干潟潮力タービンが設置から数週間で効率を失い始める現象が発生し、エンジニアたちは予期していなかった。初期分析ではキャビテーションによる摩耗が疑われたが、点検によりより複雑な真実が明らかになった。それは、実現可能性調査で推定されたよりもはるかに高い硬度を持つ堆積物による摩耗である。この事例は、海洋環境における材料疲労は、繰り返し荷重だけでなく、固体粒子の侵食衝撃にも依存することを示している。
SolidWorksとAnsys Fluentにおける多相流と表面変形 🌊
現象を再現するため、シミュレーションチームはSolidWorksでローターの形状をモデル化し、メッシュをAnsys Fluentにインポートした。高速衝撃下でのシリカと石英の粒子の軌跡を追跡するために、オイラー・ラグランジュ多相モデルが設定された。結果は、翼の前縁に堆積物が蓄積する領域を示し、これらの領域は後に検出された材料損失の領域と一致した。GOM Inspectを使用して損傷したタービンの3Dスキャンが行われ、点群が元のCADモデルに重ね合わされた。翼表面の平均幾何学的偏差2.3mmは、侵食率が重大であることを確認し、その後の疲労シミュレーションによると揚力係数が12%低下した。
耐侵食コーティング設計のための教訓 ⚙️
材料疲労のシミュレーションは、故障を予測するだけでなく、保護戦略を再設計するためにも役立つ。このケースでは、Ansys Fluentでの粒子の運動エネルギー分析により、衝撃が最も大きい領域に500ミクロンの炭化タングステンコーティングを施すことで、タービンの寿命を300%延ばせる可能性があることが特定された。設計段階で堆積物による摩耗を無視することは、計画外のメンテナンスに数百万のコストがかかるミスである。SolidWorks、Fluent、GOM Inspectなどのツールの統合により、疲労を測定可能で、したがって制御可能なデータに変えることができる。
干潟潮力タービンの翼における繰り返し疲労と堆積物による摩耗の相互作用を予測し、運用開始から数週間以内の効率低下を事前に把握することを可能にする有限要素シミュレーション手法はどれか。
(追伸: 材料疲労は、10時間シミュレーションをした後のあなたの疲労のようなものです。)