新型リボン翼『ログボーン』の開発
tp'延7上への数値解析の適用
Appli{c[11ionc(ofNewofHelicc[ICFD
Ribbon＼蓋管＼/〉L轡L?/(,Deye[opmen††○ thelmpeHer,=LO6BORN‖

技術開発本部 研究開発部
貴高田‑Kazutaka

菊Takata

池

Masahiko

雅aKikuchi(化)技術部 設計節1課
伊藤久
Hisayoshi

善

lto

The
development
helical ribbon
impeller
LOGBORN
wasby Computationalof a new
supported
Fluid Dynamics
to analyze
dimensions,effects of its ribbon
and framestudiesand to examine
impellers.
the differenceThe
results
thatwithconventional
ribbonof CFD
study
showedthe flow patternimpellerlargelydependsontheframedimensions,ribbon
andof the newservesto effec‑
but also as a mixing
the framenotonly as a support
membermember
andby changing
aflow patterllformedby the ribbon
bladestively shorten
the mlXII唱timeandits frame.
impellerisComputationalthat the flow patternof the newresults also indicatesfromthe conventionalquite different
ribbon,half of the conventional
impeller.
ribbon

まえがtoenablingth(∋ mlXlng

reducetimetoabout･a鹸で確認した｡撹搾槽の底面も水平とした｡実際の巽は半き

楕円もしくは円錐のボトム内に複雑な形のボトムl)ボンをこのたび開発した新型リボン翼『ログボーン』の構造の特長とその諸性能かこついて本誌別報第3頁むこて報告した｡
Fluid Dynamics

有するが,この形状を円筒座標系のメッシュで生成させる;

ここでは数値流体力学(Computational以下CFDと略称)をログボ‑ンの開発支援ツ‑ルとして利用し,リボン寸法を変化させた種々の条件にて計算を繰のが困難であった｡しかし直胴部の流動混合状態はボトムの形状に依存する所が少ないので,ここで目的とする解析り返し流れ場の多くの情報を得ることにより,リボンの最には上記の簡略化モデルモ対応できると考えた｡
70 0.00個とした｡計算時間は計算格子数は概ね50 000

適寸法を決定することを目的とする｡

圧力の変化率が充分/J＼さくなって定常に達するまでに1ケ/‑

本報告では軸無し･フレーム式の新型リボン巽に関して(2)リボン幅,リボンピッチの流動混合に及ぼす影響ースにつき70′‑90時間を要した｡撹拝条件は撹搾レイ/ル
ズ数を10とし,リボンのピッチ,幅を変化させて行った｡巽の回転方向ほ,壁面で上昇流を生じ槽中Jb部で下降流を(3)フレームの寸法とその挿入位置の流動混合に及ぼす生じる方向とした｡(1)軸の有無の流動混合に及ぼす影響

影響を主としてCFD忙.より明らかにした｡(2)については混合特性上最適となるl)ボン寸法を決定することを試み,(如こ

ついては一連のCFDの結果より最適寸法と最適取付位置

Freeslip‑㌔の決定法を示すことにより,これら一連の考察をログボーンを構成する巽寸法決定に反映させた｡また新型リボン巽
が軸を有する従来型リボン翼に較ベて混合性能上優れた特Wall
U‑0性を有するかどうかを同様の手法により明らかにすること

Ⅴ=7rnD
W‑0を試みた｡(Noslip)

1.数値解析方法
撹搾流動を支配する方程式は回転円筒座標系で表示された3次元の運動量輸送方程式である｡解析はまず運動量輸
送方程式を解いて槽内の流速分布を求めたあと,流速分布ⅠIl1pe11erwall

U=V=W‑0(Noslip)の計算値を物質の輸送方程式に代入して壊度分布を求めた.本解析ではこれら方程式を市販の熱流体解析コードを改造したものを用いて解いた.コンピュータ忙はEWS

Bottomwall
U‑0
Ⅴ=27rllr
W=0(Noslip)(エンジニアリングワークステーション)を使用した｡
第1図忙境界条件を示す｡翼面,槽壁面にはすベりなし
条件を,液面にはすベりあり条件をそれぞれ与えた.また

第1図

液面形状を水平とした｡撹拝レイノルズ数が10程度であれ

Fig.

数値解析の境界条件1ば液面を近似的に水.平とみなしてさしつかえないことを実Vol･

37 No.

3(1993/12)

神鋼パンテツク技報

Boundaryconditions

tlSed in thesimulations

WallCirculation

Computed‑ooptimum

MeasuredI

0.05

J‑I‑′一‑

aftq)

1.5

さ＼‑...

t‑2:o且lmpeller

S/So =1.0＼(コーa:>

‑0.05
‑0.75
1.5W/Wo‑0.1

幕2図Fig.

第5因Fig.

軸方向流速分布の計算値と実測値との比較
2

Comparisonof computedandmeasured

axial

循環流量に及ぼすリボンピヲチとリボン隔の影響
5

Influenceof ribbon

circul'ation flowvelocities80)'j//,[‑]pitchandribbonwidthon

rate'Lwittl[S/So‑1 ]

Shaft

<心＼70

ヽも＼.

60

ギ等質し)a)い泣､＼りS/So =0.75

50

≡
q>

40

×ー

Mixing

崇3国Fig.

従来型リボン翼と新型リボン巽の軸方向流速分布の比較
3

Comparisonof conver]tional

and

new

DHR's

opt血tllll

30

axial

velocities

1.511V/W｡

藍琶 逮

第6囲こ'･壬Fig.

2ト]

混合時間に及ぼす巽ピッチとリボン隔の影響
6Influence

蛋of ribbon

pitchandribbonwidth

onmiⅩingtime

潔
流速になるため従来型1)ボン巽忙較べて格段に流動性が向上するものと考えられる｡第4園に従来型1)ボン巽と新型

笠＼軍

0.2 rn/s

窮4園
Fig･‑う■のに対し,新型リボン巽では槽の中央付近で軸方向下降流

従来型リボン巽と新型l)ボン巽のr･z面内流速分布4Comparisonof conventionaldistributions in r･zplane

1)ボン巽のr‑Z面内の流速分布(フローパターン)の計算結果を示す｡従来型リボン巽では軸に沿って流れが下降し壁面で上昇するという循環型のフロ‑パターンを形成する

and

newDHR'svelocityに加え1)ボンのかなり内側まで半径方向流が同時ケこ形成されている.次忙これらフローパタ‑ンが混合vL及ぼす影響
を他の巽の結果と合わせて述べる｡

3.循環･混合特性に及ぼすリボン幅,リボン従来型リボン巽の軸方向流速分布について計算値とレ‑ダー流速計による実測値とを比較し第2国に示す.これより上記の解析条件下で計算値は実測値を10%以内の精度

ピッチの影響第5囲はl)ボン巽の循環流量を1)ボン幅に対してプロッで予測できることがわかった｡

Tlした結果である.循環流量は軸方向流速値を軸軒こ垂直な断面内で積分することにより求められるo
これより,循環〜.従来型リボン翼と新型リボン翼の流動特性

流量は1)ボン幅の増加と共忙増加し,あるl)ボン幅忙なるの相違と頭打ち紅なり減少していくoまた1)ボンピッチVLよって第3国に軸を有する従来型リボン巽と軸無し･フレームも循環流量が異なる｡リボンピッチが標準ピッチの1.25倍式の新型リボン巽の軸方向流速分布の計算結果を示す｡これより従来型リボン巽では槽中心部の流速が遅く流動性のの時に循環流量が最も大きくなる｡これらの結果から循環流量が最大になる巽構成が決定されるo

悪さが予測される｡一方新型リボン巽でほ槽中心部で最大第5図の各リボン襲の混合時間を計算し,第6園に結果

神鋼パンテツク技報

Vol.

87

No.

3(1998/12)

園
A

1 sec

35馳

sec

f7(Vノ§ミkミ､＼/I,I)′タ声芦ミ専
Jii4sec

鮎7sec

9sec

表竿 領4#
仏)混合時間を最短にする
T)ボン翼
OH]･minimum
impel ler

第7図
Fig.

(B)循環流量を最大にする
リボン責
Nq‑maximum
impel lerribbon(c)従来リボン巽Conventional
impel le∫ribbon(D)軸とフV‑ムが共にないリボン翼
Ribbon血peller

ribbonwithout

shaftandframe

トレーサー濃度分布の経時変化による各超リボン実の混合状況の比較
7Comparisonof several

ribbonimpellersin tracermixing

processsholVnbyconcentratiorl

COntOurSを示す｡この計算では槽内19点の膿度の経時変化を検出(B)の循環流量は(A)のそれの約1.7倍あるが,槽内へのトレし,平均鵠魔の土1%以内に19点の濃度変動が収まった時間をもって混合時間とした｡
l)ボン幅忙より混合時間も変(A)は液面から投入ーサーの分散する速度は(A)の方が速い｡
された1‑レ‑サ‑が槽内で軸方向と半径方向の2方向へ同化し,その変化の挙動はリボンピッチにより異なる｡リボ時に散らばるようなパタ‑ンで輸送されるのに対し,ンピッチs/s｡‑1の場合,混合時間がリボン幅の増加と共に減少して最小値を示したあと再び増加していく.リボン
1.5でほリボン幅の増加と共に混合時ピッチs/s｡‑1.25,は吸い込み力が強い反面半径方向への輸送力が第るため循環型の色彩が強い輸送パターンになるo混合時間の計算値
ち(A)の方が速く,実験結果もそのようになったo(B)でさらケこ(A)間が単言剛こ減少し,リボン幅∇/w｡が2付近でリボンピと(D)を比較した場合,これらの違いはフレームがあるかなッチが1の混合時間とほぼ同一値になる｡混合実験の観察によれば,リボンピッチが比較的大きくリボン暗が比較的小さい場合,液面付近での混合が連れ,リボン幅が大きくいかだけの違いであるが,混合状態が著しく異なることが示されている｡つまり混合時間を最短にするリボン襲｢A)でなって液面付近での吸い込み力が大きくなるとこの混合遅れが解消された｡また,リボンピッチが1の場合はリボンするフローパターンになる｡これまでのリボン系の巽ケ与対幅が比較的小さくとも液面の混合連れが生じないだけでな例して混合時間が短くなるという考え方であった｡しかしく,むしろ少ない循環回数で混合が終了する傾向が認められた｡こうして本図より混合時間を最轡こする巽構成が決

フレーム構造の新型l)ボン巽では,フレ‑ムを挿入することにより上昇流と下降流との間で流体の入れ替えが促進さ定される｡

れ混合に適したフローパタ‑ンを作ることが出来ると考え興味深いことに,第6国の混合時間が最短になるリボン寸法と第5図の循環流量が最大忙なるl)ボン寸法とは異なる｡この点をさらに検討するため,第7図(A)‑(D)の4種1)
ボン巽について液面から投入したトレーサーの混合s/ミュレps/ヨンを行い比較した｡(A)混合時間を最短にするリボン襲(B)循環流量を最大KL̲する1)ボン巽(c)従来型リボン賀は1)ボン寸法とフレームの相互作用により分散混合を促進してなされていた解釈は循環流量が増加すればそれに反比られる.次節で流動混合に及ぼすフレーム寸法とその取付位置の影響について言及する｡
なお従来型.)ボン巽(c)の混合過程をみると,トレr‑サーは軸VLまとわりつくように軸方向のみに輸送されているo
混合時間を最短にするリボン巽(A)では従来型リボン巽に較べてTlレーサ‑の輸送が著しく促進されている様子が示されている｡混合時間の計算値も(A)の方が(C)のそれの約半分に短縮される｡(I))事由無し･フレーム無しリボン巽
Vol. 87 No.

8 (1993/12)

神鋼パンテツク､技報･ミ9

/i‑I/(〇/1≡q⊃Q,ct3∈Q)屯【勺I一一芸C)E■.ロbJ)⊂:5＼＼喜く⊃･B瞥
Hd'=′ろコU＼a'J=＼tJ･････l

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千.̲̲̲ゝ

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̲/

⊂y＼U/
＼.tj
U/

Radial positioll0f framebar0(wkhout fralⅦe) Diameterof fl･a血ebar

第9図

循環流量及び混合時間に及ぼすフレーム径の影響
InfltlenCe Of frame
andmixing

diameteron

circulation

flow･ratetime

I.循環･混合特性に及ぼすフレーム寸法とそTan土l､w｡11center･‑Tank葉8図

循環流量及び混合時間に及ぼすフV‑ム取付位置の影響
Influenceof frame

andmiⅩing

timeposition

oncirculation

flow･rate(1)軸を有する従来型l)ボン巽と軸無･フレーム式の新型l)ボン巽のフローパタ‑ンは著しく異なり,新型の取付位置の影響

リボン巽の混合時間は従来型リボン巽のそれの約半分に短縮される｡

第8図FL循環流量と混合時間に及ぼすフt/‑ム太さの影
響を示す｡ここで示した関係は第6図と第7国軌(D)より予想できる結果である｡すなわちフレーム径が大きくなる(2)新型リボン巽のフロ‑パターンは1)ボン寸法とフレと軸方向への液の送りを阻害するため循環流量は少なくなーム寸法に大きく依存し,混合時間を最短にするこれら寸法が存在する｡(3)新型リボン巽のフレームは磯械強度をもたせるためる｡しかし混合時間はフレーム径の増加と共忙減少し,あるフレーム径を境として増加する傾向になる｡つまり適当F3:太さのフレ‑ムを挿入すれば槽内の上昇流と下降流との問で流体の交換が促進されるため混合時間を短縮させる効の挿入物と考えられていたが,その寸法と配直及び果が生じるが,ーンを変え混合時間を大いに短縮する効果をもたらす｡

1)ボン寸法との組み合わせを工夫すればフローパタ

7レ‑ムが大きすぎたり小さすぎたりするとむしろ混合時間を長くすることになる｡
第9図に循環流量と混合時間に及ぼすフレーム取付位置[使用記号]

D影響を示す.フレームを槽中心側に設置すると上下循環荒への阻害は比較的′J＼さいが,槽壁側に設置するとリボン

Nq

d[m]

‑巽径‑無次元循環流量,

Q/nd3[‑]

こよる上方への液の送りを直接遮ること忙なり循環流量が成少する｡フレームの取付位置を槽中Jb側から槽壁側に変Nq｡‑基準リボンの無次元循環流量[‑]n‑巽回転数[1/s]′ヒさせると,混合時間はある取付位置を最/J＼値とする関係

Q‑循環流量[m3/s]

こなる｡

s‑リボンピッチ[m]このように,新型リボン巽『ログボーン』の最大の特長s｡‑基準リボンピッチ[m]よフレ‑ムの大きさとその取付位置ならびにリボン寸法とr‑半径方向7)コンビネ‑i/ヨンにより,槽内の混合を飛躍的に促進する構成になっている｡

Vz‑軸方向流速[m][m/s]

エリボン幅[m]むW｡‑基準リボン幅[m]‑混合時間[sec]すぴ

新型リボン巽を構成するリボン及びフレームの流動混合こ及ぼす影響をCFDを用いて明らかにした｡また従来型

βm〔引用文献〕

1)ボン巽と新型リボン巽の流動混合特性についても同様の辛味により明らかにした.その結果を次に示す結論を得た.

[0W

γol.

1)菊池雅彦,高田‑貨,岡本華道:神鋼パンテツク技#,
37,
No. 3 (1993)

神鋼パンテツク技報

Vol.

87 No.

8(1998/12)