ACU-T：6100 Altair EDEMを使用した風力選別機での粒子分離

このチュートリアルでは、AcuSolveおよびEDEMを使用して基本の順次連成（一方向定常）のシミュレーションを設定して実行するワークフローを紹介します。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、HyperWorks CFD、AcuSolve、およびEDEM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、AcuSolve、およびEDEM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-T6100_windshifter.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

ここで解析する問題を、図 1に概略的に示しています。これは風力選別機のモデルで、底部の入口から非常に高速（20m/sec）で領域内に空気が入り、出口から出ていきます。粒子は粒子入口から領域内に取り込まれ、軽い粒子は空気によって遠くへ運ばれ、重い粒子は底部の開口部から出ていきます。粒子の密集度が低いので、流体フィールド上の粒子の影響はこのシミュレーションでは考慮されません。このため、粒子分離のシミュレーションにはAcuSolveとEDEMの間の一方向連成が使用され、粒子に対する流体力の影響のみが考慮されます。


図 1.
このモデルは45度に曲がった円筒管で構成されます。管の半径は0.25mで、粒子の入口は管全体の長さの中ほどに配置されます。簡略化するために、粒子の入口はCFDシミュレーションの壁と見なされます。AcuSolve-EDEMの順次連成シミュレーションのワークフローを以下に示します。


図 2.

このチュートリアルは次の2つの部分で構成されます。

  1. AcuSolveシミュレーション
  2. EDEMシミュレーション

AcuSolveシミュレーションの設定にはHyperWorks CFDを使用します。AcuSolveシミュレーションが完了したら、AcuSolveで提供されるAcuTransユーティリティを使用して、速度節点データがCGNS形式でエクスポートされます。このフィールドデータがEDEMにインポートされ、流体による粒子の抗力の計算に使用されます。

EDEMシミュレーションで使用される2つの異なるBulk Materialsとそれぞれのプロパティを以下に示します。

名前 密度（kg/m3） 粒子半径（m） 個々の粒子の平均重量（kg） 生成率（1秒あたりの粒子数）
重い粒子 900 0.03 0.004 100
軽い粒子 100 0.03 0.0004 100

粒子の流体抗力は、Schiller-Naumannモデルを使用して計算されます。粒子の抗力は、局所流体速度に対する粒子の相対速度を使用して計算されます。この粒子物体力を使用して粒子の位置が更新され、新しい抗力が計算されます。このループがシミュレーションの最後まで繰り返されます。

パート1 - AcuSolveシミュレーション

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ACU-T6100_windshifter.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. その他の入力ファイルと同じディレクトリに、データベースをwindshifter_sequentialとして保存します。
    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。

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

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 5.
    Setupダイアログが開きます。
  2. Physics modelsの設定で
    1. Single phase flowでIncompressibleオプションが選択されているのを確認します。
    2. Export geometry to EDEM のチェックボックスを有効にします。
    3. Time frequencyをSteadyに設定します。
    4. Turbulence modelにSpalart-Allmarasを選択します。


    図 6.
  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 7.
  2. 材料としてAirが割り当てられているのを確認します。
  3. ガイドバーでをクリックして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、マイクロダイアログでAverage velocityの値に20m/sと入力します。


    図 9.
  3. 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。
  4. Outletツールをクリックします。


    図 10.
  5. 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 11.
  6. No Slipツールをクリックします。


    図 12.
  7. 下図でハイライトされている面を選択します。


    図 13.
  8. Boundariesの凡例で、WallをダブルクリックしてParticle_inletという名前に変更します。
    このサーフェスを参照形状として使用し、EDEMでparticle factoryを作成します。このため、このサーフェスを別の形状グループに配置します。
  9. ガイドバーのをクリックしてします。
  10. 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 14.
    Meshing Operations ダイアログが開きます。


    図 15.
  2. 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。
  3. 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 16.
    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. RunをクリックしてAcuSolveを起動します。


    図 17.

    AcuSolve解析が起動されると、ジオメトリを含むEDEMファイルもエクスポートされます。サーフェスは、CFDセットアップに基づいて構成されます。

速度フィールドデータのエクスポート

解析が進むに伴い、AcuTailウィンドウとAcuProbeウィンドウが自動的に開きます。

AcuTailウィンドウには、残差指標と時間増分指標の情報がシミュレーションの進捗として出力されます。

最後にシミュレーションのサマリーが出力され、シミュレーションの完了が示されます。


図 18.
  1. 解析が収束した後、AcuTailウィンドウとAcuProbeウィンドウを閉じます。
  2. Solutionリボンから Convertツールをクリックします。


    図 19.
    AcuSolve Data Translatorダイアログが開きます。
  3. ダイアログで、Browseをクリックし、AcuSolveの問題用ディレクトリに移動し、windshifter_sequential.1.Logファイルを開きます。
  4. Output formatを CGNSに設定します。
  5. 変数のリストからvelocityを選択します。
  6. Convertをクリックし、節点の速度データをCGNSフォーマットに出力します。


    図 20.

    処理が正常に終了すると、Outputフィールドに情報が書き込まれ、AcuSolveの問題用ディレクトリにCGNSファイルが作成されます。

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。
  4. ビューキューブでLeft面を選択し、モデルをx-z平面に合わせます。


    図 21.
  5. Postブラウザで、流れ境界の横のアイコンをクリックすることで、境界サーフェスの表示をオフにします。


    図 22.
  6. Slice Planesツールをクリックします。


    図 23.
  7. モデリングウィンドウで、画面と平行の平面（x-z平面）をクリックします。
  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velocityに設定し、Legendのトグルスイッチをアクティブにします。
  10. をクリックして、Colormap nameをRainbow Uniformに設定します。


    図 24.
  11. ガイドバーのをクリックします。


    図 25.

パート2 - EDEMシミュレーション

WindowsのスタートメニューからStart > Altair 2022 > EDEM 2022 をクリックしてEDEMを起動します。EDEMのユーザーインターフェースは、Creator、Simulator、Analystという3つのタブに分割されています。Creatorは、モデルの設定および初期化で使用します。ここで粒子や形状をインポートし、その他のモデルパラメータを定義します。Simulatorでは、EDEMシミュレーションエンジンの設定および制御を行い、シミュレーションの進捗を確認することもできます。Analystは、シミュレーションの結果を分析および可視化するために使用するポスト処理用のタブです。

基本的なCFD-DEM一方向連成の設定および実行に必要な手順を以下に示します。詳細については、EDEMのヘルプドキュメントを参照してください。

EDEMの入力デックを開く

前述したとおり、AcuSolveシミュレーションの起動時に、HyperWorks CFDが一連のEDEMファイルを作業ディレクトリ内に作成しました。このEDEMの入力デックを開き、DEMシミュレーションを設定します。

  1. EDEMのCreatorタブで、File > Openに移動します。
  2. ダイアログで、AcuSolveの作業ディレクトリに移動し、EDEMフォルダにあるwindshifter_sequential.demファイルを開きます。
    形状が読み込まれます。
  3. Creator TreeでEnvironmentタブをクリックし、Auto Update from Geometryチェックボックスをオフにして再度オンにし、境界内に形状をフィットさせます。


    図 26.


    図 27.

Bulk Materials と Equipment Materialの定義

この手順では、重量および軽量のBulk Materials とEquipment Materialの材料モデルを定義します。

  1. CreatorツリーでBulk Materialを右クリックしてAdd Bulk Materialを選択します。
  2. 材料の名前をHeavyに変更します。
  3. Creator Treeで、Solids Densityプロパティを900kg/m3に設定します。
    このチュートリアルの他のプロパティにはデフォルト値を使用します。


    図 28.
  4. Interactionの下のをクリックして、重量粒子間の衝突に関する相互作用のプロパティを定義します。ダイアログでOKをクリックします。
  5. CreatorツリーでHeavyを右クリックしてAdd Shape from Library > Dual Sphere Shapeを選択します。
  6. 粒子の名前をHeavy particleに変更します。
  7. Heavy particleの下のPropertiesをクリックします。
  8. Heavy particleのSpheresパネルで、両方の球体のPhysical Radiusを0.03mに設定し、Enterを押します。


    図 29.
  9. Creatorツリーで、Calculate Propertiesをクリックします。


    図 30.
  10. CreatorツリーでBulk Materialを右クリックしてAdd Bulk Materialを選択します。
  11. 材料の名前をLightに変更します。
  12. Creator Treeで、Solids Densityプロパティを100kg/m3に設定します。
    このチュートリアルの他のプロパティにはデフォルト値を使用します。


    図 31.
  13. Interactionの下のをクリックして、重量粒子間の衝突に関する相互作用のプロパティを定義します。ダイアログでHeavyを選択し、OKをクリックします。
  14. もう一度をクリックして、軽量粒子間の衝突に関する相互作用のプロパティを定義します。ダイアログでLightを選択し、OKをクリックします。
  15. CreatorツリーでLightを右クリックしてAdd Shape from Library > Dual Sphere Shapeを選択します。
  16. 粒子の名前をLight particleに変更します。
  17. Light particleの下のPropertiesをクリックします。
  18. Light particleのSpheresパネルで、両方の球体のPhysical Radiusを0.03mに設定し、Enterを押します。


    図 32.
  19. Creatorツリーで、Calculate Propertiesをクリックします。


    図 33.
  20. CreatorツリーでEquipment Materialを右クリックしてAdd Equipment Materialを選択します。名前をSteelに変更します。
  21. Densityを7800kg/m3に設定します。
  22. Interactionの下のをクリックして、重量粒子間の衝突に関する相互作用のプロパティを定義します。ダイアログでHeavyを選択し、OKをクリックします。
  23. もう一度をクリックして、軽量粒子間の衝突に関する相互作用のプロパティを定義します。ダイアログでLightを選択し、OKをクリックします。
  24. モデルを保存します。

Particle Factoryの作成

  1. Creator TreeタブでGeometriesを展開します。次に、Particle inletサーフェスグループを右クリックしCopy Geometry > Single Copyを選択します。
  2. 新しい形状セクションの名前をParticle_factoryに変更します。
  3. Creatorツリーで、Default Wall形状セクションを右クリックして、Merge Geometry(s)を選択します。
  4. Merge Geometryダイアログで、Particle_inletを選択してOKをクリックします。
  5. Default Wall形状セクションをクリックし、TypeをPhysicalに、MaterialをSteelに設定します（まだ設定していない場合）。


    図 34.
  6. Creator ツリーで、Inletセクションをクリックし、TypeをVirtualに変更します。
  7. 同様に、OutletおよびParticle_factoryセクションのTypeをVirtualに変更します。
  8. Particle_factoryで、Transformをクリックします。X-Positionを0.035mに設定します。


    図 35.
    注: Opacityの値を0.2に設定し、パイプ形状内部の変換後のサーフェス位置を表示します。

    これは、粒子が流体領域内に生成されていることを確認するためです。

Particle Factoryの定義

これでBulk Materials 、形状セクション、Equipment Materialが定義されたので、次は粒子を生成するためParticle Factoryを作成する必要があります。Bulk Materials ごとに1つのファクトリを作成します。

  1. CreatorツリーでParticle_factoryを右クリックしてAdd Factoryを選択します。
  2. 新しいファクトリの名前をHeavy factoryに変更します。
  3. 下図に示すように粒子の生成パラメータを設定します。


    図 36.
  4. Velocityの横のをクリックし、X-velocityを1m/sに設定してOKをクリックします。
  5. 同じパラメータを使用して手順1～4を繰り返し、Light factoryという別のファクトリを作成します。ただし、MaterialにはLightを設定します。

物理モデルの定義とCFDフィールドデータのインポート

この手順では、粒子衝突と粒子の体積力の物理モデルを定義します。

  1. Creatorツリーで、Physicsをクリックします。
  2. InteractionドロップダウンメニューからParticle Body Forceを選択します。


    図 37.
  3. Edit Contact Chainをクリックします。
  4. ダイアログで、Schiller and Naumann Dragモデルを選択し、OKをクリックします。
  5. Physicsタブで、Schiller and Naumann Dragをクリックしてをクリックします。
  6. Schiller and Naumann Drag Parameter Valuesダイアログで、下図のとおりに値を入力してOKをクリックします。


    図 38.
  7. Physicsタブで、Field Data Managerをクリックします。
  8. Field Data Managerダイアログで、をクリックし、CFDフィールドデータを使用してエクスポートしたCGNSファイルが保存されているAcuSolve作業ディレクトリを参照します。windshifter_sequential_run1.cgnsを開きます。
  9. データのインポートが完了したら、Velocityをダブルクリックしてvelocityという名前に変更します（‘v’を小文字にする必要があります）。次に、ダイアログを閉じます。


    図 39.
  10. EDEMデックを保存します。

Environmentの定義

この手順では、EDEMのシミュレーション領域の範囲と重力加速度の方向を定義します。

  1. Creatorツリーで、Environmentをクリックします。
  2. Auto Update from Geometryのチェックボックスをアクティブにします（未選択の場合）。
    移動粒子が領域（環境）の境界面に接触すると、シミュレーションから取り除かれます。
  3. Gravityをアクティブにして、Z値を-9.81m/s2に設定します。
  4. EDEMデックを保存します。

シミュレーション設定の定義とシミュレーションの実行

  1. 左上隅のをクリックして、EDEMのSimulatorタブに移動します。
  2. Simulator Settingsタブで、Time Integration schemeをEulerに設定し、Auto Time Stepチェックボックスをアクティブにします（未設定の場合）。
  3. Total Timeを1sに設定し、Target Save Intervalを0.01sに設定します。
  4. Cell Sizeを4Rminに設定します。
    一般的に、最適なセルサイズとして3～6Rminの範囲の値が推奨されます。EDEMのセルサイズがシミュレーションの精度に影響を与えることはありません。実行時間にのみ影響します。
  5. Selected EngineをCPU Solverに設定し、可用性に基づいてNumber of CPU Coresを設定します。


    図 40.
  6. シミュレーション設定の定義が完了したら、をクリックしてEDEMのシミュレーションを開始します。

結果の分析

  1. EDEMのシミュレーションの完了後、左上隅のをクリックして、EDEMのAnalystタブに移動します。
  2. AnalystツリーでDisplay > Geometriesを拡張表示し、Default Wallをクリックします。
  3. Display ModeがFilledに設定されていることを確認し、Opacityを0.2に設定します。


    図 41.
  4. Analystツリーで、Particlesを展開してHeavy particleをクリックします。
  5. Magentaの表示色を変更します。


    図 42.
  6. Light particleをクリックして、表示色をGreenに設定します。


    図 43.
  7. メニューバーで、以下をクリックすることで時間を0に設定します。


    図 44.
  8. View planeを+ Yに設定します。


    図 45.
  9. Viewerウィンドウで、Playback Speedを0.1xに設定し、再生アイコンをクリックして粒子流のアニメーションを再生します。


    図 46.


    図 47.

    軽量粒子（緑色）は流体によって運ばれて上部の出口から領域を逃れ、重量粒子（マゼンダ）は長時間領域内部に留まり、その間に一部はパイプの底を通り抜けて落ちていくことを確認します。

要約

このチュートリアルでは、基本的なAcuSolve-EDEM順次（一方向定常）連成の問題を設定する方法を知ることができました。最初のパートでは、AcuSolveを使用して定常状態の流れシミュレーションを設定して解析し、AcuTransを使用してCFDフィールドデータをエクスポートしました。次に、EDEMモデルを設定し、Field Data Managerを使用してCFDフィールドデータをインポートしました。EDEMシミュレーションが完了した後は、EDEM Analystで結果を表示してアニメーションを作成する方法を学習しました。