ACU-T：3300 熱交換器部品のモデリング

このチュートリアルでは、HyperWorks CFDを使用した熱交換器部品のモデリングの手順を説明します。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とAcuSolve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-T3300_HeatExchanger.hm をHyperWorksCFD_tutorial_inputs.zipから取り出します。

注: このチュートリアルでは、ジオメトリのクリーンアップとメッシングに関する手順は説明しません。

問題の説明

熱交換器は、温度の異なる2つの流体間の熱交換を容易に行うために使用される機器です。通常の熱交換器には直交流と管状流という2つの別々の流れがあります。温度に応じて、流体間を隔てるソリッドを通って、熱は流体間を流れることができます。熱交換器は多数の薄板やパイプを含む非常に複雑な形状をしているので、システムレベルのシミュレーションの実行中に実際の熱交換器をモデル化するのは現実的ではありません。そうしたシナリオでは、実際の熱交換器のモデリングではなく、直交流に対する熱交換器の影響のみを考慮する簡略化されたアプローチを採用できます。このためには、AcuSolveで提供される熱交換器部品を使用します。

この熱交換器部品は直交流に対して次の2つの影響を与えます。

  1. ユーザーが入力する摩擦パラメータに基づいて計算される圧力低下。
  2. 冷却液の熱伝達パラメータに基づく加熱と徐熱。
このチュートリアルで扱う問題は、下の図に示しています。この問題には、熱交換器部品のボリュームを持ち、厚みが‘t’の円筒状の管流路があります。入口から空気が0.1m/secの速度で管に流入し、熱交換器のボリュームを経て出口から流出します。空気は熱交換器部品を通って流れるので、冷却液から熱が追加され、冷却液の徐熱合計は200Wになります。


図 1.

HyperWorks CFDの起動とHyperMeshデータベースのオープン

  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。
  2. HomeツールのFilesツールグループからOpen Modelツールをクリックします。


    図 2.
    Open File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-T3300_HeatExchanger.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。
  5. 名前をHeatExchanger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HeatExchanger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。

形状の検証

Validateツールは、モデル全体をスキャンし、サーフェスおよびソリッド上でチェックを実行して、形状に不具合（フリーエッジ、閉じたシェル、交差、重複、スライバーなど）があればフラグ付けします。

シミュレーションの物理パートに集中するために、このチュートリアルの入力ファイルにはすでに検証済みの形状が含まれています。GeometryリボンのValidateアイコンの左上隅に青色のチェックマークが表示されていることを確認します。これは、形状が有効で、フロー設定に進めることを示しています。


図 3.

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ーの設定

  1. FlowリボンからPhysicsツールをクリックします。


    図 4.
    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Spalart-Allmarasを選択します。
    3. Heat transferチェックボックスを有効にします。


    図 5.
  3. ダイアログを閉じて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 6.
  2. 3つのボリュームすべてにAirの材料素材が割り当てられていることを確認してください。
  3. ガイドバーのをクリックしてツールを終了します。

熱交換器コンポーネントの定義

  1. Flowリボンで、Domainツールセットの横の矢印をクリックしてHeat Exchangerを選択します。


    図 7.
  2. 中央のソリッドを熱交換器部品ボリュームとして選択します。


    図 8.
  3. ガイドバーで、Inletをクリックして、下に示すフェイスを熱交換器部品の入口として選択します。


    図 9.
  4. マイクロダイアログで、以下のパラメータを入力します。


    図 10.


    図 11.
  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。

流れ境界条件の定義

  1. FlowリボンからConstantツールをクリックします。


    図 12.
  2. 下図でハイライトされているInlet面をクリックします。


    図 13.
  3. マイクロダイアログの、Momentum、Turbulence、Temperatureの各タブで以下の値を入力します。


    図 14.


    図 15.


    図 16.
  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. Outletツールをクリックします。


    図 17.
  6. 下図でハイライトされている面を選択し、ガイドバーの をクリックします。


    図 18.
  7. モデルを保存します。

メッシュの生成

ソルバーの設定に焦点を当てるために、ここでは、すでに定義されているメッシュの設定を使用します。
  1. MeshリボンからBatchツールをクリックします。


    図 19.
  2. Meshing Operationsダイアログで、Mesh growth rateを 1.1に設定します（まだ設定されていない場合）。


    図 20.
  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 21.
    Launch AcuSolveダイアログが開きます。
  2. additional arguments欄に以下のテキストを入力します。-tlog -lprobe.
    これにより、AcuSolveに、シミュレーションの進行状況に応じた結果のモニターに使用されるAcuTailとAcuProbeウィンドウの起動を指示します。
  3. Parallel processingオプションをIntel MPIに設定します。
  4. 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。
  5. 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 22.

AcuProbeでのポスト処理

解析が進むに伴い、AcuTailウィンドウとAcuProbeウィンドウが自動的に開きます。サーフェス出力と残存率は、AcuProbeを使用してモニターすることができます。

  1. AcuProbeウィンドウで、Data Treeの下にあるResidual Ratioを展開し、Finalを右クリックして、Plot Allを選択します。
    注: プロットを正しく表示するために、ツールバーで をクリックする必要がある場合があります。


    図 23.
  2. 解析が収束した後、Residual RatioでFinalを右クリックしてPlot Noneを選択します。
  3. ツールバーの をクリックします。
    User Functionダイアログが開きます。
  4. NameとしてdTと入力します。
  5. Function欄でIn =と入力します。
  6. Heat Exchanger > HX Componentの順に拡張表示します。air_temperatureを右クリックしてCopy Nameをクリックします。Function欄のIn =の後に、コピーした値を貼り付けます。
  7. Function欄で改行してOut =と入力します。
  8. Heat Exchanger > HX Componentの順に拡張表示します。coolant_temperatureを右クリックしてCopy Nameをクリックします。Function欄のOut =の後に、コピーした値を貼り付けます。
  9. 次の行でvalue = Out - Inと入力します。


    図 24.
    注: 単語“value”は大文字と小文字が区別され、必ず小文字にする必要があります。先頭を大文字で入力し始めると、エラーのウィンドウが表示されます。
  10. Applyをクリックします。
    下図に示すように、この問題では温度上昇が43.30 Kになります。


    図 25.

要約

このチュートリアルでは、HyperWorks CFDを使用して、熱交換器コンポーネントを扱うシミュレーションを設定し、解析する方法を知ることができました。まず、HyperMeshの入力ファイル（形状を含む）を開き、次にシミュレーションパラメータ、熱交換器コンポーネント、流れ境界条件を定義しました。解析を計算した後、熱交換器ボリューム全体の温度上昇のプロットを作成するために、AcuProbeでユーザー関数を定義しました。