ACU-T：3300 熱交換器部品のモデリング

前提条件

このチュートリアルでは、中間部に熱交換器を設けた管内部の流れの定常状態をシミュレーションする方法について説明します。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とAcuSolve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-T3300_HeatExchanger.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、下の図に示しています。この問題には、熱交換器部品のボリュームを持ち、厚みが‘t’で、半径が‘r’の円筒状の管流路があります。熱交換器部品のパラメータがHEX_Inletサーフェスコンポーネントに割り当てられます。基本的には、熱交換器のモデルをサーフェスに適用し、そのサーフェス全体にわたる温度上昇によって、熱交換器の効果をモデリングします。入口から空気が0.1m/secの速度で管に流入し、熱交換器のボリュームを経て出口から流出します。



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-T3300_HeatExchanger.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HeatExchanger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HeatExchanger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

この手順では、シミュレーション全体に適用されるシミュレーションパラメータを設定します。

  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. Turbulence equationモデルをSpalart Allmarasに変更します。


    図 2.

境界条件の設定と材料モデルパラメータの割り当て

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. Fluid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としてAir_HMを選択します。


    図 3.
  3. 同様に、HEXをクリックし、エンティティエディターでTypeをFLUIDに変更して、MaterialとしてAir_HMを選択します。
  4. Inletをクリックします。エンティティエディターで、
    1. TypeをINFLOWに変更します。
    2. Inflow velocity typeをCartesianに変更し、X velocityを0.1m/secに設定します。
    3. Temperatureを273Kに設定します。
    4. Turbulence input typeをViscosity Ratioに変更します。
    5. Turbulent viscosity ratioとして値40を入力します。


    図 4.
  5. Outletをクリックします。エンティティエディターで、TypeをOUTFLOWに変更します。


    図 5.
  6. HEX_Inletをクリックします。エンティティエディターで、
    1. TypeをHEAT_EXCHANGER_COMPONENTに変更します。
    2. Heat exchanger typeがConstant Coolant Heat Rejectに設定されていることを確認します。
    3. Coolant Heat Rejectを200Wに設定します。
    4. Coolant flow rateを0.0006309m3/secに設定します。
    5. Heat exchanger thicknessを0.06mに設定します。
    6. Upstream distanceが0に設定されていることを確認します。
    7. Friction typeをKays Londonに変更します。
    8. Core Friction Constantを20に変更します。
    9. Core Friction Exponentを-0.75に変更します。


    図 6.
  7. Wallsをクリックします。エンティティエディターで、TypeがWALLに設定されていることを確認します。
    外壁サーフェス上と界面上のサーフェスメッシュ要素は、1つのコレクターにグループ化できます。AcuSolveの高度な機能であるAuto_Wallでは、これらの要素がどの要素セットに属しているか、およびこれらの要素が内部サーフェスであるか外部サーフェスであるかに基づいて、要素をサーフェスセットに再グループ化します。このプロセスは内部で実行されるので、手動で何らかの操作を実施する必要はありません。


    図 7.
  8. 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 8.

AcuProbeでのポスト処理

解析が進むに伴い、AcuTailウィンドウとAcuProbeウィンドウが自動的に開きます。AcuProbeを使用して、サーフェス出力と残存率をモニターします。

  1. AcuProbe ウィンドウのデータツリーの下で、Residual Ratioを拡張表示し、Finalを右クリックして、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 9.
  2. 解析が収束した後、Residual RatioでFinalを右クリックしてPlot Noneを選択します。
  3. ツールバーの をクリックします。
    User Functionダイアログが開きます。
  4. NameとしてdTと入力します。
  5. Function欄でIn =と入力します。
  6. Heat Exchanger > HEX_Inletの順に拡張表示します。air_temperatureを右クリックしてCopy Nameをクリックします。Function欄のIn =の後に、コピーした値を貼り付けます。
  7. Function欄で改行してOut =と入力します。
  8. Heat Exchanger > HEX_Inletの順に拡張表示します。coolant_temperatureを右クリックしてCopy Nameをクリックします。Function欄のOut =の後に、コピーした値を貼り付けます。
  9. 次の行でvalue = Out - Inと入力します。


    図 10.
    注: 単語“value”は大文字と小文字が区別され、必ず小文字にする必要があります。先頭を大文字で入力し始めると、エラーのウィンドウが表示されます。
  10. Applyをクリックします。


    図 11.

    をクリックし、曲線の端点で領域を指定することで、その領域のプロットをズーム表示できます。下図に示すように、この問題では温度上昇が43.21Kになります。



    図 12.

要約

このチュートリアルでは、熱交換器コンポーネントを扱うシミュレーションを設定し、解析する方法を知ることができました。メッシュ化した形状をインポートし、すべての領域に境界条件と材料特性を割り当てました。解析を計算した後、熱交換器ボリューム全体の温度上昇のプロットを作成するために、AcuProbeでユーザー関数を定義しました。