ACU-T：6000 静的ミキサーのシミュレーション – AcuTrace

前提条件

このチュートリアルでは、ポスト処理モジュールAcuTraceと組み合わせた、静的ミキサーのシミュレーションの設定、解析、および結果表示のための手順を説明します。このシミュレーションでは、AcuSolveを使用して、単純なミキサー内での種の混合を計算し、AcuTraceを使用して、ミキサー内での有限質量粒子の運動を計算します。このチュートリアルは、AcuTraceを使用して微粒子の流れを可視化するために必要な概念を紹介することを目的としています。

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。このチュートリアルでは、AcuSolveの以下の追加機能を紹介します。
  • AcuTraceを使用した有限質量粒子の生成。
  • HyperMesh CFD Postに読み込むためのAcuTransTraceによる節点出力データの変換。
  • 粒子の運動を可視化するためのHyperMesh CFD Postによる節点出力のポスト処理。
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扱う問題は、図 1で図示しています。これは、菅内での混合を促進するための湾曲したいくつかの壁を含むミキシング菅で構成されます。入口の直径は0.1m、ミキシング菅の長さは0.525mです。フィンの平均直径は0.1mです。フィンの最大厚みは0.003mです。



図 1.

入口での境界条件は、速度が1.0m/sの十分に進展した入口プロファイルが生成されるように定義されます。入口のある部分は、species_1が100％含まれるように定義され、他の部分はspecies_1が0％となるように定義されます。

この問題で扱う流体はエポキシ樹脂であり、この樹脂の密度は1264.0kg/m3、粘性は1.49kg/m-secです。

HyperMesh 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Start > Altair <version> > HyperMesh CFDをクリックしてHyperMesh CFDを起動します。
  2. 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 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-T6000_Static_Mixer.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Static_Mixer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Static_Mixerと入力するか、都合のいい名前を選択して入力します。
  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。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。


図 3.

問題の設定

シミュレーションパラメーターとソルバーの設定

  1. 流れリボンから 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ます。
    2. Turbulence modelにSpalart-Allmarasを選択します。
    3. Number of passive speciesを1に設定します。


    図 5.
  3. 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 6.
  4. ダイアログを閉じてモデルを保存します。

材料モデルの定義

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


    図 7.
    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. material creationダイアログで左上の名前をクリックし、材料の名前をEpoxy Resinに変更します。
  5. Densityタブで：
    1. TypeをConstantに設定します。
    2. Densityの値を1264kg/m3に設定します。
    3. Isothermal compressibilityの値を0に設定します。


    図 8.
  6. Specific Heatタブをクリックし、Specific heatの値を2386J/kg-Kに設定します。


    図 9.
  7. Viscosityタブをクリックし、Viscosityの値を1.49kg/m-sに設定します。


    図 10.
  8. Conductivityタブをクリックし、Conductivityの値を0.286W/m-K、Turbulent Prandtl numberを0.91に設定します。


    図 11.
  9. 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. 流れリボンから 材料ツールをクリックします。


    図 12.
  2. ソリッドモデルを選択し、流体媒体として Epoxy_Resinを選択します。


    図 13.
  3. 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。

流れ境界条件の定義

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


    図 14.
  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給気口サーフェスをクリックします。


    図 15.
  3. マクロダイアログで、Average Velocityの値を1.0m/sに設定します。
  4. SpeciesタブをクリックしてSpecies 1に1.0の値を入力します。


    図 16.
  5. 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。
  6. Boundariesの凡例でInletを右クリックし、Renameを選択します。名前をInlet S1に変更します。
  7. 下図でハイライトされている別の注入口サーフェスを選択します。


    図 17.
  8. マクロダイアログで、Average Velocityの値を1.0m/sに設定します。
  9. SpeciesタブをクリックしてSpecies 1に0.0の値を入力します。
  10. 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。
  11. Boundariesの凡例でInletを右クリックし、Renameを選択します。名前をInlet S2に変更します。
  12. Outletツールをクリックします。


    図 18.
  13. 下図でハイライトされているサーフェスを選択し、ガイドバーのをクリックします。


    図 19.
  14. No Slipツールをクリックします。


    図 20.
  15. 下図でハイライトされている菅の壁を選択し、ガイドバーのをクリックします。


    図 21.
  16. サーフェスグループの名前をWallからPipe Wallに変更します。
  17. Boundariesの凡例でDefault Wallを右クリックし、Isolateを選択します。
  18. 下図でハイライトされているすべてのサーフェスを選択し、ガイドバーのをクリックします。


    図 22.
  19. サーフェスグループの名前をWallからFin Wallsに変更します。
  20. ガイドバーのをクリックします。
  21. モデリングウィンドウを右クリックしてShow Allを選択するか、単にAキーを押すことにより、すべてのサーフェスの表示をオンにします。
  22. 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

  1. ソリューションリボンから Volumesツールをクリックします。


    図 23.
  2. モデルを選択し、ガイドバーのをクリックします。


    図 24.
  3. ガイドバーのをクリックします。
  4. 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 25.
    Launch AcuSolveダイアログが開きます。
  5. 作業ディレクトリが適切な場所に設定されていることを確認します。ここに設定されていない場合は、Browseオプションを使用して、適切なディレクトリを選択します。
  6. Parallel processingオプションをIntel MPIに設定します。
  7. 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。
  8. 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 26.

Plotツールでのポスト処理

  1. SolutionリボンでPlotツールをクリックします。


    図 27.
  2. シミュレーションが進行するにつれて残差指標と時間増分指標がどうなるか確認します。


    図 28.

HyperMesh CFD Postによるポスト処理

  1. Postリボンに移動します。
  2. 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 29.
  3. 作業ディレクトリでAcuSolve .logファイルを開き、ポスト処理の結果を読み込みます。
  4. Reader OptionsダイアログでDefault Stepが Lastに設定されていることを確認し、Importをクリックします。


    図 30.
    ソリッドとすべてのサーフェスがPostブラウザに読み込まれます。


    図 31.
  5. PostブラウザでPipe Wallを右クリックしてEditを選択します。Transparencyを80％程度に設定します。


    図 32.
  6. 同様に、Fin WallsのTransparencyを30％程度に編集します。


    図 33.
  7. OutletとInlet S2は非表示にします。
  8. Slice Planesツールをクリックします。


    図 34.
  9. モデリングウィンドウでx-z平面を選択し、Calculateをクリックします。


    図 35.
  10. 表示プロパティマクロダイアログで、表示をspecies 1に設定し、Legendのトグルスイッチをアクティブにします。
  11. をクリックして凡例をリセットします。
  12. をクリックして、Colormap nameをRainbow Uniformに設定します。


    図 36.
  13. ガイドバーのをクリックします。
    以下のプロットは、ミキシング効率が、出口におけるspecies 1の最大値が0.7に低下し、最小値が0.3に上昇していることを示しています。


    図 37.

AcuTraceのための粒子トレース属性の準備

定常状態のシミュレーションが完了したので、有限質量粒子トレーサーを使用して、エポキシの強化によく使用されるSiO2のマイクロ粒子をシミュレートできます。

静的解析のための粒子トレースパラメータの定義

  1. AcuTraceリボンに移動します。
  2. Setupツールをクリックします。


    図 38.
  3. Problem definitionをクリックして、Particle typeをFinite Massに設定します。
  4. AcuSolve working directoryには、自分の作業ディレクトリのACUSIM.DIR（流れの結果）フォルダーを選択します。
  5. Flow field typeがStaticに設定されていることを確認します。
  6. Mesh motionがチェックされている場合はこれをオフにします。


    図 39.
  7. Finite mass set-upをクリックし、すべてのパラメータを以下のようにします。


    図 40.
  8. ダイアログを閉じます。

粒子シードの定義

次の手順では、流れの状態に移行している粒子シードを定義します。
  1. Seedsツールをクリックします。


    図 41.
  2. Seed locationウィンドウでをクリックします。
  3. seeds1.csvとseeds2.csvを保存した場所に移動します。
  4. seeds1.csvファイルを選択し、Openをクリックします。
    これは、Inlet S1からフィードされる粒子で構成されています。


    図 42.
  5. ガイドバーのParametersをクリックして、以下の詳細を入力します。


    図 43.
  6. ガイドバーのをクリックし、変更を実行します。
  7. 凡例でParticle Seedsを右クリックし、Renameを選択します。名前をInlet S1 Seedsに変更します。
  8. 同じプロセスを繰り返し、seeds2.csvを開きます。


    図 44.
  9. ガイドバーのParametersをクリックして、以下の詳細を入力します。


    図 45.
  10. ガイドバーのをクリックし、変更を実行します。
  11. 凡例でParticle Seedsを右クリックし、Renameを選択します。名前をInlet S2 Seedsに変更します。
  12. 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。

有限質量境界条件の定義

  1. Reflectingツールをクリックします。


    図 46.
  2. Boundary Conditionsウィンドウで、Pipe Wallを選択し、Coefficients of restitutionの値を0.2に設定します。


    図 47.
  3. ガイドバーのをクリックし、変更を実行します。
  4. 凡例でReflecting Wallを右クリックし、Renameを選択します。名前をPipe Wallに変更します。
  5. Boundary Conditionsウィンドウで、Fin Wallsを選択し、Coefficients of restitutionの値を0.8に設定します。


    図 48.
  6. ガイドバーのをクリックし、変更を実行します。
  7. 凡例でReflecting Wallを右クリックし、Renameを選択します。名前をFin Wallsに変更します。
  8. 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。
  9. Stoppingツールをクリックします。


    図 49.
  10. Boundary ConditionsウィンドウでOutletを選択します。
  11. ガイドバーのをクリックし、次にをクリックます。

出力パラメータの定義

  1. Outputツールをクリックします。


    図 50.
  2. Trace outputをクリックし、以下のように値を入力します。


    図 51.
  3. Time cut設定をクリックし、以下のように値を入力します。


    図 52.
  4. ダイアログを閉じます。

AcuTraceの実行

  1. Runツールをクリックします。


    図 53.
  2. acuRunTrace.batが適切なパスを指していることを確認します。 <installation_directory>\hwcfdsolvers\acusolve\win64\bin\acuRunTrace.bat.
  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、環境に応じて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にし、RunをクリックしてAcuTraceを起動します。


    図 54.

Ensightの結果変換

実行が完了したら、HyperMesh CFD Postで読めるように結果を変換する必要があります。このためには、AcuTransTraceユーティリティを実行します。このツールは、Ensight、FieldView、またはAcuDisplayのデータを変換するのに使用できます。
  1. Convertツールをクリックします。


    図 55.
    AcuTrace Data Translatorウィンドウが開きます。
  2. AcuTraceログファイル（*.tlog）が置かれている場所に移動します。
  3. Output formatを Ensightに設定します。
  4. Data TypeをTime Cutに設定します。


    図 56.
  5. Convertをクリックします。
    変換に成功すると、2つのEnsight結果ファイルが生成されます。


    図 57.
  6. ダイアログを閉じます。

Ensightファイルのポスト処理

  1. Postリボンに移動します。
  2. 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 58.
  3. 作業ディレクトリでEnsightのケースファイル（static_mixer.trace.case）を開き、ポスト処理の結果を読み込みます。
    注: 警告が開かれ、一部の結果が以前に読み込まれていた場合は、まずその結果を削除してから現在の結果を読み込むことを試みます。Continueをクリックします。
    ソリッドと粒子に沿ったすべてのサーフェスがPostブラウザに読み込まれます。


    図 59.
  4. Postブラウザで、Pipe WallとFin Wallsを除くすべてのサーフェスの表示をオフにします。
  5. Fin WallsのTransparencyを30％程度に、Pipe WallのTransparencyを80％程度に設定します。
  6. ParticlesのBlock8を右クリックし、Editを選択します。
  7. DisplayをRadiusに設定します。をクリックし、Point Radiusを0.003に設定します。


    図 60.
  8. Legendのトグルスイッチをアクティブにし、をクリックして範囲を更新します。
  9. をクリックしてColormapのNameをRainbow Desaturatedに、StyleをFilledに、Colorsを2に設定します。


    図 61.
  10. Displayプロパティに切り替えます。OrientationをHorizontalに設定し、Lower Centerボタンを選択します。


    図 62.
  11. View Cube上のIsometricフェイスをクリックし、モデルを揃えます。


    図 63.
  12. 領域内の粒子の運動をより正確に見ることができるよう、モデルを下の図のように回転します。


    図 64.
  13. モデリングウィンドウの下部にあるをクリックし、流れのアニメーションを表示します。


    図 65.
  14. アニメーションを保存します。
    1. File > Screen Capture > Advanced Screen Captureを選択します。
    2. をクリックして、Include mouse cursorチェックボックスをオフにします。
    3. frame rateを30に設定します。
    4. ツールバーのをクリックし、記録したい領域をドラッグオーバーします。
    5. をクリックして記録を開始します。記録を終了する場合も同じアイコンを使用します。
    6. ファイルの名前を指定し、保存します。

要約

このチュートリアルでは、静的ミキサーの定常シミュレーションを設定および実行して、粒子の流れを可視化しました。このチュートリアルでは、まず、HyperMesh CFDのデータベースを開き、シミュレーションパラメータを設定して、ミキサー内での種の混合を計算しました。次に、粒子シードを設定し、AcuTraceを実行して静的ミキサー内の粒子の流れを生成しました。最後に、AcuTransTraceを使用してデータを変換し、HyperMesh CFD Postで粒子の流れを表示しました。