ACU-T：6103 AcuSolve - EDEM 熱伝達による双方向連成

このチュートリアルでは、AcuSolveおよびEDEMを使用して熱伝達による基本の双方向連成（二方向）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-T6103_windshifter_heat.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20m/secｍの速度で領域内に空気が入り、出口から出ていきます。流入流体の温度は293Kです。温度363Kの粒子が流体領域内に取り込まれます。粒子が流体領域を通過するときに周囲の流体とエネルギーが交換され、その結果として、流体領域を抜ける前に温度が降下します。管壁は、293Kという一定温度に保たれています。


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の双方向（二方向）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

粒子に使用される熱材料プロパティを次の表に示します。

名前 熱伝導率（W/m-k） 比熱容量（J/kg-K） 温度（K）
粒子 1.4 840 363（初期）
壁 30 - 293

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-T6103_windshifter_heat.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_heat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、Multiphase flowラジオボタンを選択します。
  3. Multifluid typeをBidirectional EDEM Couplingに変更します。
  4. Eulerian materialドロップダウンメニューをクリックし、リストからMaterial Libraryを選択します。
    材料ライブラリに新しい材料モデルを作成できます。
  5. Material LibraryダイアログでEDEM 2 Way Multiphaseを選択し、My Materialタブに切り替えて、をクリックして新しい材料モデルを追加します。
  6. マイクロダイアログで、左上隅にあるEDEM Bidirectional Materialをクリックして、名前をAir-Particleに変更します。
  7. Carrier fieldをAirに設定します（まだ設定されていない場合）。
  8. 下図に示すように、抗力モデルと抗力係数を設定します。


    図 6.
  9. 材料モデルマイクロダイアログを閉じて、Material Libraryダイアログを閉じます。
  10. Setupダイアログで、Eulerian MaterialをAir-Particleに設定します。
  11. Time step sizeを0.001に、Final timeを1にそれぞれ設定します。Turbulence modelにSpalart-Allmarasを選択します。
  12. Gravityが0, 0, -9.81に設定されていることを確認します。
  13. Heat transferチェックボックスを選択します。


    図 7.
  14. 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.
  15. 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-Particle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、Temperatureに293K、Carrier fluid volume fractionに1.0の値を入力します。


    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. 入口面と出口面を除くすべての面を選択します。
  8. マイクロダイアログで、Temperatureタブをクリックし、下図に示すようにパラメータを設定します。


    図 15.
  9. 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。
  10. 下図でハイライトされている面を選択します。マイクロダイアログで、Temperatureタブをクリックし、次に示すようにパラメータを設定します。


    図 16.
  11. ガイドバーのをクリックします。
  12. Boundariesの凡例で、Wall 1を右クリックして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。
  13. ガイドバーのをクリックしてします。
  14. 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 17.
    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 18.
  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 19.
    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 20.

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_heat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_heat.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 21.


    図 22.

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 23.
  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 24.
  9. Creatorツリーで、Calculate Propertiesをクリックします。


    図 25.
  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 26.
  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 27.
  19. Creatorツリーで、Calculate Propertiesをクリックします。


    図 28.
  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、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. 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 29.
  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 30.
    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。

熱伝達パラメータの定義

  1. Creatorツリーで、Physicsをクリックします。
  2. InteractionドロップダウンをParticle to Particleに設定し、Edit Contact Chainをクリックします。
  3. ダイアログでHeat Conductionをアクティブにして、OKをクリックします。


    図 31.
  4. Physicsタブで、Heat Conductionをクリックしてをクリックします。


    図 32.
  5. ダイアログでHeavy particleとLight particleのThermal conductivityを1.4W/mKに設定して、OKをクリックします。


    図 33.
  6. Physicsタブで、InteractionをParticle to Geometryに変更し、Edit Contact Chainをクリックします。
  7. ダイアログでHeat Conductionをアクティブにして、OKをクリックします。
  8. Physicsタブで、Heat Conductionをクリックしてをクリックします。
  9. ダイアログで粒子のthermal conductivityを1.4W/mKに設定し、壁のconductivityとtemperatureをそれぞれ30W/mKと293Kに設定します。OKをクリックします。


    図 34.
  10. Physicsタブで、InteractionをParticle Body Forceに変更します。
  11. Edit Contact Chainをクリックします。
  12. Physicsタブで、Temperature UpdateをアクティブにしてOKをクリックします。
  13. Physicsタブで、Temperature Updateをクリックしてをクリックします。
  14. ダイアログで両方の粒子タイプのspecific heat capacityを840J/kgKに設定して、OKをクリックします。


    図 35.
  15. モデルを保存します。

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. Temperatureの横のをクリックし、値を363Kに設定してOKをクリックします。
    注: TemperatureとHeat Fluxの欄は、熱伝達のプロパティが定義されていない限り表示されません。
  6. 同じパラメータを使用して手順1～5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無効にします。
  3. Fixed Time Stepを2.5e-5sに設定します。
    注: 一般的に、time step sizeには、DEMシミュレーションの安定性を確保するために、Rayleigh Time Stepの20～40％の値が推奨されます。
  4. Total Timeを1sに設定し、Target Save Intervalを0.01sに設定します。
  5. 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。
  6. 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 37.
  7. 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 38.
    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 39.
  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 40.
    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. Temperatureを293Kに設定します。
  8. RunをクリックしてAcuSolveを起動します。


    図 41.
    AcuSolveの実行が開始されると、Run Statusダイアログが開きます。
  9. このダイアログで、AcuSolve実行を右クリックし、View log fileを選択します。
    EDEMとの連成が成功すると、その情報がログファイルに出力されます。


    図 42.
    シミュレーションが完了した後、実行時間のサマリーがログファイルの末尾に出力されます。


    図 43.

結果の分析

AcuSolveのポスト処理

  1. HyperWorks CFDで、Run Statusダイアログで実行するAcuSolveを右クリックし、Visualize resultsを選択します。


    図 44.
    Postリボンに結果が読み込まれます。
  2. Slice Planesツールをクリックします。


    図 45.
  3. 下図に示されているx-z平面を選択します。


    図 46.
  4. 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。
  5. 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、Legendのトグルスイッチをアクティブにします。
  6. 凡例の範囲を293と363に変更します。
  7. をクリックして、Colormap nameをRainbow Uniformに設定します。


    図 47.
  8. ガイドバーのをクリックします。
  9. Postブラウザで、Flow Boundariesのアイコンをクリックすることで、表示をオフにします。


    図 48.
  10. 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 49.
  11. Animationツールバーのをクリックして、温度コンターのアニメーションを表示します。


    図 50.
  12. EDEM粒子変数の体積分率をプロットするには、PostブラウザのSlice Plane 1を右クリックして、Editを選択します。
  13. 表示プロパティマイクロダイアログで、display variableをtemperatureからvolume fraction edem particleに変更し、legend boundsを0と0.2190に設定します。
  14. ガイドバーのをクリックします。
  15. をクリックしてアニメーションを開始します。


    図 51.

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、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 52.
  4. Analystツリーで、Particlesをクリックします。
  5. ColoringをTemperatureに設定します。
  6. Min ValueとMax ValueのAuto Updateチェックボックスを両方ともアクティブにします。
  7. Show Legendチェックボックスを選択します。
  8. Apply Allをクリックします。


    図 53.
  9. 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 54.
  10. View planeを+ Yに設定します。


    図 55.
  11. Viewerウィンドウで、Playback Speedを0.1xに設定し、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 56.

    生成時に温度が高くなった粒子が、流体相とエネルギーを交換することで冷たくなる様子を観察します。

要約

このチュートリアルでは、熱伝達による基本的なAcuSolve-EDEMの双方向（二方向）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て、EDEMモデルを設定しました。粒子の熱特性を設定する方法や、他の粒子や装置との相互作用について学びました。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を作成する方法を学習しました。