ACU-T：3101 ミキシングエルボにおける過渡共役熱伝達

前提条件

このチュートリアルでは、ミキシングエルボで共役熱伝達を伴って発生する3次元乱流を取り上げ、その過渡シミュレーションを実行する方法について説明します。ここでは、ACU-T：3100 ミキシングエルボにおける共役熱伝達のチュートリアルを実施済みで、HyperMesh、AcuSolve、およびHyperViewの基本を理解しているものとします。HyperWorksの入門チュートリアルであるACU-T：1000 HyperWorksユーザーインターフェースでは、HyperWorksとAcuSolveの基本的な機能を紹介しています。

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-T3101_MixingElbowTransient.hm をHyperMesh_tutorial_inputs.zipから取り出します。

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

この問題の解には、定常状態解と過渡解の2種類があります。定常状態解の概略図を次の図に示します。



図 1.

大きい入口の直径は0.1m、流入速度（v）は0.4m/s、流入する流体の温度（T）は295Kです。小さい入口の直径は0.025m、流入速度は1.2m/s、流入する流体の温度は320Kです。また、管壁の厚みは0.005mです。この問題で扱う流体は水で、管壁の材料は、密度が8030kg/m3、伝導率が16.2W/m-k、比熱が500J/kg-Kのステンレス鋼です。

この問題の定常状態部分のモデルファイルは、入力ファイルとして用意されています。定常状態の解析を計算すると、その結果がメッシュに投影され、過渡シミュレーションの初期状態として使用されます。この問題の過渡部分を開始する時点の概略図を以下に示します。



図 2.

シミュレーション開始後0.2秒で、両方の入口から水のコールドスラグが注入され、0.2秒から0.4秒の間に、流入口での温度が283.15Kに低下します。この温度は、そこから1秒間は283.15Kに維持されますが、1.4秒から1.6秒の間に初期状態まで上昇します。流路長を0.6356mとすると、スラグの通過時間は約1.6秒になります。したがって、スラグの期間と通過時間を考慮したシミュレーションとするには、その時間を3.2秒以上とする必要があります。熱条件が定常状態に復帰するまでに要する時間を見込むと、シミュレーションの合計時間は4.5秒になります。

大きい入口では、温度が295Kから283.15Kに変化し、小さい入口では320Kから283.15Kに変化します。大きい入口で、初期温度に対してコールドスラグの温度が示す比率は0.9598です。小さい入口の流れの初期温度に対するコールドスラッグの温度の比率は0.8848です。これらの値は、入口での過渡温度をモデル化するMultiplier Functionの作成時に使用されます。



図 3.

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-T3101_MixingElbowTransient.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ConjugateHeatTransfer_Transient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ConjugateHeatTransfer_Transient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。

定常状態シミュレーションの実行

この手順では、用意されているモデルファイルを使用して定常状態シミュレーションを実行し、過渡シミュレーションで必要な節点初期状態ファイルを作成します。すべてのコンポーネントのメッシュが表示されるようになっていることを確認します。

  1. 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。
  2. 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。
  3. 解析が収束した後、AcuProbeウィンドウとAcuTailウィンドウを閉じます。また、Solver job LauncherタブとAcuSolve Controlタブも閉じます。
  4. Windowsのスタートメニューからコマンドプロンプトを起動するため、スタート > Altair <バージョン> > AcuSolve Cmd Promptをクリックします。
  5. コマンドプロンプトでcdコマンドを使用して、ディレクトリを作業ディレクトリに変更します。
  6. acuProj -crd HYPERMESH.DIR\ConjugateHeatTransfer_Transient.crd -run 1コマンドを入力してEnterキーを押します。
  7. 次の新しいファイルが作業ディレクトリに置かれていることを確認します。

    ConjugateHeatTransfer_Transient.pres.nic
    ConjugateHeatTransfer_Transient.vel.nic
    ConjugateHeatTransfer_Transient.temp.nic
    ConjugateHeatTransfer_Transient.eddy.nic

  8. HYPERMESH.DIRフォルダーの作業ディレクトリにこれらの.nicファイルを移動します。

過渡解析パラメータの設定

解析パラメータの設定

  1. Solver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. Analysis typeをEntity EditorでTransientに変更します。


    図 4.

ソルバー設定

  1. Solverブラウザで、01.Globalの下の02.SOLVER_SETTINGSをクリックします。
  2. Entity Editorで、Max time stepsを0に設定します。
  3. Final timeを4.5 secに設定します。
  4. Initial time incrementを0.053secに設定します。
  5. Convergence toleranceが0.001に設定されていることを確認します。
  6. Min stagger iterationsを2、Max stagger iterationsを5にそれぞれ設定します。
  7. Relaxation factorを0.0に変更します。
  8. Flow欄とTurbulence欄をOffに設定します。


    図 5.

節点出力頻度の設定

  1. Solverブラウザで17.Outputを拡張表示し、NODAL_OUTPUTをクリックします。
  2. Entity Editorで、Time step frequencyを3に、Time frequencyを0に設定します。
  3. Output initial condition欄をOnにします。


    図 6.
  4. モデルを保存します。

過渡流入境界条件と節点初期状態の指定

この手順は、Multiplier Functionの作成から開始し、両方の入口の過渡境界条件を指定します。つづいて、流れ場と温度場の節点初期状態を指定します。

Multiplier Functionの作成

まず、Mutlplier Functionタイプに使用するスケーリング関数の曲線を作成します。

  1. Modelブラウザの空白部分を右クリックし、Create > Curveの順に選択します。
    Curve editorダイアログが開きます。
  2. Newをクリックし、パネル領域で名前としてLarge_Inletと入力します。
  3. Proceedをクリックします。
  4. Curve editorダイアログで、曲線の配列として次の値を入力します。


    図 7.
  5. Updateをクリックします。
  6. もう一度Newをクリックし、2番目の曲線の名前としてSmall_Inletと入力してProceedをクリックします。
  7. Curve editorダイアログの左上隅にあるSmall_Inletをクリックし、配列として次の値を入力します。
    Current curvesにSmall_Inletと表示されていることを確認します。


    図 8.
  8. Updateをクリックします。
    次の図に示すように両方の曲線が表示されます。
    図 9.
    注: 曲線のデフォルトの色は灰色ですが、この色はCurve editorダイアログの左下隅にあるColorオプションを使用して変更できます。

    次に、両方の入口のMultiplier Functionを作成します。

  9. Solver Browserで05.Multiplier_Functionを右クリックしてCreateを選択します。
  10. 関数の名前としてLarge_Inletと入力します。
  11. Multiplier Function TypeとしてPiecewise Linearを選択します。
  12. CurveとしてLarge_Inletを選択します。


    図 10.
  13. ここまでの4つの手順を繰り返し、CurveがSmall_Inletで名前がSmall_InletのMultiplier Functionを作成します。

節点初期状態の指定

この手順では、まず、すべての節点における圧力、速度、温度、渦粘性の初期値を指定し、つづいて両方の入口の過渡境界条件を指定します。

  1. Solverブラウザで01.Globalを拡張表示し、03.NODAL_INITIAL_CONDITIONをクリックします。
  2. Entity EditorのPressureタブで、TypeをNodal Values、Select nodes byをNIC fileにそれぞれ変更します。
  3. NICファイルの値欄でファイル選択のアイコンをクリックし、作業ディレクトリを参照してConjugateHeatTransfer_Transient.pres.nicファイルを選択します。


    図 11.
  4. Velocity、Temperature、Eddy Viscosityの各欄について手順2と手順3を繰り返し、それぞれConjugateHeatTransfer_Transient.vel.nic、ConjugateHeatTransfer_Transient.temp.nic、ConjugateHeatTransfer_Transient.eddy.nicの各ファイルを選択します。

過渡入口境界条件の指定

  1. Solverブラウザで12.Surfaces > INFLOWの順に拡張表示します。
  2. Large_Inletをクリックします。Entity EditorのSimple Boundary Conditionタブで、
    1. Show advanced features欄をOnにします。
    2. Temperature Multiplier FunctionのValue欄でエンティティコレクターをクリックし、Large_Inletを選択します。OKをクリックし、ダイアログを閉じます。


    図 12.
  3. 同様に、Small_InletコンポーネントをクリックしてShow advanced features欄をOnにします。Temperature Multiplier FunctionとしてSmall_Inletを選択します。
  4. 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をAllに設定します（設定されていない場合）。
  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による結果のポスト処理

解析が収束した後、AcuProbeウィンドウとAcuTailウィンドウを閉じます。HyperMeshウィンドウに移動し、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、ConjugateHeatTransfer_Transient.2.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。

温度分布アニメーションの作成

この手順では、対称サーフェス上の温度分布が時間とともに変化する様子を示すアニメーションを作成します。
  1. ResultsブラウザでComponentsのリストを拡張表示します。
  2. Isolate Shownアイコン をクリックしてから、Ctrlキーを押したままでSymmetryコンポーネントとPipe_Symmetryコンポーネントをクリックします。これにより、グラフィックスウィンドウでSymmetryコンポーネントとPipe_Symmetryコンポーネントを除くすべてのコンポーネントが非表示になります。
  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. Result typeとしてTemperature (s)を選択します。
  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をクリックすると、最初の時間ステップにおけるSymmetry平面上の温度コンターが表示されます。
  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 14.
  9. Legendタブをクリックし、つづいてEdit Legendをクリックします。
  10. Edit Legendダイアログで、TypeをDynamic Scale、Numeric formatをFixedにそれぞれ変更し、OKをクリックします。
  11. AnimationツールバーでAnimation Controlsアイコン をクリックします。
  12. Max frame Rateスライダーを1fpsまでドラッグします。
  13. Start/Pause Animationアイコン をクリックして、グラフィックス領域でアニメーションを再生します。

アニメーションの保存

  1. メニュー領域でPreferences > Export Settings > AVIの順に選択します。
  2. Export Settings AVIダイアログで、Frame rateを1fpsに設定してOKをクリックします。
  3. ImageCaptureツールバーでSave Image to Fileオプションがオンであることを確認します。


  4. Capture Graphics Area Videoアイコン をクリックします。
    Save Graphics Area Video Asダイアログが開きます。
  5. ファイルの保存先とする場所に移動し、任意のファイル名を指定してSaveをクリックします。

要約

このチュートリアルでは、HyperMeshとAcuSolveを使用して過渡共役熱伝達のシミュレーションを設定し、実行する方法を知ることができました。節点初期状態を指定する方法と、過渡境界条件を設定するMultiplier Functionを作成する方法を理解しました。最後に、HyperViewを使用して過渡シミュレーション結果のアニメーションを作成し、保存しました。