ACU-T：3311 代数オイラーモデルを使用した多相核沸騰

このチュートリアルでは、代数的オイラーモデルを使って管内の二相核沸騰モデルのモデリング手順を説明します。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-T3311_TwoPhaseNB.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。

圧力が2バールで温度が95 ℃の水が、0.39m/secの平均速度で入口に流入し、130℃に保たれている加熱壁を通過します。

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。

代数オイラー（AE）モデルは、分散領域と搬送領域の間で見られる熱伝達と運動量交換のシミュレーションに使用します。


図 1. チャネルの概略図

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-T3311_TwoPhaseNB.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NB2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NB2_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

材料の確認と作成

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


    図 4.
    Material Libraryダイアログが開きます。
  2. Settingsで、Fluidをクリックして、My Materialsタブをクリックします。
  3. 材料Water_NBに以下に示す特性があることを確認します。


    図 5.
  4. Settingsで、Boiling Multiphaseをクリックして、My Materialsタブをクリックします。
  5. をクリックして、新しい材料を作成します。
  6. 材料Boiling_NBに名前を付け、マイクロダイアログで以下の特性を確認します。


    図 6.

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 7.
    Setupダイアログが開きます。
  2. Physics modelsの設定で
    1. Multiphase flowラジオボタンを選択します。
    2. Multifluid typeをBoilingに、Boiling materialをBoiling_NBに設定します。
    3. Time step sizeが0.01に設定されていることを確認します。
    4. Turbulence modelにSpalart-Allmarasを選択します。
    5. Gravityの値をZ方向の-9.81に設定します。
    6. Pressure scaleをGaugeに設定し、ドロップダウンの横のをクリックして、Absolute pressure offsetを200000に設定します。


    図 8.
  3. Solver controls設定をクリックし、以下を確認します。
    1. Minimum stagger iterationが2に設定されていること。
    2. Maximum stagger iterationが4に設定されていること。
    3. Transient maximum stepが40に設定されていること。
    4. Flow、Temperature、Multifluid、およびTurbulenceチェックボックスが有効なこと。


    図 9.
  4. 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 10.
  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Boiling_NBを選択します。


    図 11.
  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 12.
  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 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、ガイドバーのをクリックします。


    図 15.
  7. No 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、Heated_wall面を作成します。


    図 17.
  9. 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 18.
  10. 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。
  11. Boundariesの凡例で、Wallをダブルクリックし、Renameを選択してHeated_wallと入力します。


    図 19.
  12. 下図でハイライトされている8つのサーフェスを選択し、Bottom_wall面を作成して、ガイドバーのをクリックします。


    図 20.
  13. 境界の凡例で、Wallの名前をBottom_wallに変更します。
  14. Solutionリボンから Fieldツールをクリックします。


    図 21.
    Field Outputダイアログが開きます。
  15. Time step intervalを10に設定します。


    図 22.
  16. 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 23.
  2. Meshing Operationsダイアログで、Average Element sizeを0.004に設定します（まだ設定されていない場合）。


    図 24.
  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 25.
    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. Use hybrid message passingにチェックを入れ、スレッド数をプロセッサ数と同じに設定します。
  5. 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 26.
  6. 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. 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 27.
  4. Heated_WallおよびBottom_wallサーフェスの蒸気の体積分率の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リボンで、Boundary Groupsツールをクリックします。


    図 28.
  6. モデルのすべてのサーフェスを選択します。
  7. マイクロダイアログで、Displayオプションをvolume fraction vaporに設定します。
  8. 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 29.
  9. ガイドバーのをクリックします。
    モデルに蒸気の体積分率に関するコンターが表示されます。


    図 30.

要約

このチュートリアルでは、HyperWorks CFDを使用して、二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を使用して蒸気の体積分率のコンターを作成しました。