ACU-T：6101 AcuSolve - EDEMの一方向連成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を使用して基本の一方向連成（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の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およびACU-T：6100 Altair EDEMを使用した風力選別機での粒子分離をすでに完了している必要があります。また、HyperWorks CFD、AcuSolve、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-T6101_windshifter.hm をHyperWorksCFD_tutorial_inputs.zipから抽出します。

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。

AcuSolve-EDEMの一方向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.

これに応じて、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の設定と形状のエクスポート
  2. EDEMの設定とシミュレーション

AcuSolveモデルはHyperWorks CFDを使用して設定します。AcuSolveの設定が完了したら、EDEMのデック（形状を含む）がHyperWorks CFDからエクスポートされます。この入力デックはEDEMで開かれ、EDEMの設定を実行するために使用されます。EDEMデックの設定の終了後、連成シミュレーションを起動します。

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 0.1 100
軽い粒子 100 0.03 0.01 100
粒子の流体抗力は、Schiller-Naumannモデルを使用して計算されます。AcuSolveは粒子の位置と速度の情報をEDEMから受け取り、粒子の抗力を計算します。この流体力情報がEDEMに戻され、これを使用して粒子の位置と速度が更新されます。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。


図 3.

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 4.
    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-T6101_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_unidirectional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 5.

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 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Unidirectional EDEM Couplingに変更します。
    3. Eulerian materialをAir-EDEM Particle -1wayに設定します（まだ設定されていない場合）。
    4. Time step sizeを0.001に、Final timeを1にそれぞれ設定します。
    5. Turbulence modelにSpalart-Allmarasを選択します。
    6. Gravityが0, 0, -9.81に設定されていることを確認します。


    図 7.
  3. Solver controls設定をクリックして、Minimum stagger iterationsを2に、Maximum stagger iterationsを4にそれぞれ設定します。


    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. 材料としてAir-EDEM Particle - 1way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 10.
  2. 下図でハイライトされているInlet面をクリックします。マイクロダイアログで、Average velocityに20m/sという値を入力し、Carrier fluid volume fractionを1.0に設定します。


    図 11.
  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 12.
  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 13.
  6. No Slipツールをクリックします。


    図 14.
  7. 下図でハイライトされている面を選択します。


    図 15.
  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

  1. メッシュリボンから Volumeツールをクリックします。


    図 16.
    Meshing Operations ダイアログが開きます。
  2. Average element sizeを0.3に変更します。


    図 17.
  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。

節点出力の定義

メッシングが終了すると、自動的にSolutionリボンに移動します。

  1. Solutionリボンから Fieldツールをクリックします。


    図 18.
    Field Outputダイアログが開きます。
  2. Write Initial Conditionsチェックボックスをアクティブにします。
  3. Time step intervalを10に設定します。


    図 19.

ソルバーデックのエクスポート

  1. メニューバーからFile > Export > Solver Deckを選択します。
  2. ファイルにwindshifter_unidirectionalという名前を付け、ファイルタイプにAcuSolve (*.inp)が選択されていることを確認します。
  3. Saveをクリックします。
AcuSolveの入力ファイルとEDEMの入力デック（形状セクションを含む）が作成されます。このEDEMデックを使用して、DEMシミュレーションデックを作成します。

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_unidirectional.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 20.


    図 21.

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 22.
  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 23.
  9. Creatorツリーで、Calculate Propertiesをクリックします。


    図 24.
  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 25.
  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 26.
  19. Creatorツリーで、Calculate Propertiesをクリックします。


    図 27.
  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 28.
  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 29.
    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 30.
  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。

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

  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 31.
  6. シミュレーション設定の定義が完了したら、モデルを保存します。

連成シミュレーションの実行

  1. EDEMでCoupling Serverをクリックして、連成サーバーを起動します。


    図 32.
    連成サーバーがアクティブになると、アイコンが変化します。


    図 33.
  2. HyperWorks CFDに戻ります。
  3. Solutionリボンから Runツールをクリックします。


    図 34.
    Launch AcuSolveダイアログが開きます。
  4. Parallel processingオプションをIntel MPIに設定します。
  5. 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。
  6. Default initial conditionsを拡張表示し、Pre-compute flowを非選択にし、velocity valuesを0に設定します。Pre-compute Turbulenceのチェックをオフにします。
  7. RunをクリックしてAcuSolveを起動します。


    図 35.
    AcuSolveとEDEMの連成が成功すると、最初の時間ステップの前にAcuSolveログファイルにメッセージが出力されます。


    図 36.

結果の分析

AcuSolve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 37.
  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 38.
  6. Slice Planesツールをクリックします。


    図 39.
  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. 凡例のUpper Boundを36に変更します。
  11. をクリックして、Colormap nameをRainbow Uniformに設定します。


    図 40.
  12. ガイドバーのをクリックします。
    シミュレーションの最初の速度コンターは、次に示すようになものになります。


    図 41.
  13. 下部のスライダーを26、51、76、101番目のフレームまでドラッグすることで、0.25s、0.5s、0.75s、1.0sのコンターをプロットします。
    一方向の連成では圧力および速度フィールドの粒子の影響は考慮されないので、速度コンターは常に前述のフレームと同様になります。


    図 42.
  14. PostブラウザでSlice Plane 1を右クリックし、Editを選択します。
  15. マイクロダイアログで、Display variableをvelocityからvolume fraction edem particleに変更し、凡例のUpper Boundを0.186に設定します。
  16. ガイドバーのをクリックします。


    図 43.
  17. 0.5s（ステップ=51/101）、0.75s（ステップ=76/101）、1.0s（ステップ=101/101）のコンターをプロットして、流体領域内のEDEM粒子分布の体積分率を表示します。


    図 44.


    図 45.


    図 46.

EDEMのポスト処理

  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 47.
  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 48.
  6. Light particleをクリックして、表示色をGreenに設定します。


    図 49.
  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 50.
  8. View planeを+ Yに設定します。


    図 51.
  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 52.
  10. ドロップダウンメニューをクリックして、別の時間ステップの結果をプロットすることもできます。


    図 53.
    現在のケースでは、0.25s、0.5s、0.75s、0.98sの結果をプロットして、入口と出口の流体領域内の粒子分布の体積分率を表示します。


    図 54.

    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。

  11. メニューバーのCreate Graphアイコンをクリックします。
  12. Analyst Treeでをクリックして、プロットタイプをラインに変更します。
  13. X-axisタブをクリックし、下図のとおりに値が設定されていることを確認します。


    図 55.
  14. Y-axisタブをクリックします。下図のとおりに値を設定することで、シミュレーション時にわたる重い粒子の平均滞留時間のプロットを作成します。


    図 56.
  15. をクリックして別のY軸を追加し、TypeをLight particleに設定します。


    図 57.
  16. その他のオプションはすべてそのまま変更せずに、Create Graphをクリックして両方の粒子の平均滞留時間のプロットを作成します。


    図 58.

    緑色のプロットは重い粒子を表し、重い粒子の平均滞留時間の方が軽い粒子（青色）よりも長いことが確認できます。

要約

このチュートリアルでは、基本的なAcuSolve-EDEM一方向（一方向過渡）連成の問題を設定し、実行する方法を知ることができました。最初のパートでは、HyperWorks CFDでAcuSolveモデルを設定し、形状をエクスポートしました。次に、HyperWorks CFDによって作成されたEDEM入力ファイルをインポートし、EDEMモデルを設定して、連成シミュレーションを実行しました。連成シミュレーションが完了した後は、HyperWorks CFD PostとEDEM Analystの両方でアニメーションとブロットを作成する方法を学習しました。