オンライン流体解析CATCFDzeroのチュートリアルです。
目次
解析概要
図のような容器内の流れ場と温度を解析します。
左端のパイプから空気が流入し、右端のパイプから流出します。容器内には高温の物体があります。
境界条件
- 流入：速度 0.1 m/s 、温度 20℃
- 流出：圧力 0 Pa
- 高温物体の壁：温度固定 100 ℃
- その他の壁：断熱
解析モデル
流路を模擬するため、下図のようにブロックを５個配置します。境界条件は左端に流入、右端に圧力条件を定義します。
解析設定
物性の設定
[物性]メニューを開き、物性は空気を選択します。
流れは、流速が小さいので層流とします。乱流のスイッチはOFFのままにしておきます。温度計算を行うため、温度のスイッチはONにします。
領域の設定
[領域]メニューで、領域のサイズ[m]を入力します。横方向Lxに 1 、縦方向Lyに 0.6 を入力します。
境界条件の設定
[境界条件]タブを開き、境界条件を設定していきます。標準条件
No.０の条件は標準の条件で、No.１以降で設定していない全ての面の条件となります。ここでは、断熱の壁条件のため、デフォルトのままとします。なお、断熱は、熱流束が０の条件です。
流入条件
No.１に流入条件を設定します。条件は「流入」、面は「左端」、Lmin 「0.4」、Lmax 「0.5」、値（流入速度）は「 0.1」m/s、温度は 「20」℃ を入力します。入力したら[適用]ボタンで確定します。
流出条件
No.２に流出のための圧力条件を設定します。条件「圧力」、面「右端」、Lmin 「0.1」、Lmax「0.2」、値（圧力）「0.0」Pa、温度 「20」℃を入力します。圧力条件の温度は逆流時の流入温度になります。入力したら[適用]ボタンで確定します。
※[適用]ボタンを押すと、表示領域の[結果表示]タブに境界の位置が出力されます。
ブロックの設定
次に[ブロック]メニューを開き、ブロックを５個設定します。
ブロックは「＋」ボタンで追加します。「－」ボタンで削除できます。
図面で、各ブロックのX方向の最小値（Xmin）、最大値（Xmax）、Y方向の最小値（Ymin）、最大値（Ymax）を確認し、それぞれ入力していきます。
温度条件も指定します。ここでは、最後のブロックが容器内の物体で、温度固定としています。温度条件を「固定」とし、「100」℃を入力します。それ以外のブロックは、断熱のため「熱流束」で 「0.0」 （デフォルト）のままとします。
５つのブロックの設定は以下のとおりです。
| No. | Xmin | Xmax | Ymin | Ymax | 条件 | 温度 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 0.0 | 0.2 | 0.0 | 0.4 | 壁 | 熱流束 0.0 |
| 2 | 0.0 | 0.2 | 0.5 | 0.6 | 壁 | 熱流束 0.0 |
| 3 | 0.8 | 1 | 0.0 | 0.1 | 壁 | 熱流束 0.0 |
| 4 | 0.8 | 1 | 0.2 | 0.6 | 壁 | 熱流束 0.0 |
| 5 | 0.4 | 0.6 | 0.1 | 0.5 | 壁 | 固定 100 |
入力したら[適用]ボタンで確定してください。確定すると、表示領域の[結果表示]タブにブロックが出力されます。
詳細設定
今回は、セルサイズを細かくして解像度を上げ、モニター位置を出口に指定することにします。
[詳細設定] メニューを開きます。メッシュ
リストから[メッシュ]を選択し、セル数を「自動（細かい）」に設定します。これで領域の長手方向が100メッシュになるように自動で分割されます。
モニター
次にモニター位置を出口の中央に指定します。リストから[モニター]を選択し、モニターを「指定」に設定します。xに「1」、yに「0.15」を入力します。
以上で解析設定は終了です。
計算実行
設定が終了したら、[計算実行]ボタンを押します。
すると計算が開始され、計算中は「CALCULATING...」と表示されます。また、ボタン横のボックスに「計算中：**イタレーション **%」と現在の反復回数と進捗状況が表示されます。
計算が収束し終了すると、「計算終了：収束しました。」と表示されます。
結果の確認
結果図の確認
計算が終了すると、表示エリアの[結果表示]タブに計算結果が表示されます。最初は「速度ベクトル」が表示されます。
右サイドの各ボタンで見たい表示に変更します。
速度ベクトルの表示を変更してみます。[表示オプション]ボタンを押すと設定パネルが開きます。
速度ベクトルの数を[多い]に変更し、「再表示」ボタンを押してください。ベクトルの本数が多くなります。
※ベクトル数が[少ない]場合ベクトルは間引かれて表示されますが、[多い]にすると全てのセルでベクトルが表示されます。
「流線」にチェックを入れてコンターを表示すると、コンター図に流線が同時にプロットされます。
グラフの確認
[グラフ]タブに計算中のグラフが表示されます。これで、収束状況を確認します。モニター：モニター点の各変数の履歴。
残差：残差履歴。
モニターの値も安定し、残差も下がって収束しています。
計算中の情報出力
計算中の情報やエラーメッセージ、モニター点の値などは、[出力]タブに出力されます。
この出力例では、計算は反復回数 Iter = 256 で収束しています。
モニター点（出口中央）の値はだいたい、速度 0.14 m/s、圧力 0 Pa になっています。また、温度は 34.9 ℃ であることがわかります。
さらに、各境界（Boundary）と各ブロック（Block）の質量流量（Mass Flux） [kg/s] と移動熱量（Heat Tran） [W] の情報も出力されています。
※数値の細かい値はバージョンやお使いのブラウザにより若干違いがある場合があります。
設定の保存
[ファイル]メニューで、[設定の保存]ボタンを押すと計算条件をファイルに保存できます。ファイルは、ダウンロードフォルダーに「catcfd_zero.xml」の名前で保存されます。
※保存したファイルは、同じ[ファイル]メニューの[設定の読込]から読み込んで、設定を復元することができます。ファイルは、設定エリアにドラッグアンドドロップしても読み込めます。