ACU-T：4201 結露と蒸発 - 空気ボックス

前提条件

このチュートリアルでは、湿度モデルを使用して閉じられた空気ボックスの過渡シミュレーションを実行する手順を説明します。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-T4201_Air_Box.hm をHyperWorksCFD_tutorial_inputs.zipから抽出します。

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。ここでは、例として閉じられた空気ボックスの問題を取り上げて、AcuSolveを使用した湿度モデリング（結露と蒸発）の機能を確認します。主な目標は、相対湿度が70％である空気領域内で、温度変化に起因する底壁サーフェス上の水蒸気の蓄積と消失をシミュレートし、数値化することです。


図 1.
この領域では、空気が特定レベルの湿度にあると想定します。結露、蒸発、相対湿度、温度はすべて、露点温度に関係します。サーフェス温度が低下して露点温度を下回ると、その時点から結露が蓄積し始め、最終的に100％に達します。逆にサーフェス温度が上昇して露点に再び達すると、結露は蒸発し始めます。次の図では、結露と蒸発の全体的な定義を示しています。


図 2.

上のプロットから、空気ボリュームの初期温度は297.15Kに設定されていることがわかります。底壁の温度は、1秒間で285.13Kに低下し、1秒間285.13Kを保ち、1秒間で元の297.15Kまで上昇しています。70％の相対湿度における空気の露点温度は291.14Kであり、0.5秒と2.5秒の時点で露点温度に達しています。全体的に見ると、前述のとおり、露点温度に達したときに、結露と蒸発の両方が発生していることがわかります。

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 3.
    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-T4201_Air_Box.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Air_Box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Air_Box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 4.

流れのセットアップ

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 5.
    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Humidity transportに設定します。
    3. Time step sizeを0.1sに設定し、Final timeを10sに設定します。秒
    4. Turbulence modelをSpalart-Allmarasに設定します。
    5. Gravityを(0,-9.81,0)に設定します。
    6. Pressure scaleをGaugeに設定してをクリックします。マイクロダイアログで、Absolute pressure offsetを101325Paに設定し、Escを押します。


    図 6.
  3. Solver controls設定をクリックします。
  4. Minimum stagger iterationsを2、Maximum stagger iterationsを4にそれぞれ設定します。


    図 7.
  5. ダイアログを閉じてモデルを保存します。

流れ境界条件の定義

  1. Flowリボンから No Slipツールをクリックします。


    図 8.
  2. 下部のサーフェスを選択します(最小Y座標のサーフェス)。


    図 9.
  3. マイクロダイアログで、Temperatureタブをクリックして、Thermal boundary conditionをTemperatureに設定します。
  4. Temperatureを1に設定し、乗数関数のドロップダウンを展開してCreate newを選択します。


    図 10.
  5. 乗数のダイアログで、TypeをPiecewise Linearに設定します。
  6. VariableをTime Stepに設定します。
  7. を2回クリックして、2つの行を追加します。
  8. 下図のとおりに値を入力し、ダイアログを閉じます。


    図 11.
  9. Boundariesの凡例で、WallをダブルクリックしてBottomという名前に変更します。
  10. 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。
  11. Slipツールをクリックします。


    図 12.
  12. 最大Z座標のサーフェスを選択します。


    図 13.
  13. Boundariesの凡例で、Slipをダブルクリックしてz_posという名前に変更します。
  14. 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。
  15. 最小Z座標のサーフェスを選択します。


    図 14.
  16. Boundariesの凡例で、Slipをダブルクリックしてz_negという名前に変更します。
  17. ガイドバーのをクリックします。
  18. モデルを保存します。

解析計算

入力されたHyperMeshデータベースにはメッシュが含まれているので、再度メッシュを生成する必要はありません。

節点初期条件の定義

  1. Solutionリボンから Partツールをクリックします。


    図 15.
  2. ボックスソリッドを選択します。
  3. ダイアログで、をクリックして、変数のリストからRelative Humidityを選択し、ダイアログの空白部分をクリックします。
  4. 値を70に設定します。


    図 16.
  5. ガイドバーのをクリックしてします。

AcuSolveの実行

  1. Solutionリボンから Runツールをクリックします。


    図 17.
  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ます。
  5. 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 18.
    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。
  6. Plotツールをクリックします。


    図 19.
  7. Plot Utilityダイアログで、Residual Ratioをダブルクリックして残差をプロットします。


    図 20.
  8. をクリックして、新しいプロットを追加します。
  9. X-AxisをTimeに設定します。
  10. Y軸変数を設定するには、をクリックして、Surface Outputで変数のリストからtemperatureをダブルクリックします。
  11. サーフェス出力のリストで、Bottom - Outputを選択します。


    図 21.
  12. Createをクリックします。


    図 22.
  13. 同様に、Relative HumidityとDewpoint Temperatureのプロットを表示します。


    図 23.


    図 24.

HW-CFD Postによる結果のポスト処理

この手順では、温度、相対湿度、露点温度のコンタープロットを作成します。

  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。
  4. Postブラウザで、Flow Boundariesの横のアイコンをクリックして、すべてのサーフェスの表示をオフにします。


    図 25.
  5. Animationツールバーでスライダーを10番目のフレームまでドラッグします。


    図 26.
  6. Slice Planesツールをクリックします。


    図 27.
  7. モデリングウィンドウで、x-y平面を選択します。


    図 28.
  8. スライス平面のマイクロダイアログで、をクリックしてスライス平面を作成します。
  9. 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。
  10. をクリックして、Legendのトグルスイッチをアクティブにします。
  11. をクリックして、Colormap NameをRainbow Uniformに設定します。


    図 29.
  12. ガイドバーで、をクリックして温度のコンタープロットを作成します。


    図 30.
  13. 温度コンターを非表示にして手順6～12を繰り返し、相対湿度について同様のコンタープロットを作成します。


    図 31.
  14. 相対湿度コンターを非表示にして手順6～12を繰り返し、露点温度について同様のコンタープロットを作成します。


    図 32.

要約

このチュートリアルでは、HyperWorks CFDとAcuSolveを使用して多相の湿り空気の結露と蒸発の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、HyperWorks CFD入力データベースをインポートして、流れの設定を定義しました。解析の完了後、HyperWorks CFDのプロットユーティリティを使用して、残差指標のプロットを作成しました。最後に、HyperWorks CFD Postを使用して、温度分布、相対湿度、露点温度のコンタープロットを作成しました。