1.はじめに

本チュートリアルでは、熱源を有する工場建物内における気流のシミュレーションを通じて、3次元モデルの作り方、入力ファイルにおける注意点、可視化テクニックについて説明します。

ここで紹介するシミュレーションに必要な全ての入力ファイルは、こちらからダウンロードできますので参考にしてください。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 = 3)を用いて、1000ステップ5分程度の計算速度です。

熱源を有する工場建物内の気流解析例(2次元断面の温度表示)

2.計算対象の明確化

全てのシミュレーションにおいて最も大事なことは、計算対象を明確にすることです。本チュートリアルでは、以下のような複数の熱源が設置され、工場建物左右と上部に開放口のあるケースを計算対象とします。通常、寸法などはシミュレーション対象となる建物の平面図などから取得することができます。本ケースでは、初期の気温を300K(約27度)、熱源の温度を350K(約77度)とし、工場建物壁面及び床面は断熱素材が用いられていると仮定します。

工場建物3次元図(左:外壁及び床のみ、中:熱源あり、右:屋根あり)
工場建物3次元図(左:外壁及び床のみ、中:熱源あり、右:屋根あり)
工場建物熱源配置概略図
工場建物熱源配置概略図

3.3次元モデル作成

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、①工場の壁面(紫色)、②床(ピンク色)、③熱源(プリセット赤色)、④屋根(プリセット黒色)の4つの構成部品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のみ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(ソフトウェアで補間処理を行うため)。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。本ケースでは、物理長さ1mを100ピクセルで描画するという風に、各自ルールを設けると良いでしょう。

bcXY0.bmp
bcYZ0.bmp
bcYZ1.bmp
bcZX0.bmp
bcXY0.bmpの配置方向
bcYZ0.bmpの配置方向
bcYZ1.bmpの配置方向
bcZX0.bmpの配置方向

4.計算パラメータの設定

上記でシミュレーション対象を明確にしておけば、計算パラメータの設定はそれほど難しくありません。本計算では、初期の気温を300K、熱源温度を350K、断熱壁面という熱的条件を考慮します。また、領域の大きさは、上図のように幅(x)14m、奥行き(z)8m、高さ(y)4mです。以下は、本シミュレーションにおいて特に大事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14m。
  3. ly
    y方向領域サイズは4m。
  4. lz
    z方向領域サイズは8m。
  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) = (200, 50, 100)とする。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(クリエータ・モードで格子点数を徐々に変更しながら、正しく3次元モデルが構築されるかを確認できる)。
  6. tempW
    領域内初期温度は300K。
  7. vinW
    領域内初期y方向速度は-0.1m/s(マイナス、下向き)。これは、計算を安定的に行うため(時間ステップ幅が初期流速又は流入速度から決定されるため、初期流速又は使用する流入速度のうち一つはゼロではない値を用いる必要がある)。この作為的な初期流速は、シミュレーションを十分長く実行した場合、シミュレーション結果に影響を与えない。
  8. uinR、vinR、winR
    熱源は個体壁なので、流速は、uinR = vinR = winR = 0m/s。
  9. tempR
    熱源の温度は350K。
  10. tempWallK
    黒で指定した屋根は断熱を仮定する為、0を設定。
  11. tempWall
    黒以外のプリセットカラー以外で指定した建物壁面、床面は断熱を仮定する為、0を設定。
  12. gfy
    自然対流(高温の気体が上昇する現象)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)を用います。

5.シミュレーションの実行、解析及び考察

上記2.~4.を参考にクリエータ・モードを活用しながら入力ファイルを作成します。入力ファイルの準備ができたら、いよいよシミュレーション・モードで実行し、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。

クリエータ・モード、シミュレーション・モード、解析モードなどのFlowsquare+の基本的な使い方はこちらをご覧ください。また、シミュレーション中のキーボード・マウス操作を参考に、シミュレーション中に様々な情報を取得することができます。

床面近傍のxz断面における流速分布。色はx(横)方向速度。
床面近傍のxz断面における流速分布。色はx(横)方向速度。
温度場と速度場の瞬時の結果(領域内2か所マゼンタカラーのボックスは、時間計測プローブの位置)
温度・速度場の瞬時の結果(領域内2か所の紫色のボックスは、時間計測プローブ位置)
以下は、床近く及び天井近くに設置した時間計測プローブにより取得された、温度及び流体速度の絶対値の時間変化を示しています。これらに示されるように、熱源から比較的離れた床近くおいても、温度上昇が確認できる一方、排気口に近い天井側の計測位置における自然対流に起因する流速は比較的遅いことが分かります。これらの結果から、換気扇を最適に配置し強制対流を用いることで、工場内の室温環境が改善されると考えられます。

2か所のプローブ計測点における温度(K)の時間変化。
2か所のプローブ計測点における温度(K)の時間変化。
2か所のプローブ計測点における流速の大きさ(m/s)の時間変化。
2か所のプローブ計測点における流速の大きさ(m/s)の時間変化。