりました。


まとめ

あるモデルを使用して、ファンの羽の回転による気流をCFDによって解析し、羽の回転速度と気流の円周速度の比率を評価しました。
その結果、数分の一( 1/2 から 1/7 )の速度になり大幅に速度が異なることを確認できました。

[From Y.Iijima]

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