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公衆トイレの換気シミュレーション
1．はじめに
本チュートリアルでは、建物内に設けられた公衆トイレ内における気流のシミュレーションを紹介します。紹介する3条件の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、並列レベルparallel = 3を用いて、1000ステップ10分程度の計算速度です。
以下の解説では、特に断りのない場合は、「基本条件」に対しての解説を行います。ここで、ファイル名横の「♥」は全条件共通の入力ファイルを意味します。
2．シミュレーション対象
全てのシミュレーションにおいて最も大事なことは、シミュレーション対象を明確にすることです。本チュートリアルでは、以下の鳥観図ような実測値に基づく寸法でのシミュレーションを実施します。図中の(A)から(E)は、以下の通りで、「基本条件」、「窓開放の条件」、「出入口開放の条件」における物理境界条件に関係します。
- (A) 出入り口ドア（下部にわずかな空気取り入れ用の隙間）
- (B) 開閉する窓
- (C) 天井に設置されている換気扇
- (D) 建物内の廊下へ
- (E) 建物外へ
トイレ内の空気は、天井に設けられた換気扇により強制的に排気されます（したがってトイレ内は負圧）。新鮮な空気は、出入り口ドア下部の隙間や、「基本条件」、「窓開放の条件」、「出入口開放の条件」に依存して開閉されるドアや窓から自然に流入します。
また、今回のシミュレーションでは、位置 (E) の建物外側の空間（x方向1.4m分）もシミュレーションで考慮しています。これは、窓開放の条件において、窓から流入する流体が、シミュレーションの解になるように設定する必要があるためです。十分な大きさの外側領域を設けない場合、窓から流入する流体は、未知の情報であるため、物理的に妥当な流入が実現されません。計算資源に余裕があれば、外側領域をより大きくしてみるのもいいでしょう。
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、
- 壁面や窓、ドア（非プリセット色）
- 床（プリセット黒色）
- 天井（プリセット緑色）
- 換気扇（プリセット青色）
- Age変数のリセット（プリセット赤色）
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（ソフトウェアで自動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。上記からダウンロード可能な、本ケースで紹介している入力ファイルでは、物理長さ1mを100ピクセルで描画しています。
以下は基本条件における境界条件指定画像です。
4．計算パラメータ
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。
- cmode
0の流体解析モードを選択。 - ageFlag
Age変数を使うので、1を選択。 - lx
x方向領域サイズは7.0m。これは建物外側領域まで含む。 - ly
y方向領域サイズは2.5m。 - lz
z方向領域サイズは3.4m。 - 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) = (210, 150, 102)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。 - presW, rhoW
圧力は、100,000 (Pa)、流体密度は1.2 (kg/m^3)。 - vinB
換気扇（プリセット青色境界条件）からの流速は上向き1 (m/s)としました。換気扇の断面面積とvinBの積が単位時間当たりの換気扇流量となります。 - uinR、vinR、winR
外気がトイレ屋内へ流入した直後はAge変数\(a\)を0（ゼロ；最も新鮮）という条件で拘束するため、ドア外側や窓外側に設置したプリセット赤色境界条件での流速は、uinR = vinR = winR = " - "（ハイフン）を指定する。これにより、本境界において速度は一切拘束されない一方、\(a=0\)の拘束条件がAge変数に課せられる。 - openPresFlag
今回は準閉鎖空間でのシミュレーションであるので、計算境界上に位置する開放境界における圧力条件として、ディリクレ条件 (openPresFlag=1) を指定。
5．シミュレーション結果
以下に、本シミュレーションで得られた各条件におけるAge変数分布のXY及びZX断面図を示します。断面上の流速ベクトルも表示しています。
Age変数は、流体の滞留時間に相当します。従って、Age変数が小さい（カラーマップの青や緑色）領域では、流体の滞留時間が短く、外気からの流体が比較的短時間で入れ替わる、より新鮮な空気が存在すると考えられます。このような領域は、図中の「(i) fresh air」に相当します。一方、Age変数が大きい（カラーマップの赤色）領域では、流体が長時間滞留し、上手く換気されていないと考えられます。このような領域は、図中の「(ii) old air」に相当します。
（※今回のシミュレーションでは、外気がトイレ空間内に流入する際に赤色境界を用いてAge変数を0とリセットされています）
以下に示す3条件では、同じ換気扇の性能であっても、「基本条件（窓閉・出入口閉）」は最も換気性能が低く、「窓開放の条件」が最も均一的に換気が実施されていることが分かります。
