ACU-T：3110 排気マニホールドの共役熱伝達 - acuOptiStructを使用したCFDデータマッピング

前提条件

このチュートリアルでは、HyperMeshを使用して定常状態の共役熱伝達問題を設定および解析する方法を紹介してから、acuOptiStructを使用して、熱応力解析を実行するためのOptiStructのソルバーデックを生成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、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をすでに完了し、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-T3110_acuOptiStruct.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。この問題は、4つの入口と1つの出口を備えた排気マニホールドで構成されています。これらの入口には、マニホールドを取り付けるための鉄製ボルト用の穴があるフランジが設けられています。マニホールドのボディはステンレス鋼製です。


図 1. 排気マニホールドの概略図

入口の直径は0.036m、入口速度（v）は8.0m/s、入口に流入する流体の温度（T）は700Kです。出口の直径は0.036mです。管壁の板厚は0.003m、フランジの板厚は0.01mです。

燃焼混合気が入口に流入して、マニホールド内部の対流によって熱が伝達されます。この熱伝達によって、マニホールドボディ内で変形と応力が生じます。この状況はOptiStructを使用してシミュレートできます。

この問題の流体は、次のような材料特性を持つ空気です。
密度（ρ）
1.225 kg/m3
粘度（µ）
1.781 * 10-5kg/m-s
比熱（Cp）
1005 J/kg-K
伝導率（k）
0.0251 W/m-K
この排気マニホールドは、以下の材料特性を持つ鋼として設計されています。
密度（ρ）
800 kg/m3
比熱（Cp）
500 J/kg-K
伝導率（k）
16.2 W/m-K

AcuSolveのシミュレーションでは、温度による空気の材料特性の変動は無視されます。

AcuSolveのシミュレーションは、マニホールドの壁上の温度と圧力の分布を明らかにするため、定常状態の熱伝達をモデル化するように設定されます。

acuOptiStructコマンドからOptiStructの入力デックを作成するには、すべてのサーフェスについて節点サーフェス出力をアクティブにする必要があります。

OptiStructでは、ソリッドボディ内の変形と応力の計算に、接液面上の温度分布と力を使用します。

OptiStructの入力デックは、一方向の連成シミュレーション用に使用できるacuOptiStructユーティリティにより生成されます。以下の入力コマンドは、このシミュレーションにとって重要です：
-solids
対流熱伝達が生じるソリッドボディの入力名。
-den
ソリッドボディの密度値。
-spcsurfs
境界条件の拘束を指定する必要があるサーフェスのリスト。
-spcsurfsdof
サーフェスの自由度のリスト。
-spcsurfsdofvals
サーフェスの自由度値（デフォルトではゼロ）のリスト。
-type
OptiStructソルバーの応力解析タイプ。
このシミュレーションでは、拘束されるサーフェスはフランジのボルトとマニホールドの出口端部です。これらのサーフェスは6つの全自由度（平行移動と回転）で拘束されます。デフォルト値にはゼロが使用されます。


図 2.

応力解析タイプには、変形が弾性域内に収まる定常線形が選択されます。すなわち、応力（σ）はひずみ（ε）の一次関数であると想定され、フックの法則に従って応力を計算できます。

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-T3110_acuOptiStruct.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Manifold_TFSI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Manifold_TFSI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. 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. Entity Editor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 ModelをSpalart Allmarasに設定します。


    図 3.

材料プロパティと境界条件の割り当て

新しい材料モデルの作成

  1. Solverブラウザで、02.Materialsツリーを拡張表示します。
  2. SOLIDを右クリックして、Createをクリックします。
  3. Entity Editorで、名前をSteelに変更します。
  4. Densityを8000kg/m3に設定します。
  5. Specific heatを500J/kg-Kに設定します。
  6. Conductivityのを16.2W/m-kに設定します。


    図 4.

材料特性と境界条件の割り当て

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. Solver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。Entity Editorで、
    1. TypeをFLUIDに変更します。
    2. MaterialをAir_HMに設定します。


    図 5.
  3. Solidをクリックします。Entity Editorで、
    1. TypeをSOLIDに変更します。
    2. MaterialをSteelに設定します。


    図 6.
  4. Inletsをクリックします。Entity Editorで、
    1. TypeをINFLOWに変更します。
    2. Inflow typeをVelocityに設定します。
    3. Inflow velocity typeがNormalに設定されていることを確認します。
    4. Normal velocityを8.0m/secに設定します。
    5. Temperatureを700Kに設定します。
    6. Turbulence input typeをViscosity Ratioに設定します。
      材料を割り当てるための新しい欄が、Simple Boundary Conditionタブの上に表示されます。
    7. MaterialをAir_HMに設定します。
    8. Turbulence viscosity ratioを40に設定します。
    9. Surface Outputタブで、Nodal time step frequencyを100に設定します。
      これは定常状態シミュレーションであるため、acuOptiStructは、最後の時間ステップで各サーフェスの節点サーフェス出力を必要とします。Nodal time step frequencyを100に設定することで、AcuSolveは、このシミュレーションの最後の時間ステップまたは100番目の時間ステップのうち早い方の時間ステップで、節点サーフェス出力を書き込むようになります。


    図 7.
  5. Outletをクリックします。Entity Editorで、
    1. TypeをOUTFLOWに変更します。
    2. Surface Outputタブで、Nodal time step frequencyを100に設定します。
      これは定常状態シミュレーションであるため、acuOptiStructは、最後の時間ステップで各サーフェスの節点サーフェス出力を必要とします。Nodal time step frequencyを100に設定することで、AcuSolveは、このシミュレーションの最後の時間ステップまたは100番目の時間ステップのうち早い方の時間ステップで、節点サーフェス出力を書き込むようになります。


    図 8.
  6. Outlet_Endをクリックします。Entity Editorで、
    1. TypeがWALLに設定されていることを確認します。
    2. Convective heat flux coefficientを100J/m2-sec-Kに設定します。
    3. Convective heat flux reference temperatureを303Kに設定します。
    4. Surface Outputタブで、Nodal time step frequencyを100に設定します。
      これは定常状態シミュレーションであるため、acuOptiStructは、最後の時間ステップで各サーフェスの節点サーフェス出力を必要とします。Nodal time step frequencyを100に設定することで、AcuSolveは、このシミュレーションの最後の時間ステップまたは100番目の時間ステップのうち早い方の時間ステップで、節点サーフェス出力を書き込むようになります。


    図 9.
  7. Outer_Wallをクリックします。Entity Editorで、
    1. TypeがWALLに設定されていることを確認します。
    2. Convective heat flux coefficientを100J/m2-sec-Kに設定します。
    3. Convective heat flux reference temperatureを303Kに設定します。
    4. Surface Outputタブで、Nodal time step frequencyを100に設定します。
      これは定常状態シミュレーションであるため、acuOptiStructは、最後の時間ステップで各サーフェスの節点サーフェス出力を必要とします。Nodal time step frequencyを100に設定することで、AcuSolveは、このシミュレーションの最後の時間ステップまたは100番目の時間ステップのうち早い方の時間ステップで、節点サーフェス出力を書き込むようになります。


    図 10.
  8. Inner_Wall_Fluidをクリックします。Entity Editorで、
    1. TypeがWALLに設定されていることを確認します。
    2. Surface Outputタブで、Nodal time step frequencyを100に設定します。
      これは定常状態シミュレーションであるため、acuOptiStructは、最後の時間ステップで各サーフェスの節点サーフェス出力を必要とします。Nodal time step frequencyを100に設定することで、AcuSolveは、このシミュレーションの最後の時間ステップまたは100番目の時間ステップのうち早い方の時間ステップで、節点サーフェス出力を書き込むようになります。


    図 11.
  9. Inner_Wall_Solidをクリックします。Entity Editorで、
    1. TypeがWALLに設定されていることを確認します。
    2. Surface Outputタブで、Nodal time step frequencyを100に設定します。
      これは定常状態シミュレーションであるため、acuOptiStructは、最後の時間ステップで各サーフェスの節点サーフェス出力を必要とします。Nodal time step frequencyを100に設定することで、AcuSolveは、このシミュレーションの最後の時間ステップまたは100番目の時間ステップのうち早い方の時間ステップで、節点サーフェス出力を書き込むようになります。


    図 12.
  10. Flangeをクリックします。Entity Editorで、
    1. TypeがWALLに設定されていることを確認します。
    2. Convective heat flux coefficientを100J/m2-sec-Kに設定します。
    3. Convective heat flux reference temperatureを303Kに設定します。
    4. Surface Outputタブで、Nodal time step frequencyを100に設定します。
      これは定常状態シミュレーションであるため、acuOptiStructは、最後の時間ステップで各サーフェスの節点サーフェス出力を必要とします。Nodal time step frequencyを100に設定することで、AcuSolveは、このシミュレーションの最後の時間ステップまたは100番目の時間ステップのうち早い方の時間ステップで、節点サーフェス出力を書き込むようになります。


    図 13.
  11. Flange_Boltsをクリックします。Entity Editorで、
    1. TypeがWALLに設定されていることを確認します。
    2. Convective heat flux coefficientを100J/m2-sec-Kに設定します。
    3. Convective heat flux reference temperatureを303Kに設定します。
    4. Surface Outputタブで、Nodal time step frequencyを100に設定します。
      これは定常状態シミュレーションであるため、acuOptiStructは、最後の時間ステップで各サーフェスの節点サーフェス出力を必要とします。Nodal time step frequencyを100に設定することで、AcuSolveは、このシミュレーションの最後の時間ステップまたは100番目の時間ステップのうち早い方の時間ステップで、節点サーフェス出力を書き込むようになります。


    図 14.
  12. メニューバーで、BCs > Components > Auto Wall > Deactivateの順に移動します。すべての壁サーフェスについて、Auto Wallが非アクティブになっていることを確認します。
    OptiStructのソルバーデックを作成するために、acuOptiStructでは、すべてのサーフェス上（境界面の流体側とソリッド側を含む）で簡易境界条件とサーフェス出力が設定されている必要があります。したがって、acuOptiStructユーティリティの使用時は、どの壁サーフェスに対しても自動壁は使用できません。
  13. Solverブラウザで、Inner_Wall_Fluidコンポーネントをクリックします。Entity Editorで、Interface SurfaceのDisplayオプションをアクティブにして、Activate interface surfaceをOnに設定します。


    図 15.
  14. 同様に、Inner_Wall_Solidコンポーネントをクリックして、Interface SurfaceのDisplayオプションをアクティブにして、Activate interface surfaceをOnに設定します。


    図 16.
  15. モデルを保存します。

節点出力頻度の定義

  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が1000に設定されていることを確認します。
    このように設定すると、最後の時間ステップまたは解が収束する時間ステップのうち早い方の時間ステップで、節点出力が格納されます。
    注: 過渡シミュレーションの場合は、グローバル節点出力と個々の節点サーフェス出力の両方について、節点出力頻度を1に設定する必要があります。
  3. モデルを保存します。

解の計算

  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. Export optionsチェックボックスをアクティブにし、Always two layers for interfacesチェックボックスをオフにします。
    流体と領域の間の境界面を既に分割しているため、このオプションをアクティブにする必要はありません。
  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 17.
    Launchボタンをクリックすると、AcuTailウィンドウとAcuProbeウィンドウが自動的に開きます。AcuTailウィンドウ内の実行サマリーは、ソルバー実行が完了していることを示します。実行が完了したら、AcuTailウィンドウとAcuProbeウィンドウを閉じてかまいません。


    図 18.

acuOptiStructを使用したOptiStructソルバーデックの生成

AcuSolveの解が計算されたので、‘acuOptiStruct’ユーティリティを使用してOptiStructの入力デックを生成し、HyperWorks Solver Run Managerを使用してケースを実行する準備ができています。シンプルなユーティリティであるHyperWorks Solver Run Managerでは、適切な入力ファイル（複数可）を選択して、表示される欄にオプション（必要な場合）を入力することで、任意のHWソルバーを起動できます。OptiStructは業界で実績のある最新の構造解析ソルバーであり、静的 / 動的荷重下の線形 / 非線形構造問題に対応しています。OptiStructは、スタートメニューから直接起動できます。

acuOptiStructは、AcuSolveの共役熱伝達CFDシミュレーションから得られる流れデータと熱データを使用して、温度荷重と圧力荷重を指定し、OptiStructを使用して熱応力解析を実行するために必要なファイルを生成します。acuOptiStructは、AcuSolveシミュレーションの完了後に実行され、AcuSolveの実行から得られるソリッド要素のメッシュデータ、およびソリッドメッシュの接液面上の対流熱伝達情報を書き出します。データはOptiStructフォーマットで直接記述され、メッシュから別のメッシュへの結果投影に起因するデータ損失が排除されるとともに、温度と熱伝達係数の空間的変動での忠実性が追加されます。

次の手順では、.femファイルを生成するための必要なオプションを指定してacuOptiStructコマンドを実行します。その後、OptiStructを使用して構造問題を解析します。

  1. 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。
  2. cdコマンドを使用して、AcuSolveの結果が格納されている作業ディレクトリに移動します。
  3. 次のコマンドを実行します。

    acuOptiStruct -solids Solids -spcsurfs Flange_Bolts,Outlet_End -spcsurfsdof 123456,123456 -spcsurfsdofvals 0,0 -type sl

    このコマンドは、指定された拘束サーフェスとそれらのサーフェスの自由度を使用して、流れ解析の温度場からOptiStructの入力デックを生成します。analysis typeはsteady linearに設定されています。


    図 19.
  4. Windows のスタートメニューからスタート > Altair <バージョン> > OptiStructをクリックして OptiStructを起動します。
  5. Input File(s)の横の をクリックします。
  6. 作業ディレクトリとして使用する場所に移動します。
  7. .femファイルを選択します。


    図 20.
  8. Runをクリックしてケースを実行します。
    実行が完了すると、HyperWorks Solver ViewのRun summaryウィンドウに“OptiStruct Job Completed”と表示されます。


    図 21.

HyperViewによる結果のポスト処理

OptiStructの実行が完了したら、HyperWorks Solver Viewダイアログを閉じます。HyperMesh Desktopウィンドウで、AcuSolve ControlダイアログとSolver job Launcherダイアログを閉じます。次のいくつかの手順では、流体領域上の温度と圧力のコンターと、ソリッド領域上の変位と応力のコンターをプロットします。

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 22.
  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、Manifold_TFSI.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。

温度と圧力のコンタープロットの作成

  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. パネル領域で、Result typeをTemperature (s)に設定します。
  3. パネル領域で、Applyをクリックして温度コンターをプロットします。


    図 23.
  4. ResultsブラウザでComponentsのリストを拡張表示します。
  5. Isolate Shownアイコン をクリックしてから、Inner_Wall_Fluid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、Inner Wall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。
  6. パネル領域で、Result typeをPressure (s)に変更します。
  7. Applyをクリックして圧力コンターをプロットします。


    図 24.

OptiStructの結果の読み込み

  1. PageControlsツールバーのPage Window Layoutアイコン の横にあるドロップダウンをクリックします。


    図 25.
  2. ドロップダウンメニューで、左右に並んだ2ウィンドウレイアウトのアイコンを選択します。


    図 26.
  3. 新規作成されたグラフィックスウィンドウ内をクリックし、Load Results アイコンをクリックします。
  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、Manifold_TFSI_steady23.h3dを選択します。
  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、OptiStructの結果ファイルからモデルと結果を読み込みます。
    OptiStructソルバーデックの生成時にソリッドのみが含まれているため、このモデルにはソリッド領域のみが含まれていることを確認します。

変位と要素応力のコンタープロットの作成

  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. パネル領域で、Result typeをDisplacement (v)に設定します。
  3. Applyをクリックして、変位の大きさのコンターをプロットします。


    図 27.
  4. パネル領域で、Result typeをElement Stresses (2D & 3D) (t)に変更して、下のドロップダウンからvonMisesを選択します。
  5. Applyをクリックします。


    図 28.

要約

このチュートリアルでは、HyperMeshを使用して共役熱伝達問題を設定し、AcuSolveを使用してこの問題を解析する方法を知ることができました。解を計算した後に、acuOptiStructを使用してOptiStructの入力デックを生成しました。構造解析の解が計算された後に、HyperViewを使用して結果をポスト処理し、温度、圧力、変位、応力のコンタープロットを作成しました。