ACU-T：3203 同心球体間の伝熱 - Discrete Ordinate輻射モデル

前提条件

このチュートリアルでは、Discrete Ordinate輻射モデルを使用して、同心球体間における輻射伝熱の定常状態シミュレーション結果を設定、解析、表示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-T3203_DiscreteOrdinate.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

このチュートリアルで扱う問題は、図 1に図示しています。この問題では、DO輻射モデルを使用して、同心球体間の放射による伝熱をシミュレーションします。内側球体の内側サーフェスと外側球体の外側サーフェスの温度は一定に保持されていますが、球体間のギャップでは球体の間で輻射による熱の移動があります。

この問題では、次の図に示すように、一定の温度に保持されたサーフェスを持つ2つの同心球体の間に、任意の材料特性を持つ流体の領域があります。なお、この図の比率は、ここに示した数字のとおりにはなっていません。外側球体の半径は0.04m、内側球体の半径は0.01mです。内側球体の内側サーフェスでは、300.0K（26.85°C）の一定壁面温度が保持されているものとします。また、外側球体の外側サーフェスでは、1300.0K（1026.85°C）の一定壁面温度が保持されているものとします。外側球体内部の流体は、輻射のみで熱が伝達される非伝導材料であるとします。

この問題を定常状態の事例として解析し、固体と流体領域の熱伝達によって温度平衡が得られるようにします。



図 1.

HyperMeshモデルデータベースを開く

  1. HyperMesh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-T3203_DiscreteOrdinate.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DO-Radiation_Sphere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DO-Radiation_Sphere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

  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、Temperature equationを Advective Diffusiveに設定します。
  3. Radiation equationをDiscrete Ordinateに設定します。
  4. Radiation quadratureがS4に設定されていることを確認します。


    図 2.
  5. 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。
  6. エンティティエディターで、Convergence toleranceを0.001に設定します。
  7. Relaxation Factorが0.3に設定されていることを確認します。
  8. Flowをオフにし、TemperatureとRadiationフィールドがオンになっていることを確認します。


    図 3.

輻射パラメータと境界条件の設定

この手順では、放射率モデルやサーフェスの境界条件などの輻射パラメータを問題に定義し、流体領域と固体領域に材料特性を割り当てます。

材料モデルパラメータの設定

  1. ソルバーブラウザで、02.Materialsを右クリックし、Material(Fluid)を選択します。
  2. 材料にRadiatingという名前を設定します。
  3. エンティティエディターで、Densityを 1000 kg/m3に設定します。
  4. Specific heat を 10000 J/kg-Kに設定します。
  5. Conductivityを 1e-6 W/m-Kに設定します。
    これは、輻射による熱伝達のみを優先させるためです。
  6. Radiation Propertiesで Allow Participating Media Radiationをオンにします。
  7. Absorption coefficientを0.001に設定します。


    図 4.
  8. ソルバーブラウザで、02.Materialsを右クリックし、Material(Solid)を選択します。
  9. 材料にInnerという名前を設定します。
  10. エンティティエディターで、Densityを 1000 kg/m3に設定します。
  11. Specific heat を 10000 J/kg-Kに設定します。
  12. Conductivityを 2 W/m-Kに設定します。
  13. ソルバーブラウザで、Innerを右クリックし、Duplicateを選択します。名前をOuterに変更します。
  14. エンティティエディターで、Conductivityを0.35 W/m-Kに変更します。
  15. InnerとOuterの両方でAllow Participating Media Radiation がオフになっていることを確認してください。
    これは、輻射による熱伝達に流体媒体のみを関与させるためです。

放射率モデルのパラメータの設定

  1. ソルバーブラウザで、07.Emissivity_Modelコレクターを右クリックし、Createを選択します。
  2. この放射率モデルの名前をInnerとします。
  3. エンティティエディターで、Emissivityを0.5に設定します。


    図 5.
  4. 上記の手順を繰り返し、名前をOuter、Emissivityを0.8にそれぞれ設定した別の放射率モデルを作成します。

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. Radiatingをクリックします。エンティティエディターで、TypeをFLUIDに変更し、MaterialとしてRadiatingを設定します。


    図 6.
  3. Innerをクリックします。エンティティエディターで、TypeをSOLIDに変更し、MaterialとしてInnerを設定します。


    図 7.
  4. Outerをクリックします。エンティティエディターで、TypeをSOLIDに変更し、MaterialとしてOuterを設定します。


    図 8.
  5. Inner_Inner_ri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. Temperature BC typeをValueに設定します。
    3. Temperatureを300Kに設定します。


    図 9.
  6. Outer_Outer_ro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. Temperature BC typeをValueに設定します。
    3. Temperatureを1300Kに設定します。


    図 10.
  7. Inner_Radiating_r1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. Temperature BC typeをFluxに変更します。
    3. 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にします。
    4. TypeがWALLに設定されていることを確認し、Emissivity modelとしてInnerを選択します。


    図 11.
  8. Outer_Radiating_r2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. Temperature BC typeをFluxに変更します。
    3. 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にします。
    4. TypeがWALLに設定されていることを確認し、Emissivity modelとしてOuterを選択します。


    図 12.
  9. モデルを保存します。

解析計算

この手順では、HyperMeshからAcuSolveを直接起動して解析を完了します。

AcuSolveの実行

  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. Output time stepsはAllまたはFinalに設定できます。これは定常状態解析なので、最後の時間ステップでの出力が得られれば十分です。
  5. 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 13.

HyperViewを使用した結果のポスト処理

解析が収束したらAcuProbeとAcuTailウィンドウを閉じます。HyperMeshウィンドウに行き、AcuSolve Controlタブを閉じます。

HyperViewの起動とモデルおよび結果の読み込み

  1. HyperMeshのメインメニューでApplications > HyperViewをクリックしてHyperMeshを開きます。
    HyperViewウィンドウを読み込むと、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。
  2. Load model and resultsパネルで、Load modelの隣にある をクリックします。
  3. 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、DO-Radiation_Sphere.1.Logです。
  4. Openをクリックします。
  5. 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。

温度コンターの作成

このステップでは、領域全体の温度分布のコンタープロットを作成します。

  1. Resultsツールバーで をクリックしてContourパネルを開きます。
  2. Result typeで Temperature（s）を選択します。
    ドロップダウンは、自動的にScalar valueに設定されるはずです。
  3. Apply をクリックします。
  4. 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 14.
  5. 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。
  6. 結果ブラウザの空白領域を右クリックして Create > Section Cut > Planarを選択して、平面の切断面を作成します。
    Section Cutsツリーの下にSection 1という新しいエンティティが作成されます。
  7. Section 1の横にあるをクリックし、グラフィックスウィンドウのグリッド表示がオフにします。
  8. Standard Viewsツールバーのをクリックし、xy平面を正面から見た表示にします。
  9. 下図のようなコンター図が表示されることを確認します。


    図 15.

要約

このチュートリアルでは、HyperWorks製品であるAcuSolve、HyperMesh、HyperViewを使用して、DO輻射モデルの設定、輻射伝熱シミュレーションの実行、その結果のポスト処理のための基本的なワークフローを体験しました。まず、Altair HyperMeshでモデルをインポートしました。次に、シミュレーションパラメータを設定して、HyperMeshから直接AcuSolveを起動しました。AcuSolveによる解析が完了した後、HyperViewを使用して結果をポスト処理し、コンタープロットを作成しました。