ACU-T：3201 太陽放射と熱シェルのチュートリアル

前提条件

このチュートリアルでは、AcuSolveとHyperMeshを使用して、太陽放射と熱シェルに関するCFDシミュレーションを設定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-T3201_SolarRadiation.hm およびSolarLoad.dat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

ここで扱う問題を、図 1に概略的に示しています。このモデルは、中央に長椅子と椅子が配置されたアトリウムで構成されています。空気は吸気口からアトリウムに流入し、排気口から出て行きます。アトリウムの前面部は、アルミニウム製フレームで支えられたガラス壁で構成されています。このアルミニウム製フレームは熱シェルとしてモデル化されるため、このチュートリアルでは、HyperMeshで過渡太陽放射シミュレーションと熱シェルを設定するプロセスを紹介します。

図 1.

太陽放射のパラメータ

AcuSolveは、理想的なグレーサーフェスの太陽放射モデルを使用して太陽熱流束を計算します。これらの流束は、光線追跡アルゴリズムと5つのサーフェス光学特性、正透過（

τ_{s}

）、拡散透過（

τ_{d}

）、鏡面反射（

ρ_{s}

）、拡散反射（

ρ_{d}

）、および吸収（

α

）を使用して計算されます。

正透過は、光子が方向を変えずにサーフェスを真っ直ぐ通過する場合に生じます。拡散透過では、光子は、サーフェスを貫通しますが、その放出エネルギーは、半球上で均等な立体角分布で分散され、投射先のサーフェス領域によって重み付けされます。鏡面反射では、反射角と入射角が一致します。拡散反射は、放出エネルギーが分散される半球が入射光子と同じ側のサーフェスにあることを除いて、拡散透過と同じです。最後に、光子はサーフェスによって吸収される場合があります。この5つの相互作用は、以下の制約を受ける５つのサーフェス特性に関連付けられます。(1)

τ_{s} (θ) + τ_{d} (θ) + ρ_{s} (θ) + ρ_{d} (θ) + α (θ) = 1

ここで、

$τ_{s}$: 正透過率
$τ_{d}$: 拡散透過率
$ρ_{s}$: 鏡面反射率
$ρ_{d}$: 拡散反射率
$α$: 吸収率
$θ$: 入射角

太陽放射熱流束を計算するには、太陽放射サーフェスをその指定サーフェス上で定義する必要があります。

このチュートリアルでは、太陽流束荷重は、AcuSolveで使用可能なacuSfluxスクリプトを使用して生成されたデータファイルという形式で提供されます。このスクリプトを使用して、4列からなる配列の太陽流束ベクトルデータ値が含まれたデータファイルを生成できます。このチュートリアルでは、区分線形タイプを使用して、アトリウムでの日の出から日の入りまでのパターンをエミュレートします。

たとえば、地理的座標がわかっている場所の太陽荷重データファイルを生成するには、AcuSolveのコマンドプロンプトで次のコマンドを入力します： acuSflux -time "dec-3-2019 11:00:00" -tinc 1800 -nts 25 -lat 42.6064 -lon -83.1498 -ndir "1,0,0" -udir "0,0,1"

それぞれの意味は次のとおりです。

time: GMTの開始時刻（例：“dec-3-2019 21:00:00”）
tinc: 秒単位の時間増分
nts: 離散時間ステップの数
lat: 場所の緯度座標（度単位、北緯）（例：45.112または-37.56（37.56 Sと等しい））
lon: 場所の経度座標（度単位、東経）（例：86.26または-54.84（54.84 Wと等しい））
ndir: モデル座標内の北方向単位ベクトル（二重引用符で囲む）（例：“0,1,0”）
udir: モデル座標内の上方向単位ベクトル（二重引用符で囲む）（例：“0,1,0”）

熱シェルのモデル化

AcuSolve内の熱シェルは、サーフェス要素から物理的板厚がゼロの体積シェル要素を作成する機能です。この機能は、コンポーネントの板厚が薄すぎるために、ソリッド媒体としてモデル化できない場合に役立ちます。熱シェルは、板厚と材料モデルがそれぞれ異なる複数の層を持つことができます。熱シェルの概略図を以下に示します。

サーフェス上に熱シェルを定義する際は、2セットの境界条件が必要です。1セットはPrimary Wallサーフェス（Shell Inner）用であり、もう1セットはShell Outer Wallサーフェス用です。このチュートリアルでは、外側シェルサーフェス上に太陽放射サーフェスを定義することで、このサーフェスが太陽熱流束を受け取るようにする一方で、内側シェルサーフェスはデフォルトの壁としてモデル化されます。

HyperMeshモデルデータベースを開く

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。
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。
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-T3201_SolarRadiation.hmを選択してOpenをクリックします。
File > Save Asをクリックします。
Save Model Asダイアログが開きます。
名前をAtrium_Solar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。
データベースのファイル名としてAtrium_Solarと入力するか、別の名前を入力します。
保存をクリックしてデータベースを作成します。

シミュレーションパラメータの設定

一般的なシミュレーションパラメータの設定

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。
Entity Editorで、Analysis typeをTransientに変更します。
Temperature equationをAdvective Diffusiveに設定します。
Turbulence modelをLaminarに設定します（まだ設定されていない場合）。

図 4.

ソルバー設定

Solverブラウザで、01.Globalの下の02.SOLVER_SETTINGSをクリックします。
Entity Editorで、Max time stepsを0に設定します。
Final timeを30 secに設定します。
Initial time incrementを1secに設定します。
Max stagger iterationsを3に設定します。
Relaxation factorを0に変更します。
FlowおよびTemperature がオンになっていることを確認します。

図 5.

太陽放射パラメータの設定

Solverブラウザで、01.Globalの下の05.SOLAR_RADIATION_PARAMETERSをクリックします。
Entity Editorで、Curve fit optionsをDat fileに変更します。
Dat file欄の横のファイルを開くためのアイコンをクリックして、SolarLoad.datを保存した場所に移動し、このファイルを開きます。
残りのオプションはデフォルトのままにします。

図 6.
モデルを保存します。

材料プロパティと境界条件の割り当て

太陽放射モデルの作成

Solverブラウザで、08.Solar_Radiation_Modelを右クリックし、Createを選択します。
Entity Editorで、これにGlassという名前を付けます。
Specular Transmissivityを0.8に設定します。
Diffusive Transmissivityを0.08に設定します。
Specular reflectivityを0.01に設定します。
Diffusive reflectivityを0.01に設定します。

図 7.

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。

Solverブラウザで12.Surfaces > WALLの順に拡張表示します。
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 8.
Wallsをクリックします。Entity Editorで、
1. TypeがWALLに設定され、Temperature BC typeがFluxに設定されていることを確認します。
2. Convective heat flux coefficientを20.0J/m²-sec-Kに設定します。
3. Convective heat flux reference temperatureを283.15Kに設定します。
  
  図 9.
4. Solar Radiation Surfaceタブで、Display欄をオンにします。Activate solar radiation surfaceオプションをOnに設定します。TypeをOutwardに設定します。Solar radiation modelをSolar Radiation Black Bodyに設定します。
  
  図 10.
5. Surface Outputタブで、Activate Surface OutputをOnに設定し、Nodal time step frequencyを1に設定します。
  
  図 11.
Inletをクリックします。Entity Editorで、
1. TypeをINFLOWに変更します。
2. Inflow velocity typeをCartesianに設定します。
3. X、Y、およびZ velocityをそれぞれ0、22.78、-39.45m/secに設定します。
4. 流入流体のTemperatureを295.35Kに設定します。
  
  図 12.
5. Solar Radiation Surfaceタブで、Display欄をオンにします。Activate solar radiation surfaceオプションをOnに設定します。TypeをOutwardに設定します。Solar radiation modelをSolar Radiation Black Bodyに設定します。
  
  図 13.
Outletをクリックします。Entity Editorで、TypeをOUTFLOWに変更します。

図 14.
Glassをクリックします。Entity Editorで、
1. TypeがWALLに設定され、Temperature BC typeがFluxに設定されていることを確認します。
2. Convective heat flux coefficientを20.0J/m²-sec-Kに設定します。
3. Convective heat flux reference temperatureを283.15Kに設定します。
  
  図 15.
4. Solar Radiation Surfaceタブで、Display欄をオンにします。Activate solar radiation surfaceオプションをOnに設定します。TypeをBothに設定します。Solar radiation modelをGlassに設定します。
  
  図 16.
5. Surface Outputタブで、Activate Surface OutputをOnに設定し、Nodal time step frequencyを1に設定します。
  
  図 17.
Floorをクリックします。Entity Editorで、
1. TypeがWALLに設定され、Temperature BC typeがFluxに設定されていることを確認します。
2. Solar Radiation Surfaceタブで、Display欄をオンにします。Activate solar radiation surfaceオプションをOnに設定します。TypeをInwardに設定します。Solar radiation modelをSolar Radiation Black Bodyに設定します。
3. Surface Outputタブで、Activate Surface OutputをOnに設定し、Nodal time step frequencyを1に設定します。
図 18.
Glass_wallsをクリックします。Entity Editorで、
1. TypeをTHERMAL_SHELLに変更します。
2. Number of shell layersを1に設定します。
3. Shell thicknessを0.025mに設定します。
4. Shell MaterialをAluminum_HMに設定します。
5. Primary Wallの境界条件については、デフォルト値のままにします。
  
  図 19.
6. Select Wall Boundary Conditionの値をPrimary WallからShell Outer Wallに変更します。
7. Convective heat flux coefficientを20J/m²-sec-Kに設定し、Convective heat flux reference temperatureを283.15Kに設定します。
8. Solar Radiation Surfaceタブで、Display欄をオンにします。Activate solar radiation surfaceオプションをOnに設定します。TypeをOutwardに設定します。Solar radiation modelをSolar Radiation Black Bodyに設定します。
9. Surface Outputタブを開いて、Activate Surface OutputをOnに設定し、Nodal time step frequencyを1に設定します。
図 20.
Chair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. Solar Radiation Surfaceタブで、Display欄をオンにします。Activate solar radiation surfaceオプションをOnに設定します。TypeをDefaultに設定します。Solar radiation modelをSolar Radiation Black Bodyに設定します。
3. Surface Outputタブで、Activate Surface OutputをOnに設定し、Nodal time step frequencyを1に設定します。
図 21.
モデルを保存します。

節点初期状態の定義

Solverブラウザで、01.Globalの下の03.NODAL_INITIAL_CONDITIONをクリックします。
Entity Editorで、Temperatureのデフォルト値を288.15Kに変更します。

節点出力頻度の設定

Solverブラウザで17.Outputを拡張表示し、NODAL_OUTPUTをクリックします。
Entity Editorで、Time step frequencyを1に設定します。
Output initial conditionチェックボックスをアクティブにします。
モデルを保存します。

解の計算

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。
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。
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。
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。

HyperViewを使用した結果のポスト処理

この手順では、実行時間全体にわたる太陽熱流束と温度のアニメーションを作成します。ソルバーの実行が完了したらAcuProbeウィンドウとAcuTailウィンドウを閉じます。HyperMesh Desktopウィンドウで、AcuSolve Controlタブを閉じ、モデルを保存します。

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

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.
リストから、HyperViewを選択します。
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。
Load model and resultsパネルで、Load modelの隣にあるをクリックします。
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、Atrium_Solar.1.Logです。
Openをクリックします。
パネル領域で、Reader Optionsをクリックします。
Reader Optionsダイアログで、ReaderをAcuSolve Result Reader、Extended nodal outputオプションをYesに設定し、OKをクリックします。

図 23.
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。

温度コンターのアニメーションの作成

この手順では、まず温度値を華氏単位でプロットするための式を作成します。次に、床、ガラス壁、およびメインサーフェス上の温度のアニメーションを作成します。

メニューバーから、Results > Create > Derived Resultsの順に移動します。
Expression Builderダイアログで、式のラベル（名前）としてTemperature_fahrenheit と入力します。
Expressionテキストボックスに、次の式を入力します：1.8*(
TableオプションをTemperatureに設定し、Resourceをmodelに設定します。次に、Insertをクリックして温度変数を式に追加します。
下図に示すとおり式の残り部分を入力して、式を完成させます。

‘R1.S16’という項は、ケルビン単位の温度（スカラー）変数に対応しています。式に変数を挿入するには、Tableオプションで目的の変数を選択し、Insertをクリックします。スカラー変数の実際のIDは、各自のシミュレーションでは異なる場合があります。

図 24.
OKをクリックして変更を適用し、ダイアログを閉じます。
ResultsブラウザでComponentsのリストを拡張表示します。Floor、Glass_walls Shell Outer、およびChairの各サーフェス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 25.
グラフィックスウィンドウで、モデルを回転して、ガラス壁と椅子がよく見えるようにします。
ResultsツールバーでをクリックしてContourパネルを開きます。
パネルエリアで、Result typeをTemperature_fahrenheit (s)に設定します。
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。
Applyをクリックします。
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 26.
Legendタブに移動して、Edit Legendをクリックします。
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。
Animationツールバーのをクリックして、温度のアニメーションを再生します。
Animation Controlsアイコンをクリックします。パネル領域で、スライダーをドラッグしてMax Frame Rateを5 Frames/Secに設定します。

図 27.

図 28.

太陽熱流束のアニメーションの作成

ResultsツールバーでをクリックしてContourパネルを開きます。
パネルエリアで、Result typeをSolar_heat_flux (s)に設定します。
Applyをクリックします。

図 29.
ImageCaptureツールバーで、Capture Graphics Area Videoアイコンをクリックします。
Save Graphics Area Video Asダイアログで、アニメーションを保存するディレクトリに移動し、アニメーションに名前を付けて（例： solar heat flux animation）、Saveをクリックします。

要約

このチュートリアルでは、太陽放射と熱シェルに関するCFD解析を設定して解析する方法を知ることができました。まずHyperMeshモデルデータベースをインポートし、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。解を計算した後に、HyperViewを使用して結果をポスト処理しました。また、HyperViewで式を作成し、得られた結果を使用してプロットを作成する方法も知ることができました。