ACU-T：3200 密閉放射モデルを使用したシンプルなヘッドランプ内の放射熱伝達

前提条件

このチュートリアルでは、HyperMeshで密閉放射モデルを使用して放射熱伝達問題を設定し、AcuSolveを使用して解析する方法を紹介します。このチュートリアルを実行する前に、入門チュートリアルをすでに完了し ACU-T：1000 HyperWorksユーザーインターフェース、HyperMesh、AcuSolve、およびHyperViewの基本を理解しているものとします。この解析を実行するには、ライセンス供与済みバージョンのHyperMeshと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、HyperMesh_tutorial_inputs.zipを<Altair_installation_directory>\hwcfdsolvers\acusolve\win64\model_files\tutorials\AcuSolveから作業ディレクトリにコピーします。 ACU-T3200_HeadlampEnclosure.hm HyperMesh_tutorial_inputs.zipから

HyperMeshデータベース（.hm ファイル）には、メッシュとジオメトリが含まれています。このチュートリアルには、ジオメトリのインポートおよびメッシュ生成に関する手順は含まれていません。

問題の説明

ここで解析する問題を、図 1と図 2に概略的に示しています。この問題は、ハウジング、レンズ、電球からなるシンプルなヘッドランプで構成されています。電球の内部空洞は空気で満たされており、体積熱源としてモデル化されている電球のワット数は1Wです。流体ボリューム内の自然対流の影響を考慮するために、空気に対してブシネスク密度モデルが使用されます。電球内で発生する熱は3つの形で伝達されます。すなわち、電球からハウジングへの伝導、空気ボリューム内の自然対流、電球サーフェスから他のサーフェスへの放射です。ヘッドランプの外側サーフェスの外部基準温度は300Kです。密閉放射モデルを使用して、サーフェス間の放射をシミュレートします。


図 1.
AcuSolveにおける密閉放射手法では、形態係数の計算と熱流束の追加という2つのステップからなるプロセスを実行します。形態係数は、あるサーフェスからの放射のうち、別のサーフェスに入射する比率を示します。ソルバー実行時に形態係数が計算され、放射熱流束がエネルギー方程式に追加されます。これらの放射熱流束は、シュテファン・ボルツマンの法則を使用して形態係数に基づいて計算されます。密閉放射モデルは、流体媒体のみでサポートされます。


図 2.

HyperMeshモデルデータベースを開く

  1. HyperMesh Desktopを起動し、AcuSolveのユーザープロファイルを読み込みます。
    User ProfilesからAcuSolveを選択する方法については、HyperMeshの入門チュートリアルACU-T：1000 HyperWorksユーザーインターフェースをご参照ください。
  2. 標準ツールバーのOpen Modelアイコン をクリックします。
    Open Model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-T3200_HeadlampEnclosure.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。
    Save Model Asダイアログが開きます。
  5. 名前をHeadlamp_Enclosure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Headlamp_Enclosureと入力するか、別の名前を入力します。
  7. 保存をクリックしてデータベースを作成します。

一般的なシミュレーションパラメータの設定

解析パラメータの設定

  1. ソルバーブラウザに移動して01.Globalを拡張表示し、PROBLEM_DESCRIPTIONをクリックします。
  2. エンティティエディターで、Analysis typeがSteady Stateに設定されていることを確認します。
  3. Temperature equationをAdvective Diffusiveに設定します。
  4. Radiation equationをEnclosureに設定します。
  5. Turbulence modelをLaminarに設定します（まだ設定されていない場合）。


    図 3.

ソルバー設定

  1. ソルバーブラウザで、01.Globalの下の02.SOLVER_SETTINGSをクリックします。
  2. エンティティエディターで、Temperature flowをオンにします。
  3. 残りのオプションはすべて、変更せずにおきます。


    図 4.

材料モデルと物体力の定義

材料モデルの定義

  1. ソルバーブラウザで、02.Materials > Fluidの順に拡張表示してAir_HMをクリックします。
  2. エンティティエディターで、Density typeをBoussinesqに変更します。
  3. ソルバーブラウザで、02.Materialsの下のSOLIDを右クリックしてCreateを選択します。
  4. エンティティエディターで、これにArniteという名前を付けます。
  5. Densityを1670kg/m3に設定します。
  6. Specific heatを2050J/kg-Kに設定します。
  7. Conductivityを1.65W/m-kに設定します
  8. 手順3～7を繰り返して、次の材料特性を持つPlasticおよびLEDという2つのソリッド材料モデルをさらに作成します。
    1. Plastic：
      1. 密度 - 1270kg/m3
      2. 比熱 - 1900J/kg-K
      3. 伝導率 - 0.22W/m-K
    2. LED：
      1. 密度 - 5500kg/m3
      2. 比熱 - 0.3J/kg-K
      3. 伝導率 - 5.0W/m-K
  9. データベースを保存します。

物体力の定義

  1. ソルバーブラウザで、03.Body_Force > BODY_FORCEの順に拡張表示してGravity_HMをクリックします。
  2. エンティティエディターで、Y-Gravityを-9.81m/sec2に設定し、Z-Gravityを0に変更します。


    図 5.

熱源の定義

  1. ソルバーブラウザで、03.Body_Forceを右クリックしてCreateを選択します。
  2. エンティティエディターで、これにLED Heat Sourceという名前を付けます。
  3. MediumをSolidに変更します。
  4. Heat source unit typeをPer unit volumeに設定します。
  5. Heat Source typeをConstantに設定し、Volumetric heat sourceを2049180W/m3に設定します。


    図 6.

境界条件の設定

放射率モデルの作成

  1. ソルバーブラウザで、07.Emissivity_Modelを右クリックしてCreateを選択します。
  2. エンティティエディターで、nameにWallsを入力します。
  3. Emissivityを0.7に設定します。

境界条件の設定

デフォルトでは、すべてのコンポーネントは、壁境界条件に含まれます。この手順では、それらを適切な境界条件に変更し、流体ボリュームに材料特性を割り当てます。
  1. ソルバーブラウザで12.Surfaces > WALLの順に拡張表示します。
  2. Airをクリックします。エンティティエディターで、
    1. TypeをFLUIDに変更します。
    2. MaterialをAir_HMに設定します。
    3. Body forceをGravity_HMに設定します。


    図 7.
  3. Housingをクリックします。エンティティエディターで、
    1. TypeをSOLIDに変更します。
    2. MaterialをPlasticに設定します。


    図 8.
  4. Bulbをクリックします。エンティティエディターで、
    1. TypeをSOLIDに変更します。
    2. MaterialをLEDに設定します。
    3. Body forceをLED Heat Sourceに設定します。


    図 9.
  5. Lensをクリックします。エンティティエディターで、
    1. TypeをSOLIDに変更します。
    2. MaterialをArniteに設定します。


    図 10.
  6. Lens-innerをクリックします。エンティティエディターで、
    1. TypeがWALLに設定されていることを確認します。
    2. Radiation Surfaceタブで、Displayチェックボックスをアクティブにして、Activate radiation surface欄をOnに設定し、TypeをWallに設定して、Emissivity modelをWallsに設定します。


    図 11.
  7. Lens-outerをクリックします。エンティティエディターで、
    1. TypeがWALLに設定され、Temperature BC typeがFluxに設定されていることを確認します。
    2. Convective heat flux coefficientを10J/m2-sec-Kに設定します。
    3. Convective heat flux reference temperatureを300Kに設定します。


    図 12.
  8. Housing-innerをクリックします。エンティティエディターで、
    1. TypeがWALLに設定されていることを確認します。
    2. Radiation Surfaceタブで、Displayチェックボックスをアクティブにして、Activate radiation surface欄をOnに設定し、TypeをWallに設定して、Emissivity modelをWallsに設定します。


    図 13.
  9. Housing-outerをクリックします。エンティティエディターで、
    1. TypeがWALLに設定され、Temperature BC typeがFluxに設定されていることを確認します。
    2. Convective heat flux coefficientを10J/m2-sec-Kに設定します。
    3. Convective heat flux reference temperatureを300Kに設定します。


    図 14.
  10. Bulb-wallsをクリックします。エンティティエディターで、
    1. TypeがWALLに設定されていることを確認します。
    2. Radiation Surfaceタブで、Displayチェックボックスをアクティブにして、Activate radiation surface欄をOnに設定し、TypeをWallに設定して、Emissivity modelをWallsに設定します。


    図 15.
  11. モデルを保存します。

解析の計算

AcuSolveの実行

ここでは、AcuSolveを起動してこのケースの解を計算します。

  1. すべてのメッシュコンポーネントの表示をオンにします。
    解析を実行するには、アクティブなすべてのコンポーネントのメッシュを可視化した状態にする必要があります。
  2. ACUツールバーの をクリックします。
    Solver job Launcherダイアログが開きます。
  3. オプション: 解析時間を短縮するには、使用可能なプロセッサの数に応じて、使用するプロセッサの数に大きい値（4または8）を設定します。
  4. 他のオプションはデフォルト設定のままとして、Launchをクリックして解析プロセスを開始します。


    図 16.

AcuProbeによる解析のモニター

AcuSolveの実行中に、AcuProbeを使用して解析の進行状況をモニターし、残存率、解析率、および温度や熱流束などの変数の値をプロットできます。ソルバーの実行が開始されると、AcuTailウィンドウとAcuProbeウィンドウが自動的に開きます。

  1. AcuProbeウィンドウのデータツリーで、Residual Ratioを拡張表示します。
  2. Allを右クリックし、Plot Allを選択します。
    注: プロットを正しく表示するために、ツールバーで をクリックする必要がある場合があります。


    図 17.
解が収束したらAcuTailウィンドウとAcuProbeウィンドウを閉じます。

HyperViewによる結果のポスト処理

この手順では、HyperViewを使用して結果を可視化します。その際、切断面上の温度と速度のコンタープロットを作成し、速度ベクトルのプロットも作成します。ソルバーの実行が完了したらAcuProbeウィンドウとAcuTailウィンドウを閉じます。HyperMesh Desktopウィンドウで、AcuSolve Controlタブを閉じ、モデルを保存します。

HyperViewインターフェースへの切り替えと、AcuSolveのモデルと結果の読み込み

  1. HyperMesh Desktopウィンドウで、グラフィックスウィンドウの左下隅にあるClientSelectorドロップダウンをクリックします。


    図 18.
  2. リストから、HyperViewを選択します。
  3. 表示されるポップアップダイアログで、Yesをクリックします。
    インターフェースがHyperViewに変更されます。

    HyperViewを読み込むと、デフォルトでLoad model and resultsパネルが開きます。このパネルが表示されない場合は、File > Open > Modelの順にクリックします。

  4. Load model and resultsパネルで、Load modelの隣にある をクリックします。
  5. Load Model Fileダイアログで、作業ディレクトリに移動して、ポスト処理する解析実行のAcuSolve .Logファイルを選択します。この例で選択するファイルは、Headlamp_Enclosure.1.Logです。
  6. Openをクリックします。
  7. パネル領域でApplyをクリックしてモデルと結果を読み込みます。
    読み込むと、モデルが形状で色分けされます。

温度のコンタープロットの作成

  1. 結果ブラウザで、Componentsのリストを拡張表示し、Isolate Shownアイコン をクリックします。
  2. Ctrlキーを押したまま、AUTO Housing wallおよびAUTO Bulb wallコンポーネントを選択し、電球コンポーネントとハウジングコンポーネントの壁を除くすべてのコンポーネントの表示をオフにします。


    図 19.
  3. Standard Viewsツールバーの をクリックすることで、xy平面を正面から見た表示にします。
  4. Resultsツールバーで をクリックしてContourパネルを開きます。
  5. パネル領域で、Result typeをTemperature (s)に設定します。
  6. Components エンティティセレクターをクリックします。Extended Entity Selection ダイアログでDisplayedを選択します。
  7. Applyをクリックします。
  8. パネル領域のDisplayタブで、Discrete colorオプションをオフにします。


    図 20.
  9. Legendタブをクリックし、つづいてEdit Legendをクリックします。表示されたダイアログで、Numeric formatをFixedに変更してOKをクリックします。


    図 21.

切断面上の温度コンターと速度ベクトルの表示

この手順では、中央Z平面上に切断面を作成してから、その切断面上の温度と速度ベクトルを表示します。

  1. 結果ブラウザで、すべてのコンポーネントの表示をオンにします。
  2. HV-DisplayツールバーのSection cutアイコン をクリックします。
  3. パネル領域で、Addをクリックして、Section 1という名前の新しい切断面を作成します。
  4. Define planeセクションで、軸をZ Axisに設定し、Applyをクリックします。
  5. BaseのZ座標を0.0005に設定し、Enterキーを押します。
  6. DisplayオプションをClipping planeからCross sectionに変更します。


    図 22.
  7. Gridlineをクリックします。Gridline Optionsダイアログで、Grid lineの下のShowチェックボックスを非アクティブにして、OKをクリックします。
  8. ResultsツールバーのVectorアイコン をクリックして、Vectorパネルを開きます。
  9. パネル領域で、Result typeをVelocity (v)に設定します。
  10. Selectionドロップダウンをクリックし、オプションリストからSectionsを選択します。


    図 23.
  11. Sectionsエンティティセレクターをクリックし、Allを選択します。
  12. パネル領域で、Overlay result displayチェックボックスをアクティブにします（まだアクティブになっていない場合）。
  13. Applyをクリックします。
  14. Plotタブで、X+Y+Z Resultantオプションのみが選択されていることを確認します。
  15. Displayタブに移動して、Size scalingオプションをUniformに設定し、サイズ欄に0.0015という値を入力します。
  16. Color byオプションをDirectionに設定して、X+Y+Zの色を白に設定します。


    図 24.
  17. Sectionタブに移動して、Projectedチェックボックスをアクティブにし、Applyをクリックします。
  18. Resultsツールバーで をクリックしてContourパネルを開きます。
  19. パネル領域で、Result typeをTemperature (s)に設定します。
  20. Components エンティティセレクターをクリックします。Extended Entity Selection ダイアログでDisplayedを選択します。
  21. パネル領域で、ResultタブのOverlay result displayチェックボックスをアクティブにします（まだアクティブになっていない場合）。


    図 25.
  22. Applyをクリックして、切断面上の速度ベクトルとともに温度のコンタープロットを作成します。


    図 26.
    コンタープロットを拡大表示して、ヘッドランプ内の自然対流現象を確認します。


    図 27.

要約

このチュートリアルでは、AcuSolveで密閉放射モデルを使用し、ヘッドランプ内の放射熱伝達問題を設定して解析する方法を知ることができました。まず、メッシュと基本的なモデルの構成が含まれたHyperMeshデータベースをインポートし、シミュレーションパラメータと境界条件を設定しました。解が計算された後に、HyperViewを使用して結果を処理し、流体領域内の温度と速度ベクトルのコンタープロットを作成しました。