1.はじめに

Flowsquare+を用いると、比較的大きなスケールを有する風洞実験を数値的に実施可能です。本チュートリアルでは、基本となる風洞設備をFlowsquare+を用いて構築し、風洞内に計測対象の3次元モデルを設けることで、流れ場の可視化を実施します。

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3分程度の計算速度です。

2.計算対象

本チュートリアルでは、以下の図に示されるような、四方を壁で囲まれた風洞内に、図中矢印の向きに流体を流し、風洞内に設置した2次元的な翼周りの流れのシミュレーションを行います。本入力ファイルを用いると、プリセット境界条件を利用する必要はありません(プリセット境界条件を上手く活用すると、入力ファイルの数を減らすことができます)。

風洞3次元図(左:流入境界側から、右:側面側から、矢印は主流方向を示す)
風洞3次元図(左:流入境界側から、右:側面側から、矢印は主流方向を示す)

3.境界条件作成

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風洞の壁(プリセット黒)、②入口流入境界条件(プリセット青色)、③翼(紫色)の3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800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(翼の指定)
bcXY9.bmp(青流入境界の指定)
bcYZ9.bmp(壁面の指定)
bcXY0.bmpの配置方向
bcXY9.bmpの配置方向
bcYZ9.bmpの配置方向

4.計算パラメータの設定

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

    0の流体解析モード(密度一定の液体、及び気体用)

  2. lx

    風洞のx方向サイズは3m。

  3. ly

    風洞のy方向サイズは1m。

  4. lz

    風洞のz方向サイズは1m。

  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します。本チュートリアルでは、(nx, ny, nz) = (80, 80, 40)とし、各方向で異なる格子点間隔を用いています。これは、①x方向及びy方向の流速の空間的な変化がz方向に比べて大きいと予測されるため、②翼のy方向厚みが極端に小さく、限られた計算時間の中でこれを十分解像する必要があるためです。

    各方向の格子点数を変化させ、計算時間や得られる解などを比較してみてください。可能であれば、より高い空間解像度(多い格子点数)でのシミュレーションを実施してみてください。

  6. rhoW

    流体密度は、常温常圧の空気の値(1.2 kg/m^3)を使用。

  7. uinB

    プリセット・カラーの青色で指定した流入流速は、20m/s。

5.シミュレーションの実行、解析及び考察

上記のリンクらかダウンロード可能な入力ファイルを用いて、シミュレーションを開始します。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や、翼に働く揚力や抵抗などの流体力を示します。流体力の計算には、ツールメニューを用います。

xy断面における流速分布(色は速度の絶対値)及び流線。
xy断面における流速分布(色は速度の絶対値)及び流線。
xy断面における圧力分布と翼に係る流体力(揚力:Fy、抵抗:Fx)。
xy断面における圧力分布と翼に係る流体力(揚力:Fy、抵抗:Fx)。