ACU-T：6500 多孔質媒体を通る流れ

前提条件

このチュートリアルでは、多孔質媒体を通過する流れ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。

ACU-T6500_PorousMedia.hm

問題の説明

このチュートリアルで扱う問題を以下の図に示します。この問題には、流れの部分に多孔質媒体による円筒状流路があります。この部分を流れが通過すると、圧力の低下が観測されます。このシミュレーションでは、流入速度を流れに割り当て、多孔質媒体の両端間に発生する圧力低下を計算します。多孔質部分の長さは0.06mで、流体は密度が1.225kg/m³の空気流体、その分子粘性は1.781e-5kg/m-sとして定義されます。流れの流入速度は0.2m/sです。

AcuSolveでは、体積平均速度法と物理速度手法の2つの手法のいずれかを使用して、多孔質媒体を解析できます。このチュートリアルでは、体積平均速度法を採用しています。これは、多孔質媒体での圧力低下を適切に表すことができます。ただし、多孔質領域での速度は多孔質領域外の速度と同じままであるため、多孔質領域での速度増加を予測することはできません。多孔質領域内の速度をより正確に表すには、物理速度手法を使用します。これは、固有平均法を使用して多孔質媒体内の連続方程式と運動量方程式を解きます。

体積平均速度法を使用した多孔質領域の圧力損失は、次のようにモデル化されます：

\frac{Δ P}{Δ x_{i}} = C_{D} \frac{μ}{k} V_{i} + C_{p} \frac{ρ}{\sqrt{k}} V_{m} V_{i}

ここで $Δ P$ は多孔質領域での圧力低下（Pa）、 $Δ x_{i}$ は多孔質領域の長さ（m）、 $k$ は透過率、 $C_{D}$ はダルシー係数、 $C_{p}$ はフォルヒハイマー係数、 $μ$ は粘度（kg/m-sec）、 $ρ$ は密度（kg/m³）、 $V_{m}$ は速度の大きさ（m/sec）、 $V_{i}$ は速度（m/sec）です。

このチュートリアルでは、多孔質係数計算機能を使用して、圧力低下対速度の配列データのカーブフィッティングを行った後、ダルシー係数とフォルヒハイマー係数を計算します。カーブフィッティングには透過率が含まれていないため、多孔質領域での圧力低下を簡素化できます。

\frac{Δ P}{Δ x} = C_{D} μ V_{x} + C_{p} ρ V_{x}^{2} \sim B V_{x} + A V_{x}^{2}

以下の図は、多孔質媒体領域のThickness（m）、空気のDensity（kg/m³）とViscosity（kg/m-s）に加え、Velocity（m/s）とPressure Drop（Pa）データを指定した後のダルシー係数とフォルヒハイマー係数の計算機能を示します。

ダルシー係数 $C_{D}$ とフォルヒハイマー係数 $C_{p}$ は、カーブフィット係数に基づいて計算されます。

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-T6500_PorousMedia.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PorousMedia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PorousMedia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

シミュレーションパラメーターとソルバーの設定

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 frequencyをSteadyに設定します。
2. Turbulence modelにLaminarを選択します。
図 6.
Solver controls設定をクリックします。
Steady update factorとSteady maximum stepsがそれぞれ、0.6と100に設定されているのを確認します。

図 7.

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.
モデルの3つのソリッドに材料Airが割り当てられているのを確認します。

図 9.

多孔質媒体の定義

流れリボンのPorousツールグループから、Cartesian Porous Mediaツールをクリックします。

図 10.
モデルの中央のソリッドを選択します。

図 11.
ガイドバーでOrientationをクリックします。
左クリックして、選択したソリッドの任意の場所にポイントを配置します。
マクロダイアログで係数計算機能をクリックし、係数計算機能で次の値を入力します。
- 多孔質領域の厚み = 0.06（m）
- 空気密度 = 1.225kg/m³
- 空気粘度 = 1.781e-05kg/m-sec
図 12.
係数計算機能を閉じ、ダルシー係数とフォルヒハイマー係数の値を確認します。下の図に示すように、3方向の透過率の値を入力します。

図 13.
マクロダイアログで、をクリックしてOrientツールを開き、グローバルX軸に向きが合っていることを確認します。

図 14.
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。

流れ境界条件の割り当て

流れリボンから Constantツールをクリックします。

図 15.
入口面を選択します。

図 16.
マクロダイアログで、速度パラメータを下図のとおりに設定します。

図 17.
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 18.
出口面を選択します。

図 19.
デフォルトパラメータを受け入れて、ガイドバーのをクリックします。

メッシュの生成

このチュートリアルで使用するメッシュパラメータはすでに入力ファイルで設定されています。

メッシュリボンから Volumeツールをクリックします。

図 20.

Meshing Operations ダイアログが開きます。
注: モデルが検証されていない場合、バッチメッシュを実行する前にシミュレーションモデルを作成するように求められます。
Average element sizeが0.01に設定されていることを確認します。
その他すべてのデフォルト設定を受け入れます。

図 21.
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。

AcuSolveの実行

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 22.
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 23.

Plotツールでのポスト処理

Run Statusダイアログで、AcuSolve実行を右クリックし、Plot time historyを選択してPlot Managerを起動します。

図 24.
をクリックして、新しいプロットを作成します。
Modelパネルでをクリックし、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AUTO Porous-1 SolidBody_2_1 internalを選択し、Insert Field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 25.
ユーザー定義関数値の最後に-と入力します。
PartsでAUTO Porous-3 SolidBody_4_3 internalを選択し、Insert Field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 26.
x axisをクリックし、Time Stepsに切り替えます。

図 27.

多孔質体入口（AUTO Porous-1 SolidBody_2_1 internal）と多孔質体出口（AUTO Porous-3 SolidBody_4_3 internal）表面での圧力低下は0.0223Paです。

要約

このチュートリアルでは、多孔質媒体による流れのシミュレーション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 CFD入力データベースをインポートして、多孔質媒体を定義しました。また、HyperMesh CFDにある計算機を使ってダルシー係数とフォルヒハイマー係数を計算する方法を学習しました。次に、流れ境界条件を割り当て、メッシュを生成しました。解析の完了後、Plotツールを使用して、多孔質部分全体の圧力低下のプロットを作成しました。