ACU-T：3310 単相核沸騰

このチュートリアルでは、HyperWorks CFDを使用した単相核沸騰のモデリングの手順を説明します。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-T3310_NB1_Steiner.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、ジオメトリのクリーンアップやメッシュの設定に関する手順は説明していません。

問題の説明

このチュートリアルで扱う問題は、図 1で図式的に示されています。この問題は、サブクール沸騰のための一般的な壁の熱伝達モデルに基づいています（スタイナーモデル）。これは、底面に加熱壁がある1つのチャネルで構成されています。この壁の温度は、加熱壁において核沸騰を開始するように選択されます。


図 1. チャネルの概略図

入口の寸法は0.03 x 0.04mであり、入口速度（v）は0.39m/s、入口に流入する流体の温度（T）は368.15K（95C）です。

予熱された空気が入口に流入し、熱が壁から流体に伝達されます。この熱によって壁に近い領域でサブクール沸騰が生じ、核形成部位で気泡が発生します。

この状態での熱伝達は、基本的に、バルク液体の動きに起因するマクロ対流と、気泡と加熱壁の間の液体ミクロ層の蒸発に伴う潜熱輸送の2つの現象に大きく影響されます。

この問題の流体は水です。水は、密度、粘度、エンタルピー、伝導率という温度依存の材料特性を持ちます。この材料には、表面張力モデルと気相モデルも指定されています。

同様に温度依存の材料特性を持つ水蒸気が、気相モデルとして指定されます。

AcuSolveのシミュレーションは、マニホールドの加熱壁上の温度と熱流束を明らかにするために、定常状態の熱伝達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-T3310_NB1_Steiner.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NB1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NB1_Steiner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.

流れのセットアップ

一般的なシミュレーションパラメータの設定

  1. Flowリボンから Physicsツールをクリックします。


    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にSpalart-Allmarasを選択します。
    3. Heat transferチェックボックスを選択します。
    4. Solve for boilingチェックボックスをクリックし、Nucleate Boilingを有効にします。
    5. Vapor phase modelに、Vapor_Thermを選択します。
    6. Surface tension typeがConstantに設定されているのを確認し、Surface tensionの値を0.01に設定します。


    図 5.
  3. 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 6.
  2. モデルソリッドを選択します。
  3. MaterialドロップダウンメニューからWater_Thermを選択します。


    図 7.
  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。

流れ境界条件の定義

  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 8.
  2. 下図でハイライトされているInlet面をクリックします。
  3. マイクロダイアログで、Average velocityに0.39と入力し、Temperatureに368.15と入力します。


    図 9.
  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 10.
  6. 下図でハイライトされている面を選択し、Static pressureを200000に設定し、Back flow conditionsをアクティブにします。


    図 11.
  7. TurbulenceおよびTemperatureタブで、Back flow typeをExiting Mass Flux Averageに設定します。


    図 12.
  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。
  9. No Slipツールをクリックします。


    図 13.
  10. 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 14.
  11. 下図でハイライトされている次の面を選択します。
  12. マイクロダイアログで、Temperatureタブをクリックし、Thermal boundary conditionをTemperatureに設定して、Temperature valueを403.15に設定します。


    図 15.
  13. ガイドバーのをクリックします。
  14. Boundariesの凡例で、Wall 1をダブルクリックしてHeated_Wallという名前に変更します。
  15. WallをダブルクリックしてBottomという名前に変更します。


    図 16.
  16. ガイドバーのをクリックします。
  17. モデルを保存します。

メッシュの生成

ソルバーの設定に焦点を当てるために、ここでは、すでに定義されているメッシュの設定を使用します。
  1. メッシュリボンから Volumeツールをクリックします。


    図 17.
  2. Meshing Operationsダイアログで、Mesh growth rateを1.3に設定します。


    図 18.
  3. 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。
  4. モデルを保存します。

AcuSolveの実行

  1. Solutionリボンから Runツールをクリックします。


    図 19.
    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. Default initial conditionsを展開し、以下のように値を入力して初期条件を定義します。


    図 20.
  5. RunをクリックしてAcuSolveを起動します。
    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: 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. 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 21.
  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 22.
  4. Heated_WallおよびBottomサーフェスの温度コンターを確認するには、Postブラウザでこれらのサーフェスを右クリックして、Isolateを選択します。
  5. Postブラウザで、Heated_WallとBottomを再び右クリックしてEditを選択します。
    surface coloringのマイクロダイアログが開きます。
  6. DisplayオプションをTemperatureに設定します。


    図 23.
  7. Legendラジオボタンをアクティブにし、をクリックして、凡例プロパティを下図のとおりに設定します。


    図 24.
    モデルに温度コンターが表示されます。


    図 25.

要約

このチュートリアルでは、HyperWorks CFDを使用して、単相核沸騰の関与するシミュレーションを設定し、解析する方法を知ることができました。まず、HyperMeshの入力ファイル（形状を含む）を開き、次にシミュレーションパラメータと流れ境界条件を定義しました。解析を計算した後、HyperWorks CFD Postを使用して温度のコンターを作成しました。