1.はじめに

本チュートリアルでは、空調機配置の最適化などに適用可能な、室内エアコンによる冷房シミュレーションを通じて、3次元モデルの作り方や入力ファイルにおける注意点、現象理解手法について説明します。

ここで紹介するシミュレーション実行に必要な全ての入力ファイルは、以下からダウンロードできます。

また、本シミュレーションは、一般的なIntel COREi7搭載のノートパソコン上で、最大並列数(parallel = 4)を用いて、1000ステップ5分程度の計算速度です。

エアコンによる室内冷房のシミュレーション。トレーサー粒子による温度表示。

2.3次元モデル構築

3次元モデル作成における基本的な構築ルールは、こちらのページをご覧ください。本シミュレーションにおいては、以下のような平面方向を有する5枚のペイント画像を利用して、室内のモデルを構築します。以下の画像における色及びその色で構築されている壁面は、

  • 2階部分の床及びx方向左右の壁(非プリセット・紫色
  • 階段(非プリセット・ピンク色
  • 2階部分の仕切り壁(非プリセット・黄色
  • エアコンの吸入口(プリセット・赤色
  • エアコンからの冷気の送風口(プリセット・青色
  • 手前側・奥側外壁、1階部分の床及び2階部分の天井(プリセット・黒色
の6項目を別々の色を用いて指定します。これらの構成部品は、(a) 2次元断面を持つ3次元形状(b) 3面図において指定される3次元形状のモデル構築ルールを用いて構築されます。

各画像のピクセル数に関して、厳密に計算領域サイズの縦横比に比例させる必要はありません。最終的な縦横サイズは、パラメータにて設定した物理サイズとなり、ソフトウェアで画像の補間処理を実施します。しかし、基本的には、ある程度サイズの縦横比を反映させるほうが、画像作成上便利です。

bcXY0.bmp
bcYZ0.bmp
bcYZ1.bmp
bcZX0.bmp
bcZX1.bmp
構築された壁面境界条件(外壁非表示)。外壁込みの全境界描画。

3.計算パラメータの設定

以下は、本シミュレーションにおける主なパラメータについての説明です。一般的な計算パラメータの説明は、こちらをご覧ください。

  1. cmode
    1の熱流体解析モードを選択
  2. lx
    x方向領域サイズは8m。
  3. ly
    y方向領域サイズは4m。
  4. lz
    z方向領域サイズは3m。
  5. nx、ny、nz
    格子点数は、各自必要な空間解像度を考慮して決定する。本チュートリアルでは、(nx, ny, nz) = (120, 60, 45)とし、単位長さ当たりの格子点数が全方向で等しくなるように設定した。少なくとも、3次元モデルを正しく表現できる格子点数を考慮する必要がある。
  6. tempW
    領域内初期温度は310K(37℃)。
  7. uinW, vinW, winW
    領域内初期速度は0.0m/s(ゼロ)であり、これは既定値であるので、特に指定しない。
  8. uinB、vinB、winB
    エアコンからの冷気の送風速度は、uinB = 2.0m/s, vinB = -2.0m/s(マイナスはy方向下向き), winB = 1.0m/sとした。本送風速度の大きさは、3m/sである。
  9. uinR、vinR、winR
    エアコンへの室内気の吸入速度は、uinR = 0.0m/s, vinR = -3.0m/s(マイナスはy方向下向き), winR = 0.0m/sとした。送風速度と吸入速度の大きさを等しくすることで、室内の気体の質量を保存する。
  10. tempB
    エアコンから送風される冷気の温度は300K(27℃)。
  11. tempR
    エアコンへ吸入口の温度条件は断熱(tempR=0.0)を指定。
  12. tempWallK, tempWall
    黒や非プリセット色で指定した壁面は、断熱条件(0)を指定。
  13. gfy
    外力項として、自然対流(高温の気体が上昇し、低温の気体は下降する現象)も考慮する為、重力加速度である-9.8 m/s^2(マイナス下向き)を指定。

4.シミュレーションの実行、解析及び考察

いよいよシミュレーションを開始します。シミュレーション終了後、解析モードで、プロジェクトを読み込むことで、出力されているシミュレーションの瞬時結果ファイルを読み込み、可視化を行うことができます。以下に、本シミュレーションから得られる典型的な可視化結果を示します。

また、室内の様々な点に計測プローブを設置することで、より定量的な考察が可能です。

様々な奥行き位置の室内XY断面における温度分布と流速の面内ベクトルの表示。
様々な奥行き位置の室内XY断面における温度分布と流速の面内ベクトルの表示。