ACU-T：3204 離散座標モデルを使用したシンプルなヘッドランプ内の放射熱伝達

前提条件

このチュートリアルでは、HyperMeshで離散座標モデルを使用して放射熱伝達問題を設定し、AcuSolveを使用して解析する方法を紹介します。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、HyperMesh、AcuSolve、およびHyperView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HyperMesh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-T3204_HeadlampDO.hm をHyperMesh_tutorial_inputs.zipから抽出します。

HyperMeshデータベース（.hmファイル）には、メッシュ済みのジオメトリが含まれているため、このチュートリアルには、ジオメトリのインポートとメッシュ生成に関する手順は含まれません。

問題の説明

ここで解析する問題を、図 1と図 2で図示しています。この問題は、ハウジング、レンズ、電球からなるシンプルなヘッドランプで構成されています。電球の内部空洞は空気で満たされており、体積熱源としてモデル化されている電球のワット数は1Wです。流体ボリューム内の自然対流の影響を考慮するために、空気に対してブシネスク密度モデルが使用されます。電球内で発生する熱は3つの形で伝達されます。すなわち、電球からハウジングへの伝導、空気ボリューム内の自然対流、電球から空気およびレンズのボリュームへの放射です。ヘッドランプの外側サーフェスは、300Kという一定温度に保たれているものと想定されています。

図 1.

空気とレンズは、放射熱伝達の関与媒体としてモデル化されます。このチュートリアルでは、空気の吸収係数はゼロと見なされます。空気とレンズのボリュームには、次の放射材料特性が使用されます。

表 1.
	吸収係数	屈折率
空気	0	1.0
レンズ	900	1.57

関与媒体に関するシミュレーションでは、各関与媒体の境界で以下の放射サーフェスタイプを定義する必要があります。

表 2.
サーフェスタイプ	放射サーフェスタイプ
関与媒体 - 関与媒体界面	放射界面 - 内部
関与媒体 - （非関与）媒体界面	Wall
関与媒体の外部境界	放射界面 - 外部または壁

AcuSolveにおける離散座標放射モデルの実装により、鏡面、拡散、および部分的鏡面の各界面のモデル化が可能となります。このためには、放射サーフェスの定義時に適切な拡散比率の値を指定します。拡散比率では、1という値はそのサーフェスが完全な拡散反射であることを意味し、0という値はそのサーフェスが完全な鏡面反射であることを意味します。0と1の間の値は、そのサーフェスでは一部が鏡面反射することを意味します。このチュートリアルでは、空気とレンズの両方が関与媒体としてモデル化されるため、レンズ-空気間の界面とレンズ-外側サーフェス間の界面はそれぞれ、内部放射界面と外部放射界面としてモデル化されます。内部界面は鏡面反射界面として定義されるのに対して、外部界面は拡散反射界面として定義されます。

HyperMeshモデルデータベースを開く

HyperMesh Desktopを起動し、AcuSolveのユーザープロファイルを読み込みます。
User ProfilesからAcuSolveを選択する方法については、HyperMeshの入門チュートリアルACU-T：1000 HyperWorksユーザーインターフェースをご参照ください。
標準ツールバーのOpen Modelアイコンをクリックします。
Open Modelダイアログが開きます。
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ACU-T3204_HeadlampDO.hmを選択してOpenをクリックします。
File > Save Asをクリックします。
Save Model Asダイアログが開きます。
名前をHeadlamp_DO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。
データベースのファイル名としてHeadlamp_DOと入力するか、都合のいい名前を選択して入力します。
保存をクリックしてデータベースを作成します。

一般的なシミュレーションパラメータの設定

解析パラメータの設定

Solverブラウザで01.Globalを展開してPROBLEM_DESCRIPTIONをクリックします。
エンティティエディターで、Analysis typeがSteady Stateに設定されていることを確認します。
Temperature equationをAdvective Diffusiveに設定します。
Radiation equationをDiscrete Ordinateに設定します。
Radiation quadratureがS4に設定されていることを確認します。
Turbulence model をLaminarに設定します（まだ設定されていない場合）。

図 4.

ソルバー設定

Solverブラウザで01.Globalの下の02.SOLVER_SETTINGSをクリックします。
エンティティエディターで、Relaxation factorを0.4に変更します。
Temperature flowをOnにします。
残りのオプションは変更しないでください。

図 5.

材料モデルと物体力の定義

材料モデルの定義

Solverブラウザで、02.Materials > Fluidを展開してAir_HMをクリックします。
エンティティエディターで、Density typeをBoussinesqに変更します。
Radiation PropertiesでAllow Participating Media Radiationオプションを有効にします。
Absorption coefficientを0に設定し、Refractive indexを1に設定します。

図 6.
Solverブラウザの02.MaterialsでSOLIDを右クリックしてCreateを選択します。
エンティティエディターで、nameにArniteを入力します
Densityを1670kg/m³に設定します。
Specific heatを2050/kg-Kに設定します。
Conductivityを1.65W/m-kに設定します
Radiation PropertiesでAllow Participating Media Radiationオプションを有効にします。
Absorption coefficientを900に設定し、Refractive indexを1.57に設定します。

図 7.
手順5～9を繰り返して、次の材料特性を持つPlasticおよびLEDという2つのソリッド材料モデルを作成します。
これら2つの材料については、放射特性を定義する必要はありません。
1. Plastic：
  1. 密度 - 1270 kg/m³
  2. 比熱 - 1900 J/kg-K
  3. 伝導率 - 0.22 W/m-K
2. LED：
  1. 密度 - 5500 kg/m³
  2. 比熱 - 0.3 J/kg-K
  3. 伝導率 - 5.0 W/m-K
データベースを保存します。

物体力の定義

Solverブラウザで、03.Body_Force > BODY_FORCEを展開してGravity_HMをクリックします。
エンティティエディターで、Y-Gravityを-9.81m/sec² に設定し、Z-Gravityを0に変更します。

図 8.

熱源の定義

Solverブラウザで03.Body_Forceを右クリックしてCreateを選択します。
エンティティエディターで、これにLED Heat Sourceという名前を付けます。
MediumをSolidに変更します。
Heat source unit typeをPer unit volumeに設定します。
Heat Source typeをConstantに設定し、Volumetric heat sourceを2049180 W/m³に設定します。

図 9.

境界条件の設定

放射率モデルの作成

Solverブラウザで07.Emissivity_Modelを右クリックしてCreateを選択します。
エンティティエディターで、nameにInnerを入力します
Emissivityを0.05に設定します。

境界条件の設定

デフォルトでは、すべてのコンポーネントは壁境界条件に割り当てられます。この手順では、それを適切な境界条件に変更し、流体ボリュームに材料特性を割り当てます。

Solverブラウザで、12.Surfaces > WALLを展開します。
Airをクリックします。エンティティエディターで以下を設定します。
1. TypeをFLUIDに変更します。
2. MaterialをAir_HMに設定します。
3. Body forceにGravity_HMを設定します。
図 10.
Housingをクリックします。エンティティエディターで以下を設定します。
1. TypeをSOLIDに変更します。
2. MaterialをPlasticに設定します。
図 11.
Bulbをクリックします。エンティティエディターで以下を設定します。
1. TypeをSOLIDに変更します。
2. MaterialをLEDに設定します。
3. Body forceにLED Heat Sourceを設定します。
図 12.
Lensをクリックします。エンティティエディターで以下を設定します。
1. TypeをSOLIDに変更します。
2. MaterialをArniteに設定します。
図 13.
Lens-innerをクリックします。エンティティエディターで、TypeがWALLに設定されていることを確認します。Radiation Surfaceタブで、以下を設定します。
1. Displayチェックボックスをアクティブにし、Active radiation surface欄をOnに設定します。
2. TypeをRadiation Interface、Radiation interface typeをInternalに設定します。
3. Diffusive fractionを0に設定します。
図 14.
Lens-outerをクリックします。エンティティエディターで、TypeがWALLに設定されていることを確認します。Temperature BC typeをValueに、Temperatureを300 Kに設定します。Radiation Surfaceタブで、以下を設定します。
1. Displayチェックボックスをアクティブにし、Active radiation surface欄をOnに設定します。
2. TypeをRadiation Interface、Radiation interface typeをExternalに設定します。
3. External emissivity modelをBlack Bodyに設定します。
4. External refractive indexを1に設定し、External temperatureを300Kに設定します。
5. Diffusive fractionを1に設定します。
図 15.
Housing-Lens-interfaceをクリックします。エンティティエディターで、TypeがWALLに設定されていることを確認します。Radiation Surfaceタブで、以下を設定します。
1. Displayチェックボックスをアクティブにし、Active radiation surface欄をOnに設定します。
2. TypeをWallに、Emissivity modelをBlack Bodyに設定します。
3. Diffusive fractionを1に設定します。
図 16.
Housing-innerをクリックします。エンティティエディターで、TypeがWALLに設定されていることを確認します。Radiation Surfaceタブで、以下を設定します。
1. Displayチェックボックスをアクティブにし、Active radiation surface欄をOnに設定します。
2. TypeをWallに、Emissivity modelをInnerに設定します。
3. Diffusive fractionを1に設定します。
図 17.
Housing-outerをクリックします。エンティティエディターで以下を設定します。
1. TypeがWALLに設定されていることを確認します。
2. Temperature BC typeをValueに設定します。
3. Temperatureを300Kに設定します。
図 18.
Bulb_wallsをクリックします。エンティティエディターで、TypeがWALLに設定されていることを確認します。Radiation Surfaceタブで、以下を設定します。
1. Displayチェックボックスをアクティブにし、Active radiation surface欄をOnに設定します。
2. TypeをWallに、Emissivity modelをBlack Bodyに設定します。
3. Diffusive fractionを1に設定します。
図 19.
モデルを保存します。

AcuSolveの実行

この手順では、AcuSolveを起動してこのケースの解を計算します。

すべてのメッシュコンポーネントの表示をオンにします。
解析を実行するには、アクティブなすべてのコンポーネントのメッシュを可視化した状態にする必要があります。
ACUツールバーのをクリックします。
Solver job Launcherダイアログが開きます。
オプション: 解析時間を短縮するには、使用可能なプロセッサの数に応じて、使用するプロセッサの数に大きい値（4または8）を設定します。
他のオプションはデフォルト設定のままにし、Launchをクリックして解析プロセスを開始します。

図 20.

HyperViewによる結果のポスト処理

このステップでは、HyperViewを使用して結果を可視化します。その際、切断面上の温度と入射放射のコンタープロットを作成します。ソルバーの実行が完了したらAcuProbeウィンドウとAcuTailウィンドウを閉じます。HyperMesh Desktopウィンドウで、AcuSolve Controlタブを閉じ、モデルを保存します。

HyperViewインターフェースへの切り替えとAcuSolveモデルと結果の読み込み

HyperMesh Desktopウィンドウで、グラフィックスウィンドウの左下隅のClientSelectorドロップダウンをクリックします。

図 21.
リストからHyperViewを選択します。
表示されたポップアップダイアログで、Yesをクリックします。
インターフェースがHyperViewに変更されます。
HyperViewを読み込むと、デフォルトでLoad model and resultsパネルが開きます。このパネルが表示されない場合は、File > Open > Modelの順にクリックします。
Load model and resultsパネルで、Load modelの隣にあるをクリックします。
Load Model Fileダイアログで、作業ディレクトリに移動して、ポスト処理する解析実行のAcuSolve .Logファイルを選択します。この例で選択するファイルは、Headlamp_DO.1.Logです。
Openをクリックします。
パネル領域でApplyをクリックしてモデルと結果を読み込みます。
読み込むと、モデルが形状で色分けされます。

断面での温度および入射放射のコンターの作成

Standard Viewsツールバーのをクリックすることで、xy平面を正面から見た表示にします。
3DViewControlsツールバーで、モデルの向きが下の図のようになるまで複数回を右クリックします。

図 22.
HV-DisplayツールバーのSection cut アイコンをクリックします。
パネル領域で、Addをクリックして、Section 1という名前の新しい切断面を作成します。
Define planeセクションで、軸をX Axisに設定し、Applyをクリックします。
DisplayオプションをClipping planeからCross sectionに変更します。

図 23.
Gridlineをクリックします。Gridline Optionsダイアログで、Grid lineの下のShowチェックボックスを非アクティブにして、OKをクリックします。
ResultsツールバーでをクリックしてContourパネルを開きます。
パネル領域で、Result typeをTemperature (s)に変更します。
Componentsエンティティセレクターをクリックします。Extended Entity Selectionダイアログで、Allを選択します。
Applyをクリックします。
パネル領域のDisplayタブで、Discrete colorオプションをオフにします。

図 24.
Legendタブをクリックし、Edit Legendをクリックします。表示されたダイアログで、Numeric precisionを2に変更してOKをクリックします。
次の図に示すようにコンタープロットが表示されます。

図 25.
パネル領域で、Result typeをIncident_radiationに変更し、Applyに変更します。

図 26.

上の図のように、バルブからの光線は空気とレンズを通過してから、大気に放射されます。

要約

このチュートリアルでは、AcuSolveを使用して、内の離散座標放射モデルにより、ヘッドランプ内の輻射伝熱問題を設定および解析する方法を学習しました。まず、メッシュと基本的なモデルの構成が含まれたHyperMeshデータベースをインポートし、シミュレーションパラメータと境界条件を設定しました。解が計算されたら、HyperViewを使用して結果を処理し、温度と入射放射のコンタープロットを作成しました。