ACU-T：3100 ミキシングエルボにおける共役熱伝達

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、HyperWorks CFDとAcuSolveの基本を理解しているものとします。必ずしも必須ではありませんが、このシミュレーションを実行する前にACU-T：2000 ミキシングエルボ内の乱流を完了しておくことをおすすめします。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-T3100_MixingElbowHeatTransfer.hm をHyperWorksCFD_tutorial_inputs.zipから抽出します。

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、ステンレス鋼製のミキシングエルボで構成されており、2つの入口から水がそれぞれ異なる速度と温度で流入します。形状は管のXY中央平面を中心として対称です（図を参照）。



図 1. ステンレス鋼壁のミキシングエルボの概略図

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-T3100_MixingElbowHeatTransfer.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_HeatTransfer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_HeatTransfer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 3.

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 4.
    Setupダイアログが開きます。
  2. Physics modelsの設定で
    1. Time marchingがSteadyに設定されていることを確認します。
    2. 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。
    3. Heat transferチェックボックスを選択します。


    図 5.
  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 6.
  4. ダイアログを閉じてモデルを保存します。

新しい材料モデルの作成

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


    図 7.
    Material Libraryが開きます。
  2. Settingsの下で、Solidをクリックします。
  3. My Materialsタブをクリックし、をクリックして新しいソリッドを作成します。
    材料の作成ダイアログが開きます。
  4. 材料の名前を変更します。
    1. ダイアログの左上のSolidをクリックし、名前を編集します。
    2. Steelと入力し、Enterキーを押します。
  5. Densityの値を8030に変更します。


    図 8.
  6. Specific Heatタブをクリックします。
  7. Specific heatの値を500に変更します。


    図 9.
  8. Conductivityタブをクリックします。
  9. Conductivityの値を16.2に変更します。


    図 10.
  10. 材料の作成ダイアログを終了します。


    図 11.
  11. Material Libraryを終了します。

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 12.
  2. 外側のパイプソリッドを選択します。


    図 13.
  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、Steelを選択します。
  4. 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。
  5. 次に、内側のパイプソリッドを選択します。


    図 14.
  6. 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。
  7. 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。

流れおよび熱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プロファイルされた入口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 15.
  2. 大きな入口の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、Time marching に0.4、Temperatureに295を入力します。
  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 17.
  2. マイクロダイアログ内、Time marching に1.2、Temperatureに320を入力します。
  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 18.
  2. 吹き出し口フェイスをクリックします。


    図 19.
  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 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。

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 21.
  2. 対称面のフェイスをクリックします。


    図 22.
  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 23.
  4. 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。
  5. 次に、管壁対称のフェイスを選択します。


    図 24.
  6. 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。
  7. 境界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、Symmetry 1をダブルクリックします。
    2. Pipe_Symmetryと入力し、Enterキーを押します。
  8. 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。

外側管壁の境界条件の設定

  1. Flowリボンから No Slipツールをクリックします。


    図 25.
  2. 外側管壁のフェイスをクリックします。


    図 26.
  3. マイクロダイアログ内、 をクリックして温度のタブを開きます。
  4. Convective heat coefficientの値を100に変更します。
  5. Convective heat resistance temperatureの値を302.594に変更します。


    図 27.
  6. 境界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、Wallをダブルクリックします。
    2. Pipe_OuterWallsと入力し、Enterキーを押します。
  7. 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。
  8. 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 28.
    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0.03606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 29.
  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. パイプ壁周りの細分割されたメッシュを確認します。


    図 30.

AcuSolveの実行

  1. Solutionリボンから Runツールをクリックします。


    図 31.
    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 32.
    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temperature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 33.
  8. ガイドバーのをクリックします。


    図 34.
  9. Postブラウザで、Outlet流れ境界だけが表示されるように設定します。
  10. View Cube上のRightフェイスをクリックし、モデルを揃えます。


    図 35.
    ヒント: その向きが標準でない場合は、その面をもう一度クリックすると、モデルが標準の揃えられます。
  11. Outletを右クリックし、Editを選択します。
  12. temperatureを表示します。
  13. をクリックして範囲をリセットします。


    図 36.
  14. ガイドバーのをクリックします。


    図 37.

要約

このチュートリアルでは、HyperWorks CFDを使用して共役熱伝達のシミュレーションを設定する方法と、新しい材料モデルを作成する方法を体験しました。HyperWorks CFDからAcuSolveを直接起動して解析を計算し、Postリボンを使用して解析結果をポスト処理しました。