ACU-T：5100 ファンコンポーネントの係数法によるモデリング

前提条件

このシミュレーションでは、従来のファンコンポーネントを使用したファンのモデリング方法を説明します。このチュートリアルを開始する前に、入門チュートリアルであるACU-T：1000 ユーザーインターフェースをすでに完了している必要があります。また、HyperMesh CFD、AcuSolveの基本を理解しているものとします。このシミュレーションを実行するには、ライセンス供与済みバージョンのHyperMesh CFDおよび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開始するには、本チュートリアルで使用されるファイルを作業ディレクトリにコピーしてください。

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やメッシュの設定に関する手順は説明していません。

問題の説明

このチュートリアルで解析する問題を以下の図に示します。この問題には、回転速度が377rad/sec（約3600RPM）、肉厚が0.06m、先端半径が0.11mの内蔵ファンがあります。入口での体積流量は0.322675m³/sec（約1161.63m³/hr）です。この問題を定常状態の実行としてシミュレーションし、ファン領域全体の圧力上昇を計算します。

図 1.

図 1 は、簡単な軸流ファンコンポーネントの問題を表しています。このファンは、厚みが“t”で先端半径が“r”の内蔵ファンです。このシミュレーションで、流れはパイプの入り口から入ってきます。この流れは軸方向にファンに入り、出口から出て圧力の上昇を引き起こします。このファンの圧力上昇は、流入境界条件として割り当てられる、入口サーフェスでの指定の体積流量についてシミュレートできます。パイプの中央部分が、Fan_InletとFan_Outletの両方があるFan Componentです。

Fan Componentでは直接物体力の項を計算し、対象のボリューム内の圧力上昇を生じさせます。物体力は、サーフェスではなく、直接ボリュームにかかります。ユーザーが入力したファンのパフォーマンスカーブに基づいて必要な圧力上昇を生じさせるには、その領域の入口サーフェスでの体積流量を適切に評価する必要があります。

ファンコンポーネントは、物体力を運動量方程式に加えることでモデル化されます。これは次の式によってコンポーネント全体の圧力を上昇させます：

Δ P_{a x i a l} = \frac{1}{2} α_{a x i a l} ρ u_{t i p}^{2} + \frac{1}{2} ρ {\bar{u}}^{2}

ここで：

$α_{a x i a l}$ - ファンコンポーネントの軸係数
$u_{t i p}^{}$ - 先端速度（m/sec） = $ω r_{t i p}$
$ω$ - ファンの回転角速度（rad/sec）
$r_{t i p}$ - ファンの先端半径（m）
$\bar{u}$ - 入口を通過する質量の平均速度（m/sec）

ファン圧力の上昇は、ファンのパフォーマンスカーブ（P-Q）で決まり、このカーブは主に体積流量と必要なファンの圧力上昇（∆P）を得るためのファンの速度に依存します。従来のFAN_COMPONENTアプローチで使用されていたpiecewise_bilinearカーブフィット値は、正規化された流速と軸係数の関数であるため、これらはファンのパフォーマンスカーブから変換する必要があります。

正規化された流速 $(Q^{l}) = \frac{Q}{A u_{t i p}}$

ここで：

Q - 流速
A - 面積

軸係数 $(α_{a x i a l}) = \frac{2 Δ P - ρ {\bar{u}}^{2}}{ρ u_{t i p}^{2}}$

たとえば、軸係数と正規化された流速をファンのパフォーマンスデータから評価します。次の表に、この計算の入力を示します。

表 1. ファン特性
Fluid Density	1.225 kg/m³
Tip Radius ( $r_{t i p}$ - fan tip radius (m))	0.11m
Rotational Speed ( $ω$ )	3600 RPM = 376.99 rad/sec
Inlet Area, A_i	0.03801 m²
Tip Velocity ( $u_{t i p}^{}$ )	41.47 m/sec

表 2. ファンのパフォーマンスパラメータ
S.No	体積流量（Q）、m³/hr	圧力上昇（ｄP）、Pa
1	525.35	494.91
2	890.21	474.63
3	1161.63	424.90
4	1272.76	389.11
5	1356.57	350.42
6	1431.84	308.18
7	1494.69	268.35
8	1551.39	230.89

最初の2つの体積流量（Q）の正規化された流速と軸係数は、表 2から計算できます。他の体積流量についても、同じ手順に従います。

Q = 525.35 m³/hrの場合：
$\begin{array}{l} Q^{1} = \frac{Q}{A u_{t i p}} = 0.0926 \\ α_{a x i a l} = \frac{2 Δ P - ρ {\bar{u}}^{2}}{ρ u_{t i p}^{2}} = 0.4613 \end{array}$
Q = 890.21 m³/hrの場合：
$\begin{array}{l} Q^{1} = \frac{Q}{A u_{t i p}} = 0.1569 \\ α_{a x i a l} = \frac{2 Δ P - ρ {\bar{u}}^{2}}{ρ u_{t i p}^{2}} = 0.426 \end{array}$

この方法で、次の表に示すように、残りの体積流量のQ^lとα_axialを計算します。

表 3. 正規化された流速と軸係数
S.No	正規化された流速（Q^l）	軸係数（α_axial）
1	0.0926	0.4613
2	0.1569	0.426
3	0.2047	0.3615
4	0.2243	0.3191
5	0.239	0.2755
6	0.2523	0.229
7	0.2634	0.1854
8	0.2734	0.1445

図 2に示すように、同じ情報がFAN_COMPONENTパラメータの入力として使用されます。

最初の列(0,1)は正規化された半径で、最初の行(0.0926,…,0.2734)が正規化された流速を定義します。2番目の行データ(0.4613,…,0.1445)は、軸係数です。

HyperMesh CFDの起動とHyperMeshデータベースのオープン

WindowsのスタートメニューからStart > Altair <version> > HyperMesh CFDをクリックしてHyperMesh CFDを起動します。
ホームツールのファイルツールグループからOpen Modelツールをクリックします。

図 3.

Open File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-T5100_CoefficientFanComponent.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。
名前をAxial_Fan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Axial_Fanと入力するか、都合のいい名前を選択して入力します。
保存をクリックしてデータベースを作成します。

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。形状リボンの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。

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

流れリボンから Physicsツールをクリックします。

図 5.

Setupダイアログが開きます。
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ます。
2. Turbulence modelにSpalart-Allmarasを選択します。
図 6.
Solver controls設定をクリックし、下図のとおりにパラメータが設定されていることを確認します。

図 7.
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

流れリボンから材料ツールをクリックします。

図 8.
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。
ガイドバーのをクリックしてツールを終了します。

ファンコンポーネントの定義

流れリボンで、Domainツールセットの横の矢印をクリックし、Fan Componentを選択します。

図 9.
中央のソリッドをファンコンポーネントボリュームとして選択します。

図 10.
ガイドバーで、Surfacesをクリックして、下に示すフェイスをファンコンポーネントの入口として選択します。

図 11.
View Controlsツールバーで、形状の可視化モードをShaded GeometryからTransparent Geometryに変更します。

これにより、次の手順で軸方向ベクトルを表示できるようになります。

図 12.
ガイドバーでAxisをクリックします。
モデリングウィンドウに、-X方向を向いた軸が表示されます。
マクロダイアログのをクリックして、軸ベクトルを+X方向に反転させます。

図 13.
Thickness (m)に0.06と入力します。
TypeをAxialに、MethodをCoefficientsに設定します。
Tip Radius（m）に0.11、Angular Speed（rad/sec）に377と入力します。
Axial Coefficient TypeをPiecewise Bilinearに設定します。

図 14.
Piecewise Bilinearの横のをクリックして、Profile Editorを開きます。
をクリックして、FanAxialCoefficients.csvを保存した場所に移動し、このファイルを開きます。

図 15.

注: Normalized Flow RateとAxial Coefficientsにはどちらも次元のある単位が付きます。
Row VariableがNormalized Radiusに、Column VariableがNormalized Flow Rateに設定されていることを確認します。
Profile Editorを閉じます。
Radial CoefficientとTangential Coefficientの値を1.0から0.0に変更します。

図 16.

注: 流体は軸方向にのみ流入するため、Radial CoefficientとTangential Coefficientの値は0に設定されていることを確認します。
ガイドバーで、をクリックしてコマンドを実行し、ツールを終了します。
モデルを保存します。

流れ境界条件の定義

流れリボンのProfiledツールグループから、Volumetric Flow Rateツールをクリックします。

図 17.
以下に示す入口のサーフェスをクリックします。

図 18.
マクロダイアログでvolumetric flow rate (m³/sec)に0.322675を入力します。

図 19.
ガイドバーで、をクリックしてコマンドを実行し、ツールを終了します。
Outletツールをクリックします。

図 20.
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 21.

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。

メッシュリボンから Volumeツールをクリックします。

図 22.
Meshing Operationsダイアログで、Average element sizeを0.01に、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 23.
Meshをクリックします。
Run Statusダイアログが開きます。解析が実行すると、ステータスが更新され、ダイアログが閉じます。
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。
モデルを保存します。

サーフェスモニターの定義とAcuSolveの実行

エンティティセレクターをSolidsに設定します。

図 24.
以下でマークしたファンコンポーネントのダクトを選択し、これを前後のダクトから隔離して表示します。

図 25.
右クリックしてコンテキストメニューからIsolateを選択するか、Iを押します。
ファンコンポーネントのソリッドがモデリングウィンドウに表示されます。

図 26.
ソリューションリボンからサーフェスツールをクリックします。

図 27.
ファンの前面を選択し、下図に示すように矢印がファンコンポーネントの方に向いていることを確認します。

図 28.
ガイドバーでをクリックすると、コマンドを実行し、ツール内に留まります。
凡例で、surface_outputの名前をFAN_inletに変更します。
ファンコンポーネントを回転させ、後面を選択します。

図 29.
をクリックし、凡例でsurface_outputの名前をFAN_outletに変更して、をクリックしてツールを終了します。
ソリューションリボンから実行ツールをクリックします。

図 30.

Launch AcuSolveダイアログが開きます。
Parallel processingオプションをIntel MPIに設定します。
オプション: プロセッサーの数を、環境に応じて4または8に設定します。
他のオプションはデフォルト設定のままにし、RunをクリックしてAcuSolveを起動します。

図 31.

Plotツールでのポスト処理

SolutionリボンでPlotツールをクリックします。

図 32.

図 33.
をクリックして、新しいプロットを作成します。
DataツリーでIntegrated Surface Output > Pressureを展開し、pressureを選択します。
PartsでFan_inletとFan_oultetを選択し、入口と出口での圧力を表示します。

図 34.
ModelパネルでUser Definedを右クリックし、ユーザー定義関数を作成します。
DataツリーでIntegrated Surface Output > Pressureを展開し、pressureを選択します。
Name欄にｄPと入力します。
Value欄にvalue=と入力します。
PartsでFAN outletを選択し、をクリックして以下のように値の一部として欄を挿入します。

図 35.
ユーザー定義関数値の最後に-と入力します。
PartsでFAN inletを選択し、をクリックして値の一部として欄を挿入します。
をクリックし、ユーザー定義関数を追加します。

図 36.
x axisをクリックし、Time Stepsに切り替えます。

図 37.

上の図から、圧力が６回目の反復あたりで安定し、その後は、0.322675m³/secの体積流量に対して、FAN_inletとFAN_outletの間の圧力差が423.97Paに維持されることが確認できます。これは424.9Paの基準圧力増加とほぼ同じです。

要約

このチュートリアルでは、HyperMesh CFDを使用して、係数のファン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。形状をインポートして、シミュレーションパラメータ、係数のファンコンポーネント、流れ境界条件を定義しました。解が計算された後に、HM-CFD Plotツールでファンの入口と出口の圧力をプロットしました。