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エアコンによる室内冷房シミュレーション
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。
入力ファイル
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。
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次元形状と(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。
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。- cmode
1の熱流体解析モードを選択 - lx
x方向領域サイズは8m。 - ly
y方向領域サイズは4m。 - lz
z方向領域サイズは3m。 - 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。 - tempW
領域内初期温度は310K（37℃）。 - 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。 - 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。 - 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。 - tempB
エアコンから送風される冷気の温度は300K（27℃）。 - tempR
エアコンへ吸入口の温度条件は断熱（tempR=0.0）を指定。 - 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。 - 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。
