ダルシーフロー解析と対流トポロジー最適化
ダルシーフロー解析を介して線形定常熱伝導の強制対流を利用できます。
ダルシーフロー解析は、現時点で、定常熱伝導解析でのみサポートされています。強制対流の用途には、電気モーターの冷却溶液、工作機械(鋳造、成形)、熱交換、HVACシステム、およびPCBを含む電子機器の冷却が含まれます。加えて、トポロジー最適化は、ダルシーフロー解析を使用した定常熱伝導に使用できます。トポロジー最適化では、構造定常熱伝導解析と組み合わせて冷却に対する強制対流の効果が考慮されます。トポロジー最適化は、広範囲に及ぶ用途で冷却水路の構造と配置の最適化に役立つ可能性があります。
- 透過性マトリックス
- 構造内の節点圧力
- 流入口における圧力荷重
- 流速
- 透水性(これは熱伝導率とは異なり、によって表されます)
- 流体の動的粘性
- 圧力差
- 要素流速
- 形状関数の微分
- (流れ解析から供給される)要素内の節点圧力
- 熱伝導マトリックス
- 対流マトリックス(ダルシーの法則からの流速を含む):ここで、
- 温度荷重ベクトル
- 節点温度マトリックス
- 拡張形状関数
- 要素の総数
- 密度
- 熱伝導率(これは透水性Kappaとは異なり、によって表されます)
- 比熱容量
- ダルシーの法則からの要素流速
熱定常解析は、対流マトリックスを介して強制対流を取り込みます。ダルシーフローを介した強制対流を考慮する最適化解析を実行する定常熱伝導サブケースのトポロジー設計空間を定義できます。
入力
定常熱伝導解析で強制対流解析を有効にするには、熱構造解析と流れ解析の両方の入力定義が必要です。
境界条件
- Nodal Pressure
- 流れ解析が熱解析と同じサブケースで実行されます。SPCPサブケースエントリとSPCPバルクデータは、流れ圧力境界条件を定義するために使用できます。流入圧力と流出圧力の両方をSPCPエントリを使用して定義できます。
(1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10) SPCP SID G D G D G D - Inlet Velocity
- SPCPエントリを介した流入圧力定義の代わりに、INLTVELサブケースエントリとINLTVELバルクデータを介した流入速度を使用できます。流出圧力は、SPCPエントリを使用して定義する必要があります。
(1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10) INLTVEL SID EID VALUE G1 G2 G3 G4
ダルシーフロー解析では、流出圧力を定義するために、SPCPバルクデータ / サブケースエントリのペアを使用することが必要です。ただし、流入速度については、INLTVELバルクデータ / サブケースのペアとSPCPバルク / サブケースのペアのどちらも使用できます。そのため、SPCPサブケースエントリは、定常状態熱伝導サブケースの流れ解析をオンにするエントリと見なすことができます。
荷重
荷重は、一般的な熱伝導荷重を介してソリッド領域と流体領域のどちらにも適用できます。例えば、SPCエントリを使用して節点温度荷重を定義したり、QBDY1エントリを使用して熱流束荷重を定義したり、QVOLエントリを使用して体積発熱荷重を定義したりできます。
材料特性
(1) | (2) | (3) | (4) | (5) | (6) | (7) | (8) | (9) | (10) |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
MAT4 | MID | K | CP | RHO | H | HGEN | |||
DARCY | KAPPA | MU | K | CP | RHO |
特定の要素がソリッド要素のみの場合、DARCY継続行は必要ありません。DARCY継続行のない材料を参照する要素の場合は、すべての流体のMAT4エントリの中で最小のKAPPA/MU値が取得され、10-9が乗算されて、その値がダルシーフロー解析のソリッド透過性の計算に使用されます。
最適化を行わず、ダルシーフロー解析のみを実行する場合は、各要素でソリッドのみのMAT4エントリ(DARCY継続行がない)または流体のみのMAT4エントリ(DARCY継続行はあるが、構造熱特性がない)を参照できます。
ただし、トポロジー最適化を実行する場合は、設計空間内の要素に関して、参照されるMAT4エントリに構造材料特性と流体材料特性の両方を含める必要があります。
トポロジー最適化
トポロジー最適化中は、設計空間内の各要素をソリッド(密度=1)または空孔(流体、密度=0)にできます。そのため、設計空間内の要素は、構造材料特性と流体材料特性の両方でMAT4エントリを参照する必要があります。
強制対流トポロジーでは、DOPTPRM,TOPDISC,YESと最小部材寸法制御(DOPTPRM,MINDIMか、DTPLエントリのMEMBSIZのいずれかを使用)の両方が自動的にオンにされます。ユーザーが最小部材寸法制御をオンにしない場合は、平均メッシュサイズに基づく値を使用して自動的にアクティブにされます。
- グローバル熱コンプライアンス(RTYPE=TCOMP)
(5) - 節点温度(RTYPE=TEMP)
- 節点流れ圧力(RTYPE=FLOWPRES)
応用例としては、節点流れ圧力応答を使用して、特定の流入速度における流入口と流出口での全体的な圧力の低下を抑えることができます。これにより、構造を通して流体を汲み上げるために使用される流体ポンプの圧力低下が抑えられます。圧力低下値を本質的に定義する別の方法でも、SPCPバルクデータを使用して流入口と流出口の両方の圧力を定義します。
サポートされる入力
ダルシーフロー解析と対流トポロジー最適化は、シェル要素とソリッド要素でサポートされます。DTPLバルクデータエントリを使用して、トポロジー最適化をオンにできます。
サンプルモデルのセットアップ
$ *****************************************************************
$ DARCY FLOW ANALYSIS – FORCED CONVECTION STEADY STATE HEAT TRANFER
$ *****************************************************************
SUBCASE 1
SPC = 4 $ Provides Heat transfer boundary conditions or Temperature loading.
SPCP = 6 $ Activates Darcy Flow analysis, while providing outlet pressure
INLTVEL = 2 $ This is not mandatory. SPCP can also be used to define inlet pressure
LOAD = 13 $ Defines Heat Transfer loading via either QBDY1 or QVOL.
PRESSURE = ALL $ Turns on nodal pressure output for Darcy flow.
VELOCITY = ALL $ Elemental Velocity is output by default for Darcy flow.
BEGIN BULK
$--1---><--2---><--3---><--4---><--5---><--6---><--7---><--8---><--9---><--10-->
QBDY1 13 10000. 10501
MAT4 1 50.2 5.02E8 7.83E-9 1.2765
MAT4 2 50.2 5.02E8 7.83E-9 1.2765
+ DARCY 0.1 1000.0 0.598 4.183E+9 1.0E-9
INLTVEL 2 9305 1000.0 8605 425 1549 8611
INLTVEL 2 13305 1000.0 12826 8605 8611 12832
INLTVEL 2 17305 1000.0 17047 12826 12832 17053
INLTVEL 2 21305 1000.0 21268 17047 17053 21274
SPC 4 425 0.0
SPC 4 426 0.0
SPCP 6 122612 0.0
SPCP 6 118391 0.0
出力
一般的に、節点温度(THERMAL)や熱流束(FLUX)などの定常熱伝導解析の出力は、ダルシー流動解析でサポートされています。
加えて、節点流れ圧力(PRESSURE)と要素速度(VELOCITY)の出力は、ダルシーフロー解析専用です。
節点圧力は、デフォルトでオフになっているスカラー量出力です。PRESSURE入出力エントリを使用して、節点圧力出力をオンにすることができます。
- 要素速度
- 透水性
- 流体の動的粘性
- 圧力差
- 要素形状関数の微分
- 要素内の節点圧力
ダルシーフロー解析と対流トポロジー | バルクデータ | ケース制御 |
---|---|---|
固定温度境界条件 | SPC | SPC |
流体境界条件 | SPCP、INLTVEL | SPCP、INLTVEL |
構造熱材料 | ||
流体熱材料 | MAT4(DARCY継続行) | |
荷重 | SPC(温度)、QBDY1(流束)、QVOL(発熱) | SPC、LOAD |
流体熱伝導解析と構造熱伝導解析の出力 | THERMAL、FLUX、PRESSURE、VELOCITY | |
最適化 | DTPL、DRESP1応答(TCOMP、TEMP、FLOWPRES)、DRESP2、DRESP3 | DESSUB、DESOBJ、DESGLB |