ACU-T：3200 密閉放射モデルを使用したシンプルなヘッドランプ内の放射熱伝達

前提条件

このチュートリアルでは、HyperWorks CFD内の密閉放射モデルを使用して、ヘッドランプ内の熱放射を設定するためのワークフローを説明します。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、HyperWorks CFD、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HyperWorks CFD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、HyperWorksCFD_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-T3200_headlamp.x_t をHyperWorksCFD_tutorial_inputs.zipから取り出します。

問題の説明

ここで解析する問題を図 1および図 2に図示します。この問題は、ハウジング、レンズ、およびバルブによる簡易ヘッドランプで構成されています。バルブ内部の空洞は空気で満たされ、バルブのワット数は1Wで体積発熱源としてモデル化されます。流体ボリュームで自然対流の影響を考慮するため、空気にはBoussinesq密度モデルが使用されます。バルブで生成された熱は、バルブからハウジングへの伝導、空気ボリューム内の自然対流、およびバルブサーフェスからその他のサーフェスへの放射の3つの方法によって伝達されます。ヘッドランプの外側サーフェスの外部基準温度は300Kです。サーフェス間の放射をシミュレートするには、密閉放射モデルを使用します。


図 1.
AcuSolveでの密閉放射手法では、形態係数の計算と熱流束の追加という2ステップのプロセスが行われます。形態係数は、あるサーフェスからの放射のうち、別のサーフェスに入射する比率を示します。ソルバーの実行時には、形態係数が計算され、エネルギー方程式に放射熱流束が加えられます。これらの放射熱流束は、シュテファン・ボルツマンの法則を使用して、形態係数に基づいて計算されます。密閉放射モデルは流体媒体でのみサポートされます。


図 2.

HyperWorks CFDの起動とHyperMeshモデルデータベースの作成

  1. Windows のスタートメニューからスタート > Altair <バージョン> > HyperWorks CFDをクリックして HyperWorks CFDを起動します。
    HyperWorks CFDが読み込まれると、Geometryリボンが表示されます（デフォルト）。
  2. 以下の方法のいずれかで新規.hmデータベースを作成します。
    • メニューバーで、File > Saveをクリックします。
    • HomeツールのFilesツールグループからSave Asツールをクリックします。


      図 3.
  3. Save File Asダイアログで、データベースを保存したいディレクトリを指定します。
  4. データベース名として Headlamp_Enclosureを入力して、Saveをクリックします。
    このディレクトリが解析用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。

形状のインポート検証

形状のインポート

  1. メニューバーからFile > Import > Geometry Modelをクリックします。
  2. Import Fileダイアログで、作業ディレクトリに移動し、 ACU-T3200_headlamp.x_tを選択してOpenをクリックします。
  3. Geometry Import Optionsダイアログで、すべてのオプションをデフォルト設定にしたままImportをクリックします。


    図 4.


    図 5.

形状の検証

  1. GeometryリボンからValidateツールをクリックします。


    図 6.
    Validateツールでは、モデル全体をスキャンしてサーフェスおよびソリッドのチェックを実行し、フリーエッジ、閉じたシェル、交差、重複、細長いサーフェスなど、形状内の欠陥にフラグを付けます。
    サーフェスやソリッドのエラーは、ツールの下のリストに表示されます。


    図 7.
  2. SolidChecksをクリックします。
    Solid Repairツールが開き、これを使用してモデル内の形状エラーを修正できます。
    SolidChecks凡例から、モデルのソリッドに5つの交差があることがわかります。


    図 8.
  3. Intersectionsをクリックします。
    交差しているソリッドの修正に使用されるガイドバーが表示されます。
  4. オプション: および をクリックして各エラーを確認します。
  5. Keep common interfaceオプションをアクティブにして、Combine Allをクリックします。
    今度はSolidChecks凡例のすべてのエラーについてゼロが表示されています。
  6. もう一度Validateツールをクリックします。
    ツールアイコンの左上に青色のチェックマークが表示されているのがわかります。これは、何の問題も検出されず、次に進む準備が整ったことを示します。


    図 9.

流れのセットアップ

一般的なシミュレーションパラメータの設定

  1. FlowリボンからPhysicsツールをクリックします。


    図 10.
    Setupダイアログが開きます。
  2. Physics modelsの設定で
    1. Time marchingが Steadyに設定されていることを確認してください。
    2. TurbulenceモデルとしてLaminarを選択します。
    3. Include gravitational accelerationチェックボックスを有効にして、y 方向の重力を -9.81に設定します。
    4. Heat transferチェックボックスを有効にします。


    図 11.
  3. Solver controls設定をクリックし、Thermal flow方程式をアクティブにします。


    図 12.
  4. ダイアログを閉じ、モデルを保存します。

材料モデルの定義

  1. FlowリボンからMaterial Libraryツールをクリックします。


    図 13.
    Material Libraryダイアログが開きます。
  2. My Materialsタブをクリックします。
  3. をクリックして新しい流体材料モデルを追加します。
  4. 材料の作成ダイアログで左上の名前をクリックし、材料の名前をAir_Boussinesqに変更します。
  5. Densityタブで、
    1. TypeをBoussinesqに設定します。
    2. Densityの値を1.225に設定します。
    3. Expansivityの値を0.00347222に設定します。
    4. Reference temperatureの値を288に設定します。


    図 14.
  6. Specific Heatタブをクリックし、Specific heatの値を1005に設定します。


    図 15.
  7. Viscosityタブをクリックし、Viscosityの値を1.781e-05に設定します。


    図 16.
  8. Conductivityタブをクリックし、Conductivityの値を0.02521に設定します。


    図 17.
  9. 材料の作成ダイアログを閉じ、Material Libraryダイアログに戻ります。
  10. SettingsメニューでSolidを選択し、My Materialsタブをクリックしてから、 をクリックし、新しいソリッド材料モデルを作成します。
  11. この材料にPlasticという名前を付け、次の値を設定します。
    各特性で、TypeはConstantにする必要があります。
    • Density：1270
    • Specific Heat：1900
    • Conductivity：0.2
  12. 材料の作成ダイアログを閉じ、Material Libraryダイアログに戻ります。
  13. 同様に、ArniteおよびLEDという名前の新しいソリッド材料モデルを、次の特性で作成します。
    各特性で、TypeはConstantにする必要があります。
    Arnite：
    • Density：1670
    • Specific Heat：2050
    • Conductivity：1.6
    LED：
    • Density：5500
    • Specific Heat：0.3
    • Conductivity：5.0


    図 18.
  14. すべてのダイアログを閉じ、モデルを保存します。

材料プロパティの割り当て

  1. FlowリボンからMaterialsツールをクリックします。


    図 19.
  2. 下の図でハイライト表示されているレンズボリュームをクリックし、MaterialドロップダウンメニューからArniteを選択します。


    図 20.
  3. ガイドバーでをクリックすると、コマンドが実行されますが、ツールは終了しません。
  4. ハウジングボリュームをクリックし、Plastic材料モデルを割り当てます。


    図 21.
  5. ガイドバーでをクリックすると、コマンドが実行されますが、ツールは終了しません。
  6. Materials凡例で、Airを右クリックして、Isolateを選択します。
  7. 空気ボリュームをクリックし、Air_Boussinesq材料モデルを割り当てます。


    図 22.
  8. ガイドバーでをクリックすると、コマンドが実行されますが、ツールは終了しません。
  9. Materials凡例で、Airを右クリックして、Isolateを選択します。
  10. バルブボリュームをクリックし、LED材料モデルを割り当てます。


    図 23.
  11. ガイドバーでをクリックすると、コマンドが実行されてツールが終了します。
  12. モデルを保存します。

熱源の定義

  1. FlowリボンからSources > Heatツールをクリックします。


    図 24.
  2. モデリングウィンドウで、バルブボリュームを選択します。
  3. Heat Sourceダイアログで、熱源値を2049180W/m3に設定します。


    図 25.
  4. ガイドバーでをクリックすると、コマンドが実行されてツールが終了します。
  5. Escキーを押してSourcesツールを終了し、Aキーを押してすべてのソリッドの表示をオンにします。
  6. モデルを保存します。

流れ境界条件の定義

この問題では、すべてのサーフェスが壁であるため、デフォルトの壁境界条件が割り当てられます。ヘッドランプの外壁には、対流熱流束の境界条件を含むすべりのない壁境界条件が与えられます。

  1. FlowリボンからNo Slipツールをクリックします。


    図 26.
  2. モデリングウィンドウで、下の図でハイライト表示されているサーフェスを選択します。


    図 27.
  3. マイクロダイアログで、下の図に示されている値を入力します。


    図 28.
  4. Boundaries凡例でWallをダブルクリックし、これをOuterwallsという名前に変更して、Enterキーを押します。
  5. ガイドバーでをクリックすると、コマンドが実行されてツールが終了します。
  6. モデルを保存します。

放射のセットアップ

この手順では、熱放射のセットアップに関連したパラメータを指定します。

放射モデル設定の定義

  1. RadiationリボンのThermal RadiationツールからPhysicsツールをクリックします。


    図 29.
    Radiation Settingsダイアログが開きます。
  2. Thermal radiationをアクティブにし、Radiation modelをEnclosureに設定します（設定されていない場合）。


    図 30.
  3. ダイアログを閉じます。

放射率モデルの定義

  1. RadiationリボンからSurface Finish Libraryツールをクリックします。


    図 31.
    Surface finish libraryが開きます。
  2. をクリックして新しい放射率モデルを追加します。
  3. エンティティ欄をダブルクリックすることにより、モデルのNameをWallsに、Emissivity値を0.7に設定します。


    図 32.
  4. ダイアログを閉じます。

表面仕上げモデルの割り当て

  1. RadiationリボンからSurface Finishツールをクリックします。


    図 33.
  2. モデル内のすべてのサーフェスを選択します。


    図 34.
  3. マイクロダイアログで、Walls放射率モデルを割り当てます。
  4. ガイドバーでをクリックすると、コマンドが実行されてツールが終了します。
  5. モデルを保存します。

メッシュの生成

このステップでは、メッシュコントロールを指定し、メッシュを作成します。

サーフェスメッシュコントロールの定義

  1. MeshリボンからSurfaceツールをクリックします。


    図 35.
  2. ウィンドウ選択の手法を使用して、モデル内のすべてのサーフェスを選択します。
  3. マイクロダイアログで、Average element sizeを0.002に設定します。


    図 36.
  4. ガイドバーでをクリックすると、コマンドが実行されてツールが終了します。

境界層コントロールの定義

  1. MeshリボンからBoundary Layerツールをクリックします。


    図 37.
  2. モデリングウィンドウで右クリックしてSelect > Advanced Select > By Material > Air_Boussinesqの順に移動します。
    すべての流体壁サーフェスを選択する必要があり、BL指定用のマイクロダイアログが表示されます。
  3. マイクロダイアログに次の値を入力します：
    • First layer thickness definition：Constant
    • First layer thickness：0.0005
    • Total number of layers：4
    • Growth method：Constant
    • Growth rate：1.3
    • Termination policy：Truncate
    • Enable surface mesh modificationオプションをアクティブにします。


    図 38.
  4. ガイドバーでをクリックすると、コマンドが実行されてツールが終了します。

ボリュームメッシュコントロールの定義

ハウジングおよびレンズのソリッドは厚みが小さいため、ボリュームメッシュが生成されたときにこれらのソリッドの厚み方向に2つの層ができるように、薄層メッシングツールを使用します。

  1. MeshリボンからVolume Meshツールをクリックします。


    図 39.
  2. ハウジングとレンズのソリッドを選択します。
  3. マイクロダイアログで、
    1. Average sizeを0.001に設定します。
    2. Growth rateを1.0に設定します。
    3. Thin layer meshingオプションをアクティブにして、Number of layersを2に設定します。


    図 40.
  4. ガイドバーでをクリックすると、コマンドが実行されてツールが終了します。

メッシュの生成

  1. MeshリボンからBatchツールをクリックします。


    図 41.
    Meshing Operations ダイアログが開きます。
  2. Mesh growth rateを1に設定します。
  3. Meshをクリックします。
    Run Statusダイアログが開きます。解析が終了すると、ステータスが更新され、ダイアログを閉じることができます。
    ヒント: メッシュジョブを右クリックし、View log fileを選択してメッシングプロセスの概要を表示します。
  4. モデルを保存します。

AcuSolveの実行

  1. SolutionリボンからRunツールをクリックします。


    図 42.
    Launch AcuSolveダイアログが開きます。
  2. Parallel processingオプションをIntel MPIに設定します。
  3. オプション: プロセッサーの数を、利用環境に合わせ、4または8に設定します。
  4. Default initial conditionsメニューを拡張表示し、Pre-compute flowオプションを無効にします。
  5. x-velocityを0に設定し、Temperatureを300に設定します。
  6. 他のオプションはデフォルト設定のままとして、Runをクリックして解析プロセスを開始します。


    図 43.
    Run Statusダイアログが開きます。解析が終了すると、ステータスが更新され、ダイアログを閉じることができます。
    ヒント: AcuSolve の実行中に、Run StatusダイアログでAcuSolveジョブを右クリックし、View Log Fileを選択して、解析のプロセスをモニターします。

HyperViewによる結果のポスト処理

ソルバー実行が完了したら、HyperViewを使用して結果を処理します。

HyperViewのオープンとモデルおよび結果の読み込み

  1. WindowsのスタートメニューからStart > All Programs > Altair <version> > HyperViewをクリックして、HyperViewを起動します。
    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、Headlamp_Enclosure.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。

温度のコンタープロットの作成

  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、AUTO Lamp5-2 SolidBody_3_3壁コンポーネントを選択して、空気ボリュームの壁を除くすべてのコンポーネントの表示をオフにします。


    図 44.
  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. パネル領域でResult typeをTemperature (s)に設定します。
  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をクリックします。
  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 45.
  9. 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。
  10. HV-DisplayツールバーのMaskアイコン をクリックします。
  11. レンズの外側サーフェス上の要素を選択します。


    図 46.
  12. パネル領域でElements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By Faceを選択し、ダイアログを閉じます。
  13. パネル領域でMask Selectedをクリックし、レンズの外側サーフェスの表示をオフにします。
    コンタープロットは下の図のようになるはずです。


    図 47.

切断面上の温度コンターと速度ベクトルの表示

この手順では、中央Z平面上に切断面を作成してから、その切断面上の温度と速度ベクトルを表示します。

  1. Resultsブラウザで、すべてのコンポーネントの表示をオンにします。
  2. HV-DisplayツールバーのSection cutアイコン をクリックします。
  3. パネル領域で、Addをクリックして、Section 1という名前の新しい切断面を作成します。
  4. Define planeセクションで、軸をZ Axisに設定し、Applyをクリックします。
  5. BaseのZ座標を0.0005に設定し、Enterキーを押します。
  6. DisplayオプションをClipping planeからCross sectionに変更します。


    図 48.
  7. Gridlineをクリックします。Gridline Optionsダイアログで、Grid lineの下のShowチェックボックスを非アクティブにして、OKをクリックします。
  8. ResultsツールバーのVectorアイコン をクリックして、Vectorパネルを開きます。
  9. パネル領域で、Result typeをVelocity (v)に設定します。
  10. Selectionドロップダウンをクリックし、オプションリストからSectionsを選択します。


    図 49.
  11. Sectionsエンティティセレクターをクリックし、Allを選択します。
  12. パネル領域で、Overlay result displayチェックボックスをアクティブにします（まだアクティブになっていない場合）。
  13. Applyをクリックします。
  14. Plotタブで、X+Y+Z Resultantオプションのみが選択されていることを確認します。
  15. Displayタブに移動して、Size scalingオプションをUniformに設定し、サイズ欄に0.0015という値を入力します。
  16. Color byオプションをDirectionに設定して、X+Y+Zの色を白に設定します。


    図 50.
  17. Sectionタブに移動して、Projectedチェックボックスをアクティブにし、Applyをクリックします。
  18. Resultsツールバーで をクリックしてContourパネルを開きます。
  19. パネル領域で、Result typeをTemperature (s)に設定します。
  20. 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。
  21. パネル領域で、ResultタブのOverlay result displayチェックボックスをアクティブにします（まだアクティブになっていない場合）。


    図 51.
  22. Applyをクリックして、切断面上の速度ベクトルとともに温度のコンタープロットを作成します。


    図 52.
    コンタープロットを拡大表示して、ヘッドランプ内の自然対流現象を確認します。


    図 53.

要約

このチュートリアルでは、HyperWorks CFDを使用して、AcuSolve内の密閉放射モデルにより、ヘッドランプ内の輻射伝熱問題を設定および解析する方法を学習しました。まず、ヘッドランプ形状ファイルをインポートし、シミュレーションパラメータと境界条件を設定しました。解が計算されたら、HyperViewを使用して結果を処理し、流体領域での温度と速度ベクトルのコンタープロットを作成しました。