ACU-T：6104 非球体粒子によるAcuSolve - EDEMの双方向連成

このチュートリアルでは、AcuSolveおよびEDEMを使用して非球体粒子による基本の双方向連成（二方向）のシミュレーションを設定して実行するワークフローを紹介します。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、EDEM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、AcuSolve、およびEDEM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。

問題の説明

ここで解析する問題を以下の図に示します。このモデルは、5Hzの周波数で振動し振幅が0.02ｍである単純なふるいで構成されます。粒子は1m/sの速度で上部からシステム内に取り込まれます。粒子はふるいの開口部を通って降下し、下部の入口から空気が吹き出ると、軽い棒状粒子が重い球体粒子から分離します。入口のフェイスに適用される平均速度は6m/sで、メッシュモーションにはArbitrary Lagrangian-Eulerianアプローチが使用されます。


図 1.
Z軸に沿った正弦波運動がシーブに割り当てられます。モーションプロファイルを以下に示します。


図 2.

AcuSolve-EDEMの双方向連成は、流体と粒子の間の相互作用をモデル化するために使用されます。このチュートリアルでは非球体の抗力モデルを使用し、粒子の形状を考慮することで、粒子に対する抗力を正確に予測します。粒子の形状のファクタリングに使用する長さスケールはアスペクト比です。このシミュレーションでは、アスペクト比2.75の棒状粒子とアスペクト比1の球体粒子が使用されます。Rong抗力モデルが、Holzer-Sommerfeld非球体抗力係数モデルと組み合わせて使用されます。

このシミュレーションに使用される粒子プロパティを次の表に示します。
L - 長さ、D - 直径
粒子タイプ 密度（kg/m3） サイズ（m） 粒子の数
Bar 200 0.022/0.008 (L/D) 100
Sphere 1500 0.008 (D) 200
AcuSolve-EDEM双方向連成でサポートされている非球体抗力係数モデルには2つのカテゴリがあります：
  1. アイソメトリック - 粒子の方向は抗力計算では考慮されません。このモデルは、岩石や特定の豆、鉱石粒子などの形状に適用できます。Haider Levenspiel抗力モデルは、このようなシナリオで使用でき、入力として粒子の真球度と体積が必要となります。
  2. 非球体 - 粒子の方向が抗力計算で考慮されます。このオプションは、流速に対する粒子の方向が力の多きさと方向に影響を与える、円盤、薄板、円筒などの形状に適用できます。このようなケースでは、GanserモデルとHolzer-Sommerfeldモデルの2つのオプションを使用できます。どちらのモデルも、入力として粒子のアスペクト比と体積が必要となります。

パート1 - EDEMシミュレーション

WindowsのスタートメニューからStart > Altair > EDEM をクリックしてEDEMを起動します。

EDEMの入力デックを開く

  1. メニューバーでFile > Openをクリックします。
  2. ダイアログで、問題用ディレクトリに移動し、sieve.demファイルを開きます。
    形状が読み込まれます。


    図 3.

Bulk Materials と Equipment Materialの定義

この手順では、棒状および球体形状の粒子の材料モデルを定義します。

  1. CreatorツリーでBulk Materialを右クリックしてAdd Bulk Materialを選択します。
  2. 材料の名前をbarに変更します。
  3. Creatorツリーで、Solids Densityプロパティを200kg/m3に、Shear Modulusを1e7Paに設定します。
  4. Interactionの下のをクリックして、棒状粒子間の衝突に関する相互作用のプロパティを定義します。ダイアログでOKをクリックします。
  5. 次の図に示すように相互作用係数を設定します。


    図 4.
  6. Creatorツリーでbarを右クリックしてAdd Shape from Library > Straight Four Sphere Shapeを選択します。
  7. 粒子の名前をbarに変更します。
  8. barの下のPropertiesをクリックします。
  9. barのSpheresパネルで、下図に示すようにPhysical RadiusとXYZの位置を設定します。


    図 5.
    注: 非球体の形状を定義する際には、下の図に示すように粒子の主軸がX軸に沿っていることを確認する必要がります。いくつかの標準的な形状の主軸定義については、このチュートリアルの後半で説明します。


    図 6.
  10. Creatorツリーで、Calculate Propertiesをクリックします。


    図 7.
    注: "Automatically Center Particle"オプションがアクティブなので、EDEMが粒子内の球体の位置を内部調整します。球体の位置がわずかに変更される可能性がありますが、粒子の全体寸法は変わりません。
  11. Bulk Materialを右クリックし、Add Bulk Materialを選択します。
  12. 材料の名前をsphereに変更します。
  13. Solids Densityプロパティを1500kg/m3に設定します。
  14. Interactionの下のをクリックして、球体粒子との衝突に関する相互作用のプロパティを定義します。ダイアログでsphereを選択し、OKをクリックします。
  15. 次の図に示すように相互作用係数を設定します。


    図 8.
  16. もう一度をクリックして、棒状粒子との衝突に関する相互作用のプロパティを定義します。ダイアログでbarを選択し、OKをクリックします。
  17. 次の図に示すように相互作用係数を設定します。


    図 9.
  18. Creatorツリーでsphereを右クリックしてAdd Shape from Library > Single Sphere Shapeを選択します。
  19. 粒子の名前をsphereに変更します。
  20. barの下のPropertiesをクリックします。
  21. sphereのSpheresパネルで、球体のPhysical Radiusを0.004mに設定し、Enterを押します。


    図 10.
  22. Creatorツリーで、Calculate Propertiesをクリックします。


    図 11.
  23. Equipment Materialを右クリックし、Add Equipment Materialを選択します。
  24. 材料の名前をSteelに変更します。
  25. Solids Densityプロパティを7800kg/m3に設定します。
  26. Interactionの下のをクリックして、棒状粒子との衝突に関する相互作用のプロパティを定義します。ダイアログでbarを選択し、OKをクリックします。
  27. 次の図に示すように相互作用係数を設定します。


    図 12.
  28. もう一度をクリックして、球体粒子との衝突に関する相互作用のプロパティを定義します。ダイアログでsphereを選択し、OKをクリックします。
  29. 次の図に示すように相互作用係数を設定します。


    図 13.
  30. モデルを保存します。

形状とファクトリの定義

  1. Creatorツリーで、Geometriesを展開します。
  2. Sieveをクリックし、TypeがPhysicalに設定されていることを確認します。
  3. Sieve右クリックし、Add Motion > Add Sinusoidal Translation Kinematicを選択します。
  4. これにoscillationという名前を付け、下図に示すようにパラメータを設定します。


    図 14.
  5. Outletをクリックして、TypeをVirtualに設定します。
  6. 同様に、Inlet typeをVirtualに、Walls typeをPhysicalに、Material typeをSteelに設定します（未設定の場合）。
  7. factoryをクリックして、TypeをVirtualに設定します。
  8. factoryを右クリックし、Add Factoryを選択します。これにbar factoryという名前を付けます。
  9. 下図に示すように粒子の生成パラメータを設定します。


    図 15.
  10. Velocityの横のをクリックし、Z-velocityを-1m/sに設定してOKをクリックします。
  11. 手順8～10を繰り返し、sphere factoryという別のファクトリを作成します。同じパラメータを使用しますが、Total Numberを200に、Materialをsphereに設定します。
  12. モデルを保存します。

Environmentの定義

この手順では、EDEMのシミュレーション領域の範囲と重力加速度の方向を定義します。

  1. Creatorツリーで、Environmentをクリックします。
  2. Auto Update from Geometryのチェックボックスをアクティブにします（未選択の場合）。
    移動粒子が領域（環境）の境界面に接触すると、シミュレーションから取り除かれます。
  3. Gravityをアクティブにして、Z値を-9.81m/s2に設定します。
  4. EDEMデックを保存します。

シミュレーション設定の定義

  1. 左上隅のをクリックして、EDEMのSimulatorタブに移動します。
  2. Simulator Settingsタブで、Time Integration schemeをEulerに設定し、Auto Time Stepチェックボックスを無効にします。
    注: Auto Time Stepは、AS-EDEM双方向連成シミュレーションには使用しないでください。
  3. Fixed Time Stepを1e-5sに設定します。
    注: 一般的に、time step sizeには、DEMシミュレーションの安定性を確保するために、Rayleigh Time Stepの20～40％の値が推奨されます。DEMモデルの時間ステップを設定する際は、CFD時間ステップがDEM時間ステップの整数倍となるようにします。この場合、CFD時間ステップは1e-3で、DEM時間ステップの50倍となっています。これにより、各データ交換間隔の最後に両方のソルバーの物理的な時間が一致することが保証されます。また、ほとんどの場合で推奨されるCFD対DEMの時間ステップの比率の範囲は50～200です。
  4. Total Timeを1sに設定し、Target Save Intervalを0.01sに設定します。
  5. Cell Sizeを2.5Rminに設定します。
    一般的に、最適なセルサイズとして2～6Rminの範囲の値が推奨されます。
  6. Selected EngineをCPU Solverに設定し、可用性に基づいてNumber of CPU Coresを設定します。


    図 16.
  7. シミュレーション設定の定義が完了したら、モデルを保存します。

パート2 - AcuSolveシミュレーション

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 17.
    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ACU-T6104_sieve.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. その他の入力ファイルと同じディレクトリに、データベースをsieve_nonsphericalとして保存します。
    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。

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 18.

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. 流れリボンから Physicsツールをクリックします。


    図 19.
    Setupダイアログが開きます。
  2. Physics modelsの設定で、Multiphase flowラジオボタンを選択します。
  3. Multifluid typeをBidirectional EDEM Couplingに変更します。
  4. Eulerian materialドロップダウンメニューをクリックし、リストからMaterial Libraryを選択します。
    材料ライブラリに新しい材料モデルを作成できます。
  5. Material LibraryダイアログでEDEM 2 Way Multiphaseを選択し、My Materialタブに切り替えて、をクリックして新しい材料モデルを追加します。
  6. マクロダイアログで、左上隅にあるEDEM Bidirectional Materialをクリックして、名前をAir-Particleに変更します。
  7. Carrier fieldをAirに設定します（まだ設定されていない場合）。
  8. particle shapeをNon-Sphericalに設定します。
  9. drag modelをRongに設定します。
  10. Non spherical drag coefficient modelをHolzer-Sommerfeldに設定します。


    図 20.
  11. drag coefficient modelドロップダウンの横のテーブルアイコンをクリックします。
  12. 新しいダイアログで、をクリックして新しい行を追加し、下の図に示すようにAspect RatioとVolumeの値を入力します。


    図 21.
    注: ここで入力するボリューム（体積）は、粒子プロパティの下のEDEMから取得する必要があります。EDEMモデルに表示されるボリュームの値には少しばらつきが見られるかもしれませんが、問題ありません。

    次に、粒子の直径の長さ比率に基づいてアスペクト比が計算されます。ARの2.75は棒状の粒子、1は球体形状の粒子に対応します。粒子のボリュームは、粒子プロパティの下のEDEMから取得できます。シミュレーションに単一形状の粒子が含まれている場合、volume欄はゼロに設定できます。

    下の画像は、いくつかの標準的な非球形粒子形状のアスペクト比の定義を説明しています。


    図 22.
  13. Escを押してダイアログを閉じ、さらに材料モデルとMaterial Libraryのダイアログも閉じます。
  14. Setupダイアログで、Eulerian MaterialをAir-Particleに設定します。
  15. Time step sizeを0.005に、Final timeを1にそれぞれ設定します。Turbulence modelにSpalart-Allmarasを選択します。
  16. Gravityが0, 0, -9.81に設定されていることを確認します。
  17. Pressure scaleをAbsoluteに設定します。


    図 23.
  18. Solver controls設定をクリックして、Maximum stagger iterationsを3に設定します。


    図 24.
  19. 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. 流れリボンから 材料ツールをクリックします。


    図 25.
  2. 材料としてAir-Particleが割り当てられているのを確認します。
  3. ガイドバーでをクリックして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 26.
  2. 下図でハイライトされているInlet面をクリックします。マクロダイアログで、Average velocityに6m/sという値を入力し、Carrier fluid volume fractionに1.0と入力します。


    図 27.
  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。
  4. Outletツールをクリックします。


    図 28.
  5. 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 29.
  6. モデルを保存します。

モーションの設定

モーションタイプを選択

  1. Motionリボンから Settingsツールをクリックします。


    図 30.
  2. Setupダイアログで、Mesh motionをArbitraryに設定し、ダイアログを閉じます。

メッシュ境界条件の定義

  1. Motionリボンから Planar Slipツールをクリックします。


    図 31.
  2. 下図でハイライトされている２つのサーフェスを選択します。
    選択したサーフェスはY座標が最小です。


    図 32.
  3. Mesh Motionの凡例で、Planar Slipをダブルクリックしてy_negという名前に変更します。
  4. 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。
  5. 手順2～4を繰り返し、最大Y座標、最小X座標、最大X座標のサーフェスに対するさらに３つの平面滑り境界条件を作成します。これらのグループに、それぞれy_pos、x_neg、x_posという名前を付けます。
    ４つの平面滑り条件を定義すると、Mesh Motionの凡例は次に示すようなものになります。


    図 33.
  6. モデルを保存します。

正弦波の並進運動の定義

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


    図 34.
  2. Mesh Motionの凡例でUnassignedを右クリックしてIsolateを選択します。
  3. ガイドバーで、アクティブなセレクターをSurfacesに変更します。
  4. ボックス選択を使用して、下の図に示すようにすべてのシーブサーフェス（ふるい面）を選択します。
    入口または出口のサーフェスを選択していないことを確認します。


    図 35.
  5. ガイドバーのVectorをクリックします。
  6. モデリングウィンドウでシーブサーフェスの任意の場所をクリックします。
  7. マクロダイアログでZをクリックして、軸をグローバルZ軸に沿わせます。


    図 36.
  8. マクロダイアログで、typeをTime-varyingに変更し、プロットアイコンをクリックします。


    図 37.
  9. new plotダイアログで、Function Specificationのテーブルアイコンの横のドロップダウンをクリックし、oscillatingオプションを選択します。


    図 38.
  10. 下の図に示すように、正弦関数の値を入力します。


    図 39.
  11. Convertをクリックして、正弦関数を乗数関数の配列に変換します。
    並進運動のモーションプロファイルは次に示すようなものになります。


    図 40.
  12. ガイドバーのをクリックします。

メッシュの生成

  1. メッシュリボンから Volume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 sizeをMaximum sizeに設定し、Maximum element sizeを0.03に変更します。


    図 42.
  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。
  4. モデルを保存します。

節点出力の定義

メッシングが終了すると、自動的にソリューションリボンに移動します。

  1. ソリューションリボンから フィールドツールをクリックします。


    図 43.
    Field Outputダイアログが開きます。
  2. Write Initial Conditionsチェックボックスをアクティブにします。
  3. Write results at time step intervalチェックボックスをオフにします。
  4. Write results at time intervalチェックボックスをアクティブにします。
  5. Time step intervalを0.05に設定します。


    図 44.

連成シミュレーションの実行

  1. EDEMでCoupling Serverをクリックして、連成サーバーを起動します。


    図 45.
    連成サーバーがアクティブになると、アイコンが変化します。


    図 46.
  2. HyperMesh CFDに戻ります。
  3. 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 47.
    Launch AcuSolveダイアログが開きます。
  4. Parallel processingオプションをIntel MPIに設定します。
  5. 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。
  6. Default initial conditionsを展開し、Pre-compute flowチェックボックスをオフにして、z-velocityの値を6に設定します。Pre-compute Turbulenceのチェックをオフにします。
  7. RunをクリックしてAcuSolveを起動します。


    図 48.
    AcuSolveの実行が開始されると、Run Statusダイアログが開きます。
  8. このダイアログで、AcuSolve実行を右クリックし、View log fileを選択します。
    EDEMとの連成が成功すると、その情報がログファイルに出力されます。


    図 49.
    シミュレーションが完了した後、実行時間のサマリーがログファイルの末尾に出力されます。


    図 50.

結果の分析

AcuSolveのポスト処理

  1. HyperMesh CFDで、Run Statusダイアログで実行するAcuSolveを右クリックし、Visualize resultsを選択します。


    図 51.
    Postリボンに結果が読み込まれます。
  2. Slice Planesツールをクリックします。


    図 52.
  3. 下図に示されているx-z平面を選択します。


    図 53.
  4. スライス平面のマクロダイアログで、をクリックしてスライス平面を作成します。
  5. 表示プロパティマクロダイアログで、表示をvelocityに設定し、Legendのトグルスイッチをアクティブにします。
  6. 凡例の範囲を0と15に変更します。
  7. をクリックして、Colormap nameをRainbow Uniformに設定します。


    図 54.
  8. ガイドバーのをクリックします。
  9. Postブラウザで、Flow Boundariesのアイコンをクリックすることで、表示をオフにします。


    図 55.
  10. ビューキューブでLeft面を選択し、モデルをx-z平面に合わせます。


    図 56.
  11. Animationツールバーのをクリックして、速度コンターのアニメーションを表示します。


    図 57.

EDEMのポスト処理

  1. EDEMのシミュレーションの完了後、左上隅のをクリックして、EDEMのAnalystタブに移動します。
  2. Analystツリーで、Display > Geometriesの順に展開し、Ctrlキーを押しながらすべての形状を選択します。
  3. Display ModeがFilledに設定されていることを確認し、Opacityを0.2に設定します。


    図 58.
  4. Analystツリーで、Particlesをクリックします。
  5. ColoringをVelocityに設定します。
  6. Min ValueとMax ValueのAuto Updateチェックボックスを両方ともアクティブにします。
  7. Show Legendチェックボックスを選択します。
  8. Apply Allをクリックします。


    図 59.
  9. メニューバーで、以下をクリックすることで時間を0に設定します。


    図 60.
  10. View planeを+ Yに設定します。


    図 61.
  11. Viewerウィンドウで、Playback Speedを0.1xに設定し、をクリックして粒子流のアニメーションを再生します。


    図 62.

    軽い棒状粒子が流入流体によって吹き飛ばされ、重い粒子がシーブの開口部を通って降下する様子を観察します。

要約

このチュートリアルでは、非球体粒子による基本的なAcuSolve-EDEMの双方向（二方向）連成の問題を設定し、実行する方法を知ることができました。EDEMで非球体粒子を作成する方法や、流体粒子の相互作用力に対する粒子形状の影響を検討するためにAcuSolveモデルを設定する方法も学習しました。シミュレーションが完了した後は、HyperMesh CFDおよびEDEMの結果を使用してAcuSolveの結果をポスト処理する方法を学習しました。