ACU-T：4003 自由に流れる水滴

前提条件

このチュートリアルでは、HyperWorks CFDを使用した過渡水滴シミュレーションの設定手順を説明します。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-T4003_FallingDroplet.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を以下の図に示します。この問題では、直径1mmの水滴が重力の影響で自由に落下します。水滴の半径が小さいので、壁面への衝突後の水滴形状を回復するために、適用される壁の処理として表面張力と接触角が大きな役割を果たします。AcuSolveを使用して、壁に衝突した後のさまざまな水滴形状の作成をシミュレートします。


図 1.
注: 概略図は正確なスケールではありません。

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-T4003_FallingDroplet.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ContactAngle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FallingDroplet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、Immiscible Multiphaseをクリックして、My Materialsタブをクリックします。
  3. をクリックして、新しい材料を作成します。
  4. 新しいダイアログで、左上隅にある名前をクリックして材料の名前をair_water_stに変更し、以下に示すプロパティを入力します。


    図 5.

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 6.
    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Immiscibleに、Immiscible materialをair_water_stに設定します。
    3. Time step sizeを0.0005に設定し、Final timeを0.15に設定します。
    4. Turbulence modelにLaminarを選択します。
    5. y方向のgravityを-9.81 m/sec2に設定します。


    図 7.
  3. Solver controlsをクリックし、以下を確認します：
    • Minimum stagger iterations： 0
    • Maximum stagger iterations： 6
    • FlowとMultifluidチェックボックスが有効。


    図 8.
  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 9.
  2. air_water_stがボリュームに割り当てられていることを確認してください。
  3. ガイドバーのをクリックします。

流れ境界条件の定義

  1. Flowリボンから Symmetryツールをクリックします。


    図 10.
  2. View Controlsツールバーのをクリックして、モデルの向きをIsometricに設定します。
  3. 下図でハイライトされているZ-Positive面を選択します。


    図 11.
  4. Boundariesの凡例で、SymmetryをダブルクリックしてZ_posという名前に変更します。
  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。
  6. モデルを回転させて、反対側の面を選択します。
  7. Boundariesの凡例で、SymmetryをダブルクリックしてZ_negという名前に変更します。
  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。
  9. Outletツールをクリックします。


    図 12.
  10. 境界の凡例でDefault Wallを右クリックしてIsolateを選択します。
  11. View Controlsツールバーのをクリックして、モデルの向きをIsometricに設定します。
  12. 下図でハイライトされている、上面と側面を選択します。


    図 13.
  13. マイクロダイアログで、以下のプロパティを設定して、ガイドバーのをクリックします。


    図 14.
  14. No Slipツールをクリックします。


    図 15.
  15. Boundariesの凡例で、Default WallでIsolateを選択し、Outlet facesでShowを選択します。
  16. 下図でハイライトされている面を選択します。


    図 16.
  17. マイクロダイアログで、Specify contact angleチェックボックスをアクティブにし、Contact angleの値を75に設定して、ガイドバーのをクリックします。


    図 17.

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 18.
    Meshing Operations ダイアログが開きます。
  2. Average element sizeが0.006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 19.
  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。

節点出力と節点初期条件の定義

この手順では、水滴について節点出力頻度を定義し、節点初期条件を指定します。

節点出力頻度の設定

  1. Solutionリボンから Fieldツールをクリックします。


    図 20.
    Field Outputダイアログが開きます。
  2. Solution variables設定をクリックします。
  3. Write initial conditionsチェックボックスを選択します。
  4. Write results at time step intervalチェックボックスがアクティブになっていることを確認します。


    図 21.

節点初期条件の定義

  1. SolutionリボンのZonesツールグループから、円筒ツールをクリックします。


    図 22.
  2. View Cube上のTopフェイスをクリックし、モデルを揃えます。
  3. 形状をダブルクリックして円筒形のゾーンを作成し、Escを押します。


    図 23.
  4. 円筒の寸法を指定するため、凡例のNodal initial condition cylinderを右クリックして、Editを選択します。
  5. マイクロダイアログで、右側のアイコンをクリックしてメニューを展開し、radiusを0.001に設定してheightを0.00339589に設定します。


    図 24.
  6. ビューコントロールツールバーのをクリックして、Isometricを選択します。


    図 25.
  7. ゾーンを拡大し、下図に示すように円筒の底面のポイントを選択します。座標値を(0.06, 0.02, -0.001)に設定します。


    図 26.
  8. View CubeのRearフェイスを選択して、下図に示すように円筒のゾーンが領域を完全に通過していることを確認します。


    図 27.
  9. 初期条件のダイアログで、をクリックしてFluidを選択し、ダイアログの空白部分を左クリックします。
  10. fluidをWaterに変更します。


    図 28.

AcuSolveの実行

  1. Solutionリボンから Runツールをクリックします。


    図 29.
  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. 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 30.
    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 31.
  4. ソリッド上のcontours of volume fraction of waterをチェックするため、PostブラウザのZ_posを右クリックして、Isolateを選択します。
  5. Z_posを再び右クリックし、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. 表示をvolume fraction waterに設定し、Legendラジオボタンをオンに切り替えます。
  7. 同じダイアログでをクリックして、以下に示す凡例のプロパティを確認します。
    時間ステップ=1で水の体積分率のコンターを表示できます。


    図 32.


    図 33.
  8. モデリングウィンドウの下部の時間スケールが時間ステップ=1であることを確認します。バーをクリックして、時間ステップ=65、75、85、および最終時間ステップ（ここでは、1時間ステップ=2秒）における、水滴の降下とサーフェスとの相互作用を表示します。


    図 34.


    図 35.

要約

このチュートリアルでは、HyperWorks CFDを使用して、接触角と表面張力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。形状をインポートして、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を使用して水の体積分率のコンターを作成しました。