[スポンサーリンク]

化学工学

CFDで移動現象論111例題 – Ansys Fluentによる計算解法 –

[スポンサーリンク]

概要

流体シミュレーション(CFD)ソフトのAnsys FluentにAnsys Student という学生向け無料版が提供されています。これにより個人のパソコンでCFDが手軽に学習,習得できるようになりました。しかし,未だ初心者向けのCFD解析の解説本はありません。そこで本書はCFDに興味を持つ学生,技術者のために,Ansys Fluentによる例題解法を紹介した例題集です。
解説した111の例題は流体工学,伝熱工学,化学工学の教科書から収集しています。円管内流れ,境界層流れ,自然対流など工学部の学生なら知っているモデルが多いでしょう。付属の解法ファイルをダウンロードして,その例題のCFD計算を直ぐに試すことができます。(引用:コロナ社

対象者

流体シミュレーションに興味があり、実際に手を動かしてシミュレーションを実施してみたい学生、研究者。

目次

第1章 流れ
1.1 境界速度起因の粘性流れ / 例題1.1~1.5
1.2 圧力起因の粘性流れ / 例題1.6~1.10
1.3 外力起因の粘性流れ / 例題1.11~1.13
1.4 強制対流 / 例題1.14~1.17
1.5 混相流 / 例題1.18~1.33

第2章 伝熱
2.1 伝導伝熱 / 例題2.1~2.5
2.2 非定常伝導伝熱 / 例題2.6~2.11
2.3 対流伝熱 / 例題2.12~2.18
2.4 複合伝熱 / 例題2.19~2.23
2.5 凝縮伝熱・蒸発伝熱 / 例題2.24~2.30

第3章 物質移動と拡散分離操作
3.1 静止媒体中の成分拡散―定常,非定常― / 例題3.1~3.4
3.2 対流拡散 / 例題3.5~3.8
3.3 気液間の物質移動(蒸発,凝縮,ガス吸収) / 例題3.9~3.15
3.4 物質移動操作 / 例題3.16~3.28

第4章 装置の混合特性 / 例題4.1~4.6

第5章 反応工学
5.1 回分反応器(BR) / 例題5.1~5.2
5.2 流通式槽型反応器(CSTR) / 例題5.3~5.4
5.3 管型反応器(PFR) / 例題5.5~5.10
5.4 物質拡散と反応の複合モデル / 例題5.11~5.14

解説

流体シミュレーションついて、大学の講義等で勉強する機会はありませんでしたが、容器の熱の伝わり方などはどのようにシミュレーションできるのだろうかと気になり本書を手に取りました。

本書では、Ansys Fluentという本格的な流体シミュレーションのソフトウェアを使用しますが、このソフトにはAnsys Student という学生向けの無料版が提供されており、学術用途に限れば手軽に流体シミュレーションを学習できるようになっています。

ソフトウウェアに関連した書籍ではインストール方法から丁寧に解説されている場合もありますが、本書にはそのような項目は無く自力でAnsys Studentのインストールから操作方法の取得が必要です。実際、自分でインストールしてみましたが、ダウンロードサイトも分かりやすく、インストールまでは特に問題なく完了できました。ただし、ダウンロードファイルの容量が約12GBと大きく、インストールファイルも同様に大きいので、PCのストレージの空き容量には注意が必要です。

本書ではタイトルの通り、111の流体シミュレーションの課題が設けられており、それをAnsys Fluentを使って調べていきます。解法は課題の直後に示されており、モデル領域の作り方からシミュレーションの設定方法、計算結果、理論値の比較などが図示されています。Ansys Fluentの使い方を解説した本ではないので操作方法は簡略して書かれていますが、サポートページに全ての例題の詳しい操作方法が示されたエクセルファイルや解説動画が掲載されており、本と参考資料を見ながらAnsys Fluentの使い方を習得することができます。さらに、答案であるプロジェクトファイルもダウンロードすることができるので、いまいち答えにたどり着けない場合でも答えを見ながらシミュレーションを確認することも可能です。

では第一章から内容を見ていきます。第一章では流れについての流体シミュレーションのが取り扱われており、例えば最初の例題は、平行平板間の入った水の上部の壁が一定速度で動いていることによる移動についてで、上部の水ほど動く速度が速いことがシミュレーションによって分かります。合成実験では一般的な手法である攪拌羽根を使った液体の混合についても序盤で登場し、どのような対流が起きているのか邪魔板ががあるとどのように変わるのかなどをシミュレーションすることができます。さらに、空気砲やフローメーターなどに関する例題もあり、流体シミュレーションの学習が面白くなる内容が多く含まれています。

第二章では伝熱についてです。詳しい内容として冒頭では、高温の配管から空気層に伝わる熱といった単純な伝導伝熱について解説されており、その後非定常伝導伝熱、対流伝熱などと続き、最終的には相変化を伴う電熱現象までのシミュレーションが掲載されています。本章の内容は例えば、蒸留操作における各部の温度を推定するのに役立つかと思います。実験装置の温度測定に関して、熱電対を差し込めば大抵の部分の温度を実測することは可能ですが、特別な器具が必要だったりと容易にできない場合も多いかと思います。そんなときにこの流体シミュレーションはおおよその温度を推定に役立つのではないでしょうか。

第三章は物質移動と拡散分離操作であり、単純な系として円柱状の固体材料に含まれる水分が周りの乾燥空気に発散され、乾燥していく様子のシミュレーションなどが解説されています。実践的な内容として物資移動操作における抽出やカラムクロマトグラフィー、蒸留を取り上げており、視覚的に化学種の濃度勾配が変化する様子を得ることができます。第四章は装置の混合特性として、液体の出入がある容器で混合する時のシミュレーションを解説しています。第五章は、反応工学としてバッチ式反応器とフロー型反応管について解説しています。四章と五章は化学プラントとの関連が大きく、化学工学の理解の他、プラントスケールでの合成プロセスの理解に役立つかと思います。

自分はこのAnsys Fluentに触れるのは初めてで、もっとも単純な系である例題1.1を作り上げるのにも2時間かかりましたが、答え通りの計算ができた時は達成感がありました。このソフトウェア独特の操作方法や表現があり、それに慣れれば計算実行までにはさほど時間がかからないと思います。本書の活用方法として、ダウンロードしたプロジェクトファイルをそのまま計算して結果だけを眺めるのも良いですし、自分でプロジェクトファイルを作り上げ、パラメーターを変えて計算してみるのも面白いと思います。もちろん本格的に流体シミュレーションを勉強するにも、実際の系に適用させながら手法を理解することができます。流体シミュレーションを使って化学に関連した身の回りの現象を理解したい方には最適の書籍です。

化学工学に関連する書籍紹介

Avatar photo

Zeolinite

投稿者の記事一覧

ただの会社員です。某企業で化学製品の商品開発に携わっています。社内でのデータサイエンスの普及とDX促進が個人的な野望です。

関連記事

  1. シュライバー・アトキンス 無機化学 (上)・(下) 第 6 版
  2. ペロブスカイト太陽電池の学理と技術: カーボンニュートラルを担う…
  3. 【書籍】機器分析ハンドブック1 有機・分光分析編
  4. Innovative Drug Synthesis
  5. 【書籍】機器分析ハンドブック3 固体・表面分析編
  6. 持続可能な社会を支えるゴム・エラストマー:新素材・自己修復・強靱…
  7. 化学のブレークスルー【有機化学編】
  8. 大村智 ー2億人を病魔から守った化学者

注目情報

ピックアップ記事

  1. ワインレブケトン合成 Weinreb ketone synthesis
  2. 【技術者・事業担当者向け】 マイクロ波による化学プロセス革新 〜マイクロ波が得意とするプロセスはコレだ!〜
  3. マテリアルズ・インフォマティクスの基礎知識とよくある誤解
  4. 甲種危険物取扱者・合格体験記~カルダモン編
  5. オペレーションはイノベーションの夢を見るか? その2
  6. 独バイエル、2004年は3部門全てで増収となった可能性=CEO
  7. 原子状炭素等価体を利用してα,β-不飽和アミドに一炭素挿入する新反応
  8. 有機フッ素化合物の新しいビルドアップ構築法 ~硫黄官能基が導く逐次的分子変換~
  9. マイルの寄付:東北地方太平洋沖地震
  10. 分子研オープンキャンパス2022 参加登録受付中!

関連商品

ケムステYoutube

ケムステSlack

月別アーカイブ

2023年11月
 12345
6789101112
13141516171819
20212223242526
27282930  

注目情報

最新記事

第61回Vシンポ「中分子バイオ医薬品分析の基礎と動向 ~LCからLC/MSまで、研究現場あるあるとその対処~」を開催します!

こんにちは、Macyです。第61回Vシンポのご案内をさせていただきます。今回は、Agilen…

水分はどこにあるのか【プロセス化学者のつぶやき】

前回まで1. 設定温度と系内の実温度のお話2. 温度値をどう判断するか3. 反応操作をし…

「MI×データ科学」コース 〜LLM・自動実験・計算・画像とベイズ最適化ハンズオン〜

1 開講期間2026年5月26日(火)、29日(金) 計2日間2 コースのねらい、特色近…

材料の数理モデリング – マルチスケール材料シミュレーション –

材料の数理モデリング概要材料科学分野におけるシミュレーションを「マルチスケール」で理解するた…

第59回天然物化学談話会@宮崎(7/8~10)

ごあいさつ天然物化学談話会は、全国の天然物化学および有機合成化学を研究する大学生…

トッド・ハイスター Todd K. Hyster

トッド・カート・ハイスター(Todd Kurt Hyster、1985年10月10日–)はアメリカ出…

“最難関アリル化”を劇的に加速する固定化触媒の開発

第 703回のスポットライトリサーチは、横浜国立大学大学院 理工学府 博士課程前期で…

「ニューモダリティと有機合成化学」 第5回公開講演会

従来の低分子、抗体だけでなく、核酸、ペプチド、あるいはその複合体(例えばADC(抗体薬物複合体))、…

溶融する半導体配位高分子の開発に成功!~MOFの成形加工性の向上に期待~

第702回のスポットライトリサーチは、関西学院大学理学部(田中研究室)にて助教をされていた秋吉亮平 …

ミン・ユー・ガイ Ming-Yu Ngai

魏明宇(Ming-Yu Ngai、1981年X月XX日–)は米国の有機化学者である。米国パデュー大学…

実験器具・用品を試してみたシリーズ

スポットライトリサーチムービー

PAGE TOP