ACU-T：2000 ミキシングエルボ内の乱流

前提条件

このチュートリアルを開始する前に、HyperWorks 入門チュートリアルである ACU-T：1000 HyperWorksユーザーインターフェースをすでに完了し。 このシミュレーションを実行するには、ライセンス供与済みバージョンのHyperWorks CFDおよびAcuSolveにアクセスできる必要があります。

このチュートリアルを実行する前に、ここをクリックしてチュートリアルモデルをダウンロードしてください。 ACU-T2000_MixingElbow.hm をHyperWorksCFD_tutorial_inputs.zipから抽出します。

問題の説明

ここで示した問題特性は、配管内のレイノルズ数を計算することで、流れが層流か乱流かを判断するものです。大きい入口の直径は0.1mで、入口速度（v）は0.4m/sです。小さい入口の直径は0.025mで、入口速度は1.2m/sです。



図 1. ミキシングエルボの概略図

この問題で扱う流体は、密度 (ρ)は1000 kg/m3、分子粘性 (μ)は1.781X 10-3kg/m-secの温度によって変化しない性質を持つ水です。

質量保存に基づいて、複合流速（Q）によって、小さい入口の下流に0.475m/sというパイプ速度が生じます。パイプ速度は以下の式を使用して計算されます： (1) Q L arg e I n l e t = A L arg e I n l e t V L arg e I n l e t Q S m a l l I n l e t = A S m a l l I n l e t V S m a l l I n l e t Q T o t a l = Q L arg e I n l e t + Q S m a l l I n l e t V p i p e = Q t o t a l A L arg e I n l e t = 0.475   m / s MathType@MTEF@5@5@+= feaagKart1ev2aaatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLn hiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr 4rNCHbGeaGqiVu0Je9sqqrpepC0xbbL8F4rqqrFfpeea0xe9Lq=Jc9 vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0=yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr=x fr=xb9adbaqaaeGaciGaaiaabeqaamaabaabaaGceaqabeaacaWGrb WaaSbaaSqaaiaadYeaciGGHbGaaiOCaiaacEgacaWGLbGaamysaiaa d6gacaWGSbGaamyzaiaadshaaeqaaOGaeyypa0JaamyqamaaBaaale aacaWGmbGaciyyaiaackhacaGGNbGaamyzaiaadMeacaWGUbGaamiB aiaadwgacaWG0baabeaakiaadAfadaWgaaWcbaGaamitaiGacggaca GGYbGaai4zaiaadwgacaWGjbGaamOBaiaadYgacaWGLbGaamiDaaqa baaakeaacaWGrbWaaSbaaSqaaiaadofacaWGTbGaamyyaiaadYgaca WGSbGaamysaiaad6gacaWGSbGaamyzaiaadshaaeqaaOGaeyypa0Ja amyqamaaBaaaleaacaWGtbGaamyBaiaadggacaWGSbGaamiBaiaadM eacaWGUbGaamiBaiaadwgacaWG0baabeaakiaadAfadaWgaaWcbaGa am4uaiaad2gacaWGHbGaamiBaiaadYgacaWGjbGaamOBaiaadYgaca WGLbGaamiDaaqabaaakeaacaWGrbWaaSbaaSqaaiaadsfacaWGVbGa amiDaiaadggacaWGSbaabeaakiabg2da9iaadgfadaWgaaWcbaGaam itaiGacggacaGGYbGaai4zaiaadwgacaWGjbGaamOBaiaadYgacaWG LbGaamiDaaqabaGccqGHRaWkcaWGrbWaaSbaaSqaaiaadofacaWGTb GaamyyaiaadYgacaWGSbGaamysaiaad6gacaWGSbGaamyzaiaadsha aeqaaaGcbaaabaGaamOvamaaBaaaleaacaWGWbGaamyAaiaadchaca WGLbaabeaakiabg2da9maalaaabaGaamyuamaaBaaaleaacaWG0bGa am4BaiaadshacaWGHbGaamiBaaqabaaakeaacaWGbbWaaSbaaSqaai aadYeaciGGHbGaaiOCaiaacEgacaWGLbGaamysaiaad6gacaWGSbGa amyzaiaadshaaeqaaaaakiabg2da9iaaicdacaGGUaGaaGinaiaaiE dacaaI1aGaaGjbVlaad2gacaGGVaGaam4Caaaaaa@AF83@

この値はレイノルズ数を決定するのに役立ち、さらにこのレイノルズ数を使用して、流れを乱流または層流のどちらとしてモデル化すればよいかを決定できます。

モデル化された流れが乱流または層流のどちらになるのかを特定するには、レイノルズ数（Re）を計算する必要があります。レイノルズ数は次の式によって求められます。(2) Re = ρ V D μ MathType@MTEF@5@5@+= feaagKart1ev2aaatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLn hiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr 4rNCHbGeaGqiVu0Je9sqqrpepC0xbbL8F4rqqrFfpeea0xe9Lq=Jc9 vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0=yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr=x fr=xb9adbaqaaeGaciGaaiaabeqaamaabaabaaGcbaGaciOuaiaacw gacqGH9aqpdaWcaaqaaiabeg8aYjaadAfacaWGebaabaGaeqiVd0ga aaaa@3DE7@

ここで、ρは流体密度、Vは流体速度、Dは流れ領域の直径、μは流体の分子粘性です。レイノルズ数が4,000より大きい場合は、一般に流れを乱流としてモデル化することができます。

大きい入口のレイノルズ数が40,000、小さい入口のレイノルズ数が30,000、複合流のレイノルズ数が47,500であることは、流れ領域全体にわたって流れが乱流であることを示します。このシミュレーションは、定常状態の乱流をモデル化するように設定されます。

HyperWorks CFDの起動とHyperMeshデータベースのオープン

  1. WindowsのスタートメニューからStart > Altair <version> > HyperWorks CFDをクリックしてHyperWorks CFDを起動します。
  2. HomeツールのFilesツールグループからOpen Modelツールをクリックします。


    図 2.
    Open Fileダイアログが開きます。
  3. モデルファイルの保存先ディレクトリを参照します。HyperMeshファイルのACU-T2000_MixingElbow.hmを選択してOpenをクリックします。
  4. File > Save Asをクリックします。
  5. 名前をMixingElbow_Turbulentとして新しいディレクトリを作成し、このディレクトリへ移動します。
    このディレクトリが作業ディレクトリになり、シミュレーションに関連するすべてのファイルがこの場所に保存されます。
  6. データベースのファイル名としてMixingElbowと入力するか、都合のいい名前を選択して入力します。
  7. 保存をクリックしてデータベースを作成します。

形状の検証

  1. ジオメトリリボンから Validateツールをクリックします。


    図 3.
    Validateツールは、モデル全体をスキャンし、サーフェスおよびソリッド上でチェックを実行して、形状に不具合（フリーエッジ、閉じたシェル、交差、重複、スライバーなど）があればフラグ付けします。

    現在のモデルには、上記のような問題は存在しません。問題が見つかった場合は、ツール名の横の括弧内の数で示されます。

    Validateアイコンの左上に青色のチェックマークが表示されているのがわかります。これは、このツールでは形状モデルの問題は検出されなかったことを示しています。


    図 4.
  2. Escを押すか、モデリングウィンドウ内を右クリックして緑のチェックマーク上を右から左にスワイプします。
  3. データベースを保存します。

問題の設定

シミュレーションパラメーターとソルバーの設定

  1. Flowリボンから Physicsツールをクリックします。


    図 5.
    Setupダイアログが開きます。
  2. Physics modelsの設定で
    1. Single phase flowでIncompressibleオプションが選択されているのを確認します。
    2. Time frequencyをSteadyに設定します。
    3. Turbulence modelとしてSpalart-Allmarasを選択します。
      Spalart Allmaras乱流モデルはそのロバスト性と精度から、定常状態の流れのシミュレーションに非常に適しています。


    図 6.
  3. Solver controls設定をクリックし、下の図のようにパラメータが設定されていることを確認します。


    図 7.
  4. ダイアログを閉じてモデルを保存します。

材料プロパティの割り当て

  1. Flowリボンから Materialツールをクリックします。


    図 8.
  2. モデルボディを選択します。
    ソリッド全体がハイライト表示されます。


    図 9.
  3. マイクロダイアログ内、Materialの横にあるドロップダウンメニューをクリックして、Waterを選択します。
  4. ガイドバーで、をクリックしてコマンドを実行し、ツールを終了します。

流れ境界条件の割り当て

大きい入口の境界条件の設定

ミキシングエルボの大きい入口が、平均速度に基づいて分布持った入口流速として定義されます。
  1. FlowリボンのProfiledツールグループから、Profiled Inletツールをクリックします。


    図 10.
  2. 大きな入口のフェイスをクリックします。


    図 11.
  3. マイクロダイアログ内、Average velocityに0.4の値を入力します。


    図 12.
  4. 入口の名前を変更します。
    1. モデリングウィンドウの左側の凡例で、Inletをダブルクリックします。
    2. Large_Inletと入力し、Enterキーを押します。
  5. ガイドバーでをクリックすると、コマンドを実行し、ツール内に留まります。
    注: 作成された入口の数が、Profiledツールアイコンの右上の括弧内に表示されます。

小さい入口の境界条件の設定

ミキシングエルボの小さい入口も、平均速度を使用して定義されます。Profiledツールのガイドバーは、前回の手順から開いたままのはずです。
  1. 小さな入口のフェイスをクリックします。


    図 13.
  2. マイクロダイアログ内、Average velocityに1.2の値を入力します。


    図 14.
  3. 入口の名前を変更します。
    1. モデリングウィンドウの左側の凡例で、Inletをダブルクリックします。
    2. Small_Inletと入力し、Enterキーを押します。
  4. ガイドバーで、をクリックしてコマンドを実行し、ツールを終了します。

出口の境界条件の設定

  1. Flowリボンから Outletツールをクリックします。


    図 15.
  2. 吹き出し口フェイスをクリックします。


    図 16.
  3. マイクロダイアログ内、Static pressureとPressure loss factorの値が0であることを確認します。


    図 17.
  4. ガイドバーで、をクリックしてコマンドを実行し、ツールを終了します。

対称面の境界条件の設定

この形状はXY中央平面に関して対称であるため、形状の半分を使用してモデル化できます。このことを利用するには、中央平面を対称面として特定する必要があります。対称境界条件によって、平面の片面からの流れ場は反対側からの流れ場のミラーイメージとなるなどの制約条件が適用されます。

  1. Flowリボンから Symmetryツールをクリックします。


    図 18.
  2. 対称面のフェイスを選択します。


    図 19.
  3. マイクロダイアログ内、デフォルトの対象条件のまま確定します。


    図 20.
  4. ガイドバーで、をクリックしてコマンドを実行し、ツールを終了します。
  5. データベースを保存します。

メッシュの生成

このチュートリアルで使用するメッシュパラメータはすでに入力ファイルで設定されています。
  1. メッシュリボンから Volumeツールをクリックします。


    図 21.
    Meshing Operations ダイアログが開きます。
    注: モデルが検証されていない場合、バッチメッシュを実行する前にシミュレーションモデルを作成するように求められます。
  2. Average element sizeが0.025に設定されていることを確認します。
  3. その他すべてのデフォルト設定を受け入れます。


    図 22.
  4. Meshをクリックします。
    Run Statusダイアログが開きます。解析が実行すると、ステータスが更新され、ダイアログが閉じます。
    ヒント: メッシュジョブを右クリックし、View log fileを選択してメッシングプロセスの概要を表示します。
  5. モデルの裏側から、Small Inletの周りの細分割されたメッシュを確認します。


    図 23.

AcuSolveの実行

  1. Solutionリボンから Runツールをクリックします。


    図 24.
    Launch AcuSolveダイアログが開きます。
  2. Parallel processingオプションをIntel MPIに設定します。
  3. オプション: プロセッサーの数を、環境に応じて4または8に設定します。
  4. Automatically define pressure referenceオプションを無効にします。
  5. 他のオプションはデフォルト設定のままにし、RunをクリックしてAcuSolveを起動します。


    図 25.
    Run Statusダイアログが開きます。解析が実行すると、ステータスが更新され、ダイアログが閉じます。
    ヒント: AcuSolve実行中、Run StatusダイアログでAcuSolveジョブを右クリックし、View Log Fileを選択することで、解析プロセスの状況を確認できます。

HW-CFD Postによる結果のポスト処理

  1. 解析の完了後、Postリボンに移動します。
  2. メニューバーでFile > Open > Resultsをクリックします。
  3. 作業ディレクトリでAcuSolveログファイルを選択し、ポスト処理の結果を読み込みます。
    ソリッドとすべてのサーフェスがPostブラウザに読み込まれます。
  4. Postブラウザで、Symmetry流れ境界だけが表示されるように設定します。
  5. Symmetryを右クリックし、Editを選択します。
  6. 表示プロパティマイクロダイアログで、表示をvelocityに設定し、Legendのトグルスイッチをアクティブにします。
  7. をクリックして、Colormap NameをRainbow Uniformに設定します。


    図 26.
  8. ガイドバーのをクリックしてします。


    図 27.
  9. 再び、Symmetryを右クリックし、Editを選択します。
  10. pressureを表示します。
  11. をクリックして範囲をリセットします。


    図 28.
  12. ガイドバーのをクリックしてします。


    図 29.

要約

このチュートリアル、では、CFDシミュレーション実行用のCFDモデルのセットアップをするための基本的なワークフローと結果のポスト処理を学習しました。まず、HyperWorks CFDでモデルをインポートしました。次に、シミュレーションパラメータを設定して、HyperWorks CFDから直接AcuSolveを起動しました。AcuSolveによる解析が完了した後、Postリボンを使用してコンタープロットを作成しました。