ACU-T:3101 ミキシングエルボにおける過渡共役熱伝達

前提条件

このチュートリアルでは、HyperWorks CFDAcuSolveを使用してミキシングエルボで共役熱伝達を伴って発生する3次元乱流を取り上げ、その過渡シミュレーションを実行する方法について説明します。ここでは、ACU-T:3100 ミキシングエルボにおける共役熱伝達のチュートリアルを実施済みで、HyperWorks CFDおよびAcuSolveの基本を理解しているものとします。HyperWorksの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では、AcuSolveHyperViewの基本的な機能を紹介しています。

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-T3101_MixingElbowTransient.hm をHyperWorksCFD_tutorial_inputs.zipから抽出します。

問題の説明

この問題の解には、定常状態解と過渡解の2種類があります。定常状態解の概略図を次の図に示します。



Figure 1.

大きい入口の直径は0.1m、流入速度(v)は0.4m/s、流入する流体の温度(T)は295Kです。小さい入口の直径は0.025m、流入速度は1.2m/s、流入する流体の温度は320Kです。また、管壁の厚みは0.005mです。この問題で扱う流体は水で、管壁の材料は、密度が8030kg/m3、伝導率が16.2W/m-k、比熱が500J/kg-Kのステンレス鋼です。

この問題の定常状態部分のモデルファイルは、入力ファイルとして用意されています。定常状態の解析を計算すると、その結果がメッシュに投影され、過渡シミュレーションの初期状態として使用されます。この問題の過渡部分を開始する時点の概略図を以下に示します。



Figure 2.

シミュレーション開始後0.2秒で、両方の入口から水のコールドスラグが注入され、0.2秒から0.4秒の間に、流入口での温度が283.15Kに低下します。この温度は、そこから1秒間は283.15Kに維持されますが、1.4秒から1.6秒の間に初期状態まで上昇します。流路長を0.6356mとすると、スラグの通過時間は約1.6秒になります。したがって、スラグの期間と通過時間を考慮したシミュレーションとするには、その時間を3.2秒以上とする必要があります。熱条件が定常状態に復帰するまでに要する時間を見込むと、シミュレーションの合計時間は4.5秒になります。

大きい入口では、温度が295Kから283.15Kに変化し、小さい入口では320Kから283.15Kに変化します。大きい入口で、初期温度に対してコールドスラグの温度が示す比率は0.9598です。小さい入口の流れの初期温度に対するコールドスラッグの温度の比率は0.8848です。これらの値は、入口での過渡温度をモデル化するMultiplier Functionの作成時に使用されます。



Figure 3.

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。


    Figure 4.
    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-T3101_MixingElbowTransient.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_Transient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_Transient_Transient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。

定常状態シミュレーションの実行

この手順では、提供されている入力ファイルを使用して定常状態シミュレーションを実行します。

  1. Solutionリボンから Runツールをクリックします。


    Figure 5.
    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. Optional: 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. Default initial conditionsドロップダウンを拡張表示し、Pre-compute flowオプションを無効にします。
  6. x-velocityを0に設定し、Temperatureを300に設定します。
  7. RunをクリックしてAcuSolveを起動します。


    Figure 6.
  8. Run Statusダイアログで、AcuSolve実行を右クリックし、View log fileを選択します。
  9. ソルバー実行が完了したら、Run Statusダイアログを閉じます。


    Figure 7.

非定常解析パラメータの設定

  1. Flowリボンから Physicsツールをクリックします。


    Figure 8.
    Setupダイアログが開きます。
  2. Physics modelsの設定で
    1. Time frequencyをTransientに設定します。
    2. Time step sizeを0.053に、Final timeを4.5に設定します。


    Figure 9.
  3. Solver controls設定をクリックします。
  4. MinimumおよびMaximum stagger iterationsをそれぞれ25に設定します。
  5. FlowおよびTurbulence方程式を無効にします。
    これらのオプションをオフにすることで、AcuSolveでこれらの方程式の解が更新されなくなります。代わりに、シミュレーション全体で現在の流れおよび乱流の値(このチュートリアルの定常解)が使用され、AcuSolveでは温度場の解析のみが行われます。


    Figure 10.
  6. ダイアログを閉じてモデルを保存します。

非定常流入境界条件の指定

  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。


    Figure 11.
  2. モデリングウィンドウBoundaries凡例でLarge Inletを右クリックし、コンテキストメニューからEditを選択します。


    Figure 12.
  3. マイクロダイアログで、Temperature 横のmultiplier functionドロップダウンメニューをクリックし、Create newを選択します。


    Figure 13.
  4. 表示されるダイアログで、左上の をクリックすることにより、Multiplier Functionの名前を編集します。名前をLarge Inletに設定します。
  5. TypeをPiecewise Linearに設定します。
  6. VariableがTimeに、EvaluationがTime Stepに設定されていることを確認します。
  7. を4回クリックし、テーブルの最後に新しい行を4行追加します。
  8. 下の画像に示すように、Multiplier Functionのテーブル値を入力します。


    Figure 14.
  9. ダイアログを閉じます。
  10. ガイドバーをクリックすると、コマンドを実行し、ツール内に留まります。
  11. Boundaries凡例でSmall Inletを右クリックし、コンテキストメニューからEditを選択します。
  12. マイクロダイアログで、Temperature 横のmultiplier functionドロップダウンメニューをクリックし、Create newを選択します。
  13. 表示されるダイアログで、左上の をクリックすることにより、Multiplier Functionの名前を編集します。名前をSmall Inletに設定します。
  14. TypeをPiecewise Linearに設定します。
  15. VariableがTimeに、EvaluationがTime Stepに設定されていることを確認します。
  16. を4回クリックし、テーブルの最後に新しい行を4行追加します。
  17. 下の画像に示すように、Multiplier Functionのテーブル値を入力します。


    Figure 15.
  18. ダイアログを閉じます。
  19. 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。
  20. モデルを保存します。

解の計算

節点出力の定義

  1. Solutionリボンから Fieldツールをクリックします。


    Figure 16.
    Field Outputダイアログが開きます。
  2. Write initial conditionsオプションをアクティブにし、Solution variablesのTime step intervalを3に設定します。


    Figure 17.

AcuSolveの起動

  1. Solutionリボンから Runツールをクリックします。


    Figure 18.
    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. Optional: 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. Restartメニューを拡張表示し、Restart from previous solutionオプションをアクティブにします。
  6. Problem nameをMixingElbow_Transientに設定します(設定されていない場合)。
  7. Run numberが1に設定され、Reset time stepオプションがアクティブになっていることを確認します。
  8. Runをクリックして過渡解析の実行を開始します。


    Figure 19.
  9. Run Statusダイアログで、2つ目のAcuSolve実行を右クリックし、View log fileを選択します。
  10. ソルバー実行が完了したら、Run Statusダイアログを閉じます。

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、Pipe_SymmetrySymmetry流れ境界だけが表示されるように設定します。


    Figure 20.
  5. Boundary Groupsツールをクリックします。


    Figure 21.
  6. モデリングウィンドウですべてのサーフェスを選択します。
  7. 表示プロパティマイクロダイアログで、表示をtemperatureに設定します。
  8. Legendのトグルスイッチをアクティブにし、をクリックして範囲をリセットします。
  9. をクリックして、Colormap NameをRainbow Uniformに設定します。


    Figure 22.
  10. ガイドバーをクリックします。
  11. モデリングウィンドウの下部にあるをクリックし、温度コンターに対する過渡流れのアニメーションを表示します。


    Figure 23.
  12. アニメーションを保存します。
    1. File > Screen Capture > Advanced Captureを選択します。
    2. ツールバーの をクリックします。
    3. Include mouse cursorのチェックをオフにします。
    4. frame rateを50に設定します。
    5. ツールバーのをクリックし、記録したい領域をドラッグオーバーします。
    6. をクリックして記録を開始します。記録を終了する場合も同じボタンを使用します。
    7. ファイルの名前を指定し、保存します。

要約

このチュートリアルでは、HyperWorks CFDAcuSolveを使用して過渡共役熱伝達のシミュレーションを設定し、実行する方法を知ることができました。まず、定常状態の実行用の共役熱伝達設定を含む入力ファイルをインポートしました。定常状態解が計算されたら、過渡シミュレーションパラメータを設定し、入口に過渡条件を適用しました。過渡解の計算後、HyperViewを使用して結果をポスト処理しました。