ACU-T：2400 収縮拡大ノズル内の超音速流

前提条件

このチュートリアルでは、HyperWorks CFDを使用して収縮拡大ノズル内の超音速流をモデリングする手順を説明します。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、HyperWorks CFDとAcuSolveの基本を理解しているものとします。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-T2400_CD_Nozzle.hm をHyperWorksCFD_tutorial_inputs.zipから抽出します。

注: このチュートリアルでは、形状のクリーンアップに関する手順は説明しません。

問題の説明

このチュートリアルで扱う問題は、図 1で図示しています。これはpopular de Lavalまたは収縮拡大ノズルに基づいています。中央でピンチされ軸対象の砂時計形になっているチューブで構成されます。高圧の空気が入口に流入し、ノズルの領域が小さくなるにつれ流れが加速されます。喉部で流れは音速に到達し、詰まった状態になります。音速流の領域は喉部の下流で形成されます。亜音速流と異なり、音速流は領域が大きくなると加速されます。この音速の加速領域は垂直衝撃波によって終了します。この衝撃波は流れをほぼ瞬時に亜音速まで減速させます。さらにこの亜音速流は残りの分流区間を通して減速され、亜音速ジェットとして排気されます。


図 1.

喉部に対する出口のノズルの比率は1.5です。入口の半径は0.892mで、出口の半径は0.691mです。入口のよどみ点圧力は123,567Pa、入口の温度は309.072Kです。出口の静圧は101,325Paに設定されています。この問題の流体は空気で、流れは非粘着質（粘度と伝導率がゼロ）と想定され、密度はIdeal gasモデルに基づきます。

この問題は、長手方向の軸を中心とした回転周期性を持ち、生じる流れも回転周期性を持つことが想定されるため、くさび形の部分を使用したモデリングが可能になります。このチュートリアルでは、図に示すように60度分の形状をモデル化します。回転周期性を持つ形状の一部をモデル化することで、正確な解を維持しつつ、計算時間を短縮できます。


図 2.

AcuSolveのシミュレーションは、安定した流れ解析を特定するために、流れ変数が漸近状態に到達する過渡音速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 3.
    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-T2400_CD_Nozzle.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CD_Nozzle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CD_Nozzle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

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。

シミュレーションの物理パートに集中するために、このチュートリアルの入力ファイルにはすでに検証済みの形状が含まれています。ジオメトリリボンのValidateアイコンの左上隅に青色のチェックマークが表示されていることを確認します。これは、形状が有効で、フロー設定に進めることを示しています。


図 4.

流れのセットアップ

材料特性の定義

  1. Flowリボンから Material Libraryツールをクリックします。


    図 5.
    Material Libraryダイアログが開きます。
  2. Settingsで、Ideal Gasをクリックして、My Materialタブをクリックします。
  3. をクリックして、新しいIdeal Gasモデルを追加します。
  4. Gas ConstantおよびSpecific Heatはデフォルト値のままにして、ViscosityおよびConductivityの値を0に設定します。
  5. モデルの名前をAir Ideal Inviscidに変更します。








    図 6.

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 7.
    Setupダイアログが開きます。
  2. Physics modelsの設定で
    1. Single phase flowの下のSupersonicラジオボタンを選択します
    2. Ideal gas modelをAir Ideal Inviscidに設定します。
    3. Time step sizeを0.000125に設定します。
    4. Final timeを0.3125に設定します。
    5. Turbulence modelがLaminarに設定されているのを確認します。


    図 8.
  3. Solver controls設定をクリックします。
  4. Transient update factorを0.5に設定します。
    注: ここでは定常状態に達する解を求めているので、transient update factorは、解の精度に影響を与えることなく0以外の値に設定することができます。
  5. Maximum stagger iterationsを5に設定します。


    図 9.
  6. ダイアログを閉じてモデルを保存します。

材料選択の確認

  1. Flowリボンから Materialツールをクリックします。


    図 10.
  2. ボリューム領域にAir Ideal Inviscid材料が割り当てられていることを確認してください。
  3. ガイドバーのをクリックしてします。

流れ境界条件の定義

  1. FlowリボンのPressureツールグループから、Stagnation Pressureツールをクリックします。


    図 11.
  2. 下図でハイライトされているInlet面をクリックします。


    図 12.
  3. マイクロダイアログで、Stagnation pressureとTemperatureに以下の値を入力します。


    図 13.
  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. Outletツールをクリックします。


    図 14.
  6. 下図でハイライトされている面を選択し、Static pressureの値として101325を入力し、ガイドバーのをクリックします。


    図 15.
  7. Slipツールをクリックします。


    図 16.
  8. 下図でハイライトされている面を選択し、ガイドバーのをクリックします。


    図 17.
  9. Periodic > Rotationツールをクリックします。


    図 18.
  10. 下図でハイライトされている面をSourceとして選択します。


    図 19.
  11. ガイドバーのTargetをクリックし、反対側の面を選択します。


    図 20.
  12. ガイドバーのをクリックしてします。

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、Mesh growth rateが1.3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。

AcuSolveの実行

  1. Solutionリボンから Runツールをクリックします。


    図 23.
  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. Default initial conditionsを展開し、以下のように値を入力します。
  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 24.
    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

この手順では、中央スライス平面上の圧力のコンターを確認します。

  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。


    図 25.
  4. アニメーションのスライダーを終点まで移動し、最後の時間ステップのデータを読み込みます。


    図 26.
  5. Slice Planesツールをクリックします。


    図 27.
  6. モデリングウィンドウで、x-y平面を選択します。
  7. スライス平面のマイクロダイアログで、をクリックしてスライス平面を作成します。
  8. 表示プロパティマイクロダイアログで、表示をpressureに設定し、Legendのトグルスイッチをアクティブにします。
  9. をクリックして、Legend locationをUpper Center、Legend OrientationをHorizontal、Colormap nameをRainbow Uniformに設定します。


    図 28.
  10. ガイドバーのをクリックしてします。
  11. Postブラウザで、Flow Boundariesサーフェスを非表示にして、スライス平面上に圧力のコンターを表示します。


    図 29.
    同様に、マッハ数のコンターを表示できます。


    図 30.