ACU-T：2100 SST乱流モデルを使用した翼上の乱流

1. Windows のスタートメニューからスタート > Altair <バージョン> > AcuConsoleをクリックして AcuConsoleを起動します。
2. Fileメニューをクリックし、Newをクリックし、New data baseダイアログを開きます。
   注: ツールバーの をクリックしてNew data baseダイアログを開くこともできます。
3. 作業ディレクトリとして使用する場所に移動します。
   このディレクトリには、そのシミュレーションに関するすべてのファイルが保存されます。AcuConsoleのデータベースファイル（.acs）はこのディレクトリに保存されます。メッシュと解が作成されたら、追加のファイルとディレクトリがこのディレクトリ内に作成されます。
4. TurbulentAirfoil_SSTという名前の新規フォルダを作成し、このフォルダを開きます。
5. データベースのFile nameとしてTurbulent_Airfoil_SSTと入力します。
   注: AcuConsoleによって書き込まれたファイルを他のアプリケーションで読み取り可能にするためには、データベースのパスと名前にスペースが含まれないようにしてください。
6. データベースを保存して設定のバックアップを作成します。

1. メインツールバーで、Variable Listアイコンをクリックします。

   
   
   図 2.

   Variable Managerが開きます。

2. Variable Managerで新しい変数を作成するには、Addをクリックします。
   Variable Managerで新規に変数を作成するには、Addをクリックし、適切な入力を表の列に入力します。表の列は、変数の名前、変数を定義する式、現在の値および式の説明を表します。
3. Nameに、ReynoldsNumberと入力します。
4. Expressionに、1000000と入力します。
5. Descriptionには、このシミュレーションの場合、Target Reynolds numberと入力します。
6. 下の表に示されている残りの変数に対して、このプロセスを繰り返します。

   名前	Expression	説明
   ReynoldsNumber	1000000	Target Reynolds number for the simulation
   rho	1.225	Density of air
   mu	1.781e-5	Molecular viscosity of air
   chord	1.0	Airfoil chord
   alpha	5.0	Angle of attack (degrees)
   windSpeed	:=ReynoldsNumber*mu/(rho*chord)	Velocity of air (m/s)
   xVelocity	:=windSpeed*cos(alpha*deg)	X component of velocity
   yVelocity	:=windSpeed*sin(alpha*deg)	Y component of velocity
   turbIntensityPercent	0.025	Turbulence intensity percentage
   viscosityRatio	0.03	Viscosity ratio (turbulent viscosity / molecular viscosity)
   globalMeshSize	:=200*chord	Global maximum element size
   surfaceMeshSize	:=.02*chord	Maximum surface element size
   firstLayerHeight	1.2e-5	Boundary layer first layer height
   stretchRatio	1.2	Boundary layer element growth rate
   totalLayerHeight	0.004	Total height of boundary layer element stack
   sweepAngle	7.0	Sweep angle for boundary layer blends at sharp edges

   式が入力されると、Variable Managerは下の図のように表示されます。

   
   
   図 3.

7. この時点ですべての変数と式が定義されているので、Closeを選択してVariable Managerを閉じることができます。

1. Data Tree ManagerでBASをクリックして、Data Tree内の基本ビューに切り替えます。

   
   
   図 4.

2. GlobalData Tree項目をダブルクリックして拡張表示します。
   ヒント: 項目名の横にある をクリックしてツリー項目を拡張表示することもできます。

   
   
   図 5.

3. Problem DescriptionをダブルクリックしてProblem Description詳細パネルを開きます。
4. このケースでは、TitleとしてNACA0012 Airfoilと入力します。
5. このケースでは、Sub titleとしてFully turbulentと入力します。
6. Analysis typeをSteady Stateに変更します。
7. Turbulence equationをSSTに変更します。
   SSTモデルとK-Omegaモデルの両方で同じ入力セットが必要となるため、このチュートリアルの手順はK-Omegaモデルにも適用されます。SSTモデルの代わりにK-Omegaモデルを使用する場合は、このメニューから選択できます。

   
   
   図 6.

1. Auto Solution StrategyをダブルクリックしてAuto Solution Strategy詳細パネルを開きます。
2. Relaxation factorに0.4と入力します。
   この値は解の収束を改善するために使用されます。通常は、0.2から0.4までの値であれば、求解のスムーズな進行の実現と、収束に達するために必要な計算時間の増加とのバランスをうまくとることができます。緩和係数が大きくなると、AcuSolveで定常状態解を得るまでにかかる時間ステップが多くなります。大きな緩和係数は、非常に複雑な用途で収束を達成するために必要な場合があります。

   
   
   図 7.

1. Data TreeでMaterial Modelをダブルクリックして拡張表示します。

   
   
   図 8.

2. Data TreeでAirをダブルクリックしてAir詳細パネルを開きます。
3. Densityタブをクリックして、Density value欄に:=rhoと入力します。
   これにより密度が、Variable Managerで入力した値と等しい値に設定されます。
4. Viscosityタブをクリックして、Viscosity欄に:=muと入力します。
   これにより粘性が、Variable Managerで入力した値と等しい値に設定されます。
5. データベースを保存して設定のバックアップを作成します。これは、次のいずれかの方法で実行できます。
   • Fileメニューをクリックして、Saveをクリックします。
   • ツールバーの をクリックします。
   • Ctrlキーを押しながらSを押します。
   注: AcuConsoleで加えられた変更は、直ちにデータベースファイル（.acs）に保存されます。保存操作を実行すると、データベースがバックアップファイルにコピーされます。今後の変更内容を利用することを希望しない場合は、このバックアップファイルを使用して、その保存済み状態からデータベースを再読み込みすることができます。

1. File > Importをクリックします。
2. NACA0012.x_tを含むディレクトリを参照します。
3. ファイル名のフィルタをParasolid File (*.x_t *.xmt *X_T …)に変更します。
4. NACA0012.x_tを選択し、OpenをクリックしてImport Geometryダイアログを開きます。

   
   
   図 9.

   このチュートリアルでは、Import Geometryダイアログのデフォルト値を使用して形状を読み込みます。AcuConsoleを使用していた場合は、自身が変更した可能性のある設定を手動で変更して、図に示すデフォルト値と一致させてください。デフォルト設定を使用した場合は、CADモデルのボリュームはデフォルトのボリュームグループに追加されます。CADモデルのサーフェスはデフォルトのサーフェスグループに追加されます。このチュートリアルでは後ほどグループを操作して、新しいグループの作成、流れパラメータの設定、形状コンポーネントの追加、およびメッシングパラメータの設定を行います。

5. OKをクリックし、ダイアログを閉じます。
6. 表示の回転やズームを行ってモデル全体を確認します。

   
   
   図 10.

   このチュートリアルでモデリングウィンドウに表示されるオブジェクトの色と、ユーザーの画面に表示されるオブジェクトの色は異なる場合があります。AcuConsoleのデフォルト配色は“ランダム”であり、作成されたグループに色がランダムに割り当てられます。また、このチュートリアルはWindows上で作成されました。このチュートリアルを異なるオペレーティングシステムで実行する場合は、画面に表示されるイメージとこのチュートリアルで表示されるイメージが多少異なる可能性があります。

1. Modelツリーを拡張表示します。
2. Volumesを拡張表示します。
3. ボリューム名の横にある と をクリックして、デフォルトボリュームコンテナの表示のオン / オフを切り替えます。
   注: Surfacesが表示されている場合は、サーフェスとボリュームが重なっている可能性があるため、表示を切り替えても何も変わらないことがあります。
4. デフォルトグループの名前を変更します。
   1. defaultを右クリックします。
   2. Renameをクリックします。
   3. Fluidと入力します。
5. Data TreeでFluidを拡張表示します。
6. Element SetをダブルクリックしてElement Set詳細パネルを開きます。
7. Material modelがAirに設定されていることを確認します。

   
   
   図 11.

1. Data Treeで、Nodal Initial Conditionsを、ダブルクリックします。
2. X velocityを:=xVelocityに設定します。
3. Y velocityを:=yVelocityに設定します。
   これにより、X velocityとY velocityがVariable Managerで指定した値と等しくなります。

SSTおよびK-Omega乱流モデルでは、Kinetic energyとEddy frequencyの初期値を入力する必要があります。これらの値の合理的な推定値がわかっている場合は、欄にそれらの値を直接入力できます。１つのオプションとして、入口境界で割り当てられたものと同じ値を使用する方法もあります。初期状態に適した推定値がない場合は、AcuSolveによって乱流変数の自動初期化を実行することも可能です。これらの値をゼロに設定したままにすると、AcuSolveがこれらの変数の自動初期化を開始します。

4. 自動初期化を開始するには、Kinetic energyとEddy frequencyを0.0に設定します。

   
   
   図 17.

1. データツリーマネージャーでMSHをクリックして、Data Tree内の設定をフィルタ処理して、メッシングに関するコントロールのみを表示します。
2. GlobalData Tree項目をダブルクリックして拡張表示します。
3. Global Mesh AttributesをダブルクリックしてGlobal Mesh Attributes詳細パネルを開きます。
4. Mesh size typeをAbsoluteに変更します。
5. Absolute mesh sizeを:=globalMeshSizeに設定します。
6. Curvature refinement parametersをOffに設定します。
7. Mesh growth rateを1.2に設定します。
   このオプションを設定すると、メッシャーは、別のサイズに遷移するときにメッシュがスムーズに成長するようにします。成長率1.2は、隣接要素の長さスケールの変化1.2に直接相当するのではなく、ゆるやかな拡大に相当します。メッシュの成長率は1～2の間の値で調整できます。値が1.0に近づくと遷移がスムーズになり、2.0に近づくと遷移が急激になります。値を1.0にすると、この設定が無効になり、デフォルトのメッシング挙動に戻ります。このオプションを使用すると、メッシュの生成に必要な時間と、メッシャーによって作成される節点 / 要素の合計数が大幅に増大するので注意が必要です。
8. Maximum sweep angleを:=sweepAngleに設定します。
   この設定により、メッシャーは、境界層のメッシングプロセスで放射状のエッジブレンドを作成するときに、sweepAngleパラメータを使用して放射状の要素ライン間の最大角度を定義するように指示されます。

   
   
   図 18.

1. Global Treeの下で、Mesh Process Attributesをダブルクリックします。
2. 詳細パネルで、Shrink mixed flagをOnに設定します。
3. 2D Boundary layer adjacent height smoothing ratioを0.25に設定します。
   このパラメータは、品質の低い要素を解像するために層の高さを局所的に調整した後、局所的な境界層の高さを隣接する要素との間でいかに滑らかに変化させるかを制御します。このパラメータの値が低いと、高さの変化が長い距離に渡って滑らかになり、値が1.0に近づくと、高さの変化が急激になります。この設定には、２次元と３次元の境界層で別々の値が存在します。このアプリケーションでは、2Dメッシュを作成し、それを３つ目の方向に押し出して、ボリュームを作成します。このため、この場合は、2D設定によってメッシュの挙動が制御されます。

   
   
   図 19.

1. Model > Surfaces > Airfoilを拡張表示します。
2. Surface Mesh Attributesオプションをアクティブにします。
3. Mesh size typeとしてAbsoluteを選択します。
4. Absolute mesh sizeとして:=surfaceMeshSizeと入力します。
   これにより、“surfaceMeshSize”変数で作成される値に対応する一定のメッシュサイズがサーフェスに割り当てられます。
5. Region of influence parametersをOnに設定します。
6. Influence typeをSimpleに設定します。
   influence typeがSimpleに設定された領域を使用すると、サーフェスに割り当てられたメッシュサイズはそのサーフェスから指定した距離だけ維持されます。サーフェスメッシュサイズが維持されるサーフェスからの距離は、“Influence distance”で定義します。サーフェスからの距離の関数としてメッシュサイズをスケーリングすることもできます。これは、influence size factorを設定することで可能です。この値を設定すると、ローカルメッシュサイズが、サーフェス上で指定されたサイズから細分化の距離の最も遠いスケール値まで線形補間されます。“影響領域”のメッシングによって使用されるサイズは、サーフェスメッシュ属性パラメータで定義した絶対メッシュサイズであることに注意してください。ここでは、曲率の細分化などによるメッシュサイズの局所的な変化は考慮されません。このため、翼サーフェスの現在の設定のみを使用して、影響領域のサイジングを進めます。翼の形状を解析するために必要なサーフェス上の要素サイズは、エッジメッシングで制御されます。
7. Influence size factorを1.0に設定します。
8. Influence distanceを:=chord*0.1に設定します。
9. Boundary layer flagをOnに設定します。
10. Boundary layer typeをFull Controlに設定します。
11. Resolve欄で、Number of Layersを選択します。
    この設定で、境界層要素の最初の層高さ、合計層高さ、および成長率を指定します。これらの設定を満たすために必要な層の総数は、AcuConsoleによって計算されます。
12. First element heightに:=firstLayerHeightと入力します。
13. Total layer heightに:=totalLayerHeightと入力します。
14. Growth rateに:=stretchRatioと入力します。
15. Boundary layer blends flagをOnに設定します。
16. Boundary layer element typeをTetrahedronに設定します。
17. Maximum sweep angleを:=sweepAngleに設定します。
    これらの設定により、境界層メッシャーが、sweepAngle変数によって定義された最大角で放射状のエッジブレンドを作成します。

    
    
    図 20.

1. Edgesを右クリックしてNewをクリックすることで、新しいエッジを追加します。
2. Edge 1の名前をPerimeter Edgesに変更します。
3. 翼の２つの外周エッジを選択して、このグループに追加します。
   1. Perimeter Edgesを右クリックして、Add toをクリックします。
   2. 下に示すように、翼の２つの外周エッジを選択します。

      
      
      図 21.

   3. Doneを選択します。
4. Edge Mesh Attributesをアクティブにして、ダブルクリックします。
5. Mesh size typeをAbsolute Expressionに設定します。

   
   
   図 22.

6. Absolute mesh size expressionボタンをクリックして、メッシュサイズの式を記述できるテキストエディタを開きます。
   この式はメッシャーによって評価され、エッジセット内のエッジ上の各位置で使用するローカルメッシュサイズが決定されます。
7. 次の式を入力します。

   sizeMin  = 0.0025
   sizeMax = 0.1 
   
   xMin =(0.0)
   xMax =(1.0) 
   
   xCenter =((xMin+xMax)/2.0)
   dx = ((xMax-xMin)/2.0) 
   
   fac = ((dx - abs(x-xCenter) )/dx ) 
   
   power = (ln(sizeMax/sizeMin))
   expVal = sizeMin*exp(power*fac) 
   
   linVal = sizeMin+(sizeMax-sizeMin)*fac 
   
   value = expVal

   この式はサーフェスメッシュサイズの最小値と最大値（sizeMinとsizeMax）、および前縁と後縁の位置（xMinとxMax）を取り、前縁と後縁からの距離の関数として、サーフェスメッシュサイズの対数拡大を計算します。前縁と後縁のメッシュサイズはsizeMinに対応し、翼弦の中央位置のサイズはsizeMaxに対応します。

   
   
   図 23.

8. Okをクリックして、このテキストエディタ領域を閉じ、式を受け入れます。

1. 新しいメッシュ押し出しを作成します。
   1. Mesh Extrusionsを右クリックし、Newを選択します。
   2. Mesh Extrusion 1を右クリックし、Renameを選択します。
   3. この名前をZ extrusionに変更します。
2. Z extrusionをダブルクリックして、設定ダイアログを開きます。
   メッシュ押し出し属性では、２つのタイプの押し出しがサポートされています。１つ目のタイプはサーフェスです。このタイプを選択した場合、メッシャーへの入力は２つのサーフェスのセットになり、メッシュはそれらの間で押し出されます。作成されるメッシュは押し出されたボリュームメッシュです。サポートされる２つ目の押し出しタイプは、エッジ押し出しです。このタイプの押し出しを使用すると、２つのエッジが選択され、この２つのエッジの間に押し出されたサーフェスメッシュが作成されることになります。ここでは、Geometry typeをsurfaceに設定して、押し出されたボリュームメッシュを生成します。
3. Geometry typeがsurfaceに設定されていることを確認します。
4. Side 1に対して、ドロップダウンから、+z slipを選択します。
5. Side 2に対して、ドロップダウンから、–z slipを選択します。
6. Extrusion typeがNumber of layersに設定されていることを確認します。
7. number of layersに1と入力します。
8. Extrusion optionsでMixed elementsを選択して、翼スパン全体に渡って押し出された単一のプリズム要素の層を作成します。
9. OKをクリックして、これらの設定を受け入れます。

   
   
   図 24.

1. ツールバーの をクリックしてLaunch AcuMeshSimダイアログを開きます。
2. デフォルト設定のままで、OKを選択します。

   メッシング時に、AcuTailウィンドウが開きます。メッシングの進行状況はこのウィンドウで報告されます。メッシングプロセスのサマリーで、メッシュが生成されたことが示されます。

3. 翼のサーフェスの周囲のメッシュを調べます。
   エッジメッシュ属性に使用した式の結果として、翼の前縁と後縁での細分化に注目してください。翼サーフェスの周囲のメッシュの細分化にも注意してください。これは、影響領域のメッシングによるものです。
4. 翼の後縁にズームして、boundary layer blends flagをオンに設定した影響を確認します。翼の後縁にある放射状のエッジブレンドが明確な証拠です。

   
   
   図 25.

1. ツールバーでをクリックしてLaunch AcuSolveダイアログを開きます。
2. お使いのシステムに４つ以上のプロセッサがある場合は、Number of processorsに4と入力します。
   複数のプロセッサを使用すると、解析時間を短縮できます。
3. RestartラジオボタンがOffに設定されていることを確認します。
4. その他すべてのデフォルト設定を受け入れます。
   これらの設定に基づき、AcuConsoleがAcuSolveの入力ファイルを生成してから、ソルバーを起動します。AcuSolve は、４個のプロセッサ上で実行し、この問題の非定常解を計算します。
5. Okを選択して解析プロセスを開始します。

   計算中、AcuTailウィンドウが開きます。解析の進行状況はこのウィンドウで報告されます。解析プロセスのサマリーで、実行が完了したことが示されます。

   このサマリーで提供される情報は、AcuSolveで使用されるプロセッサの数に基づいています。このチュートリアル内で示されている数と異なる数のプロセッサを使用した場合は、示されているサマリーと実行時のサマリーが少し異なる場合があります。

6. 解析が完了したら、上方向にスクロールしてファイルの先頭まで戻り、乱流場の値の初期化に関するメッセージを見つけます。
   これは、節点の初期状態が0に設定されているためです。初期化された変数の最小値、最大値、平均値がレポートされていることに注意してください。

   
   
   図 26.

7. 時間ステップを1つレビューします。
   １つ注意すべき点は、渦頻度と運動エネルギーが各時間ステップ内で３回解析されていることです。これは、SSTおよびk-omega乱流モデルを使用する場合に、最も効率的に収束解を取得する方法です。

   
   
   図 27.

8. AcuTailウィンドウを閉じ、データベースを保存して設定のバックアップを作成します。

1. ツールバーの アイコンをクリックして、AcuProbeを開きます。
2. Residual Ratioを右クリックしてPlot Noneを選択することで、プロットを消去します。
3. Residual Ratio > Allを拡張表示します。
4. kinetic_energyを右クリックし、Plotを選択します。

   
   
   図 28.

5. kinetic_energyを右クリックし、Don’t Plotを選択してプロットを消去します。
6. Final を右クリックし、Plot Allを選択します。

   
   
   図 29.

7. AcuProbeダイアログを閉じます。

1. AcuConsoleツールバーで をクリックしてLaunch AcuFieldViewダイアログを開きます。
2. OkをクリックしてAcuConsoleを起動します。
   AcuConsoleからAcuFieldViewを起動するときには、ディスクに書き込まれた、解析の最後の時間ステップの結果が、ポスト処理のために読み込まれます。

1. サイドツールバーの をクリックして、Boundary Surfaceダイアログを開きます。
   注: このダイアログはすでに開かれている場合があります。この手順では、このダイアログに焦点を当てます。
2. Scalar Functionの下で、Selectをクリックします。
3. sqrt_eddy_periodを選択して、さらにCalculateを選択します。
   注: sqrt_eddy_periodを表示するには、下へスクロールする必要がある場合もあります。これは新しい変数で、オメガの平方根を上回るものを表します。これは、渦頻度と比べて、プロットに際して有界性の高い変数であるため、追加されています。

   
   
   図 30.

4. 翼の周辺のsqrt_eddy_periodを表示するには、翼にズームします。

   
   
   図 31.