チュートリアル3 合流管の熱流れ解析

オンライン流体解析CATCFDzeroのチュートリアルです。ファイルからSTLデータを読んで形状を定義する例題です。

解析概要

図のような合流管の流れと温度を解析します。

合流管熱流れ解析のモデル

上端の流入1と流入2から空気が流入し、合流したあと下端から流出します。

解析条件

  • 物性:空気
  • 流入1:速度 3 m/s、300 ℃
  • 流入2:速度 5 m/s、400 ℃
  • 流出:圧力 0 Pa
  • 管壁:断熱壁
  • 乱流

解析モデル

3D CADを用いて3次元形状をモデル化します。内部流れを計算するため、モデルは流体部分を作成します。CATCFDzeroは2次元の解析を行うため、今回は3次元モデルの中央断面を計算することにします。

合流管熱流れ解析のCAD

計算したい断面がZ=0のX-Y平面に来るようにCADモデルを作成してください。Z=0平面でモデルの輪郭線が抽出され解析領域として定義されます。

モデルデータはSTL形式で保存し、拡張子を .stl としておいてください。STLファイルはアスキー形式でもバイナリ形式でも、どちらでもかまいません。

例題のファイルは以下からダウンロードできます。ファイルはバイナリのSTL形式で、形状は[mm]単位になっています。

合流管の形状ファイル(pipe.stl:バイナリSTL形式)

Tips: 形状データは、形状認識の誤差を避けるため解析領域の端面より若干大きめに作成しておくとよいです。

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。乱流温度スイッチを入れます。

物性の設定

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 0.2 、縦方向Lyに 0.25 を入力します。

領域サイズの設定

ソリッドの設定

次に[ソリッド]メニューを開き、ソリッドを設定していきます。

[]ボタンを押し、No1のソリッドを追加します。

No.1の[ファイル]ボタンを押し、準備しておいた管の形状ファイル(pipe.stl)を読み込みます。管形状の外側が固体領域(流体が流れない領域)となるため固体領域は「外側」を選択します。

ソリッドの設定

温度の境界条件は断熱壁のためデフォルトのままとします。熱流束=0は断熱条件となります。

入力したら[適用]ボタンで確定します。

読み込んだ形状は、[mm]単位のため[m]に変換します。座標変換の[単位]で、「mm→m」を選択します。[変換]ボタンを押すと長さの単位変換が実行されます。

表示エリアの[結果表示]タブにソリッドが表示されるので、形状や位置を確認してください。

Tips: CATCFDzeroでは長さの単位は、[m]です。

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。

流入条件1

No.1に流入条件1を設定します。条件は「流入」、面は「上端」、Lmin 「0.01」、Lmax 「0.07」、値(流入速度)は「 3」m/s、温度は「300」℃を入力します。入力したら[適用]ボタンで確定します。

境界条件の設定

流入条件2

No.2 に流入条件2を設定します。条件は「流入」、面は「上端」、Lmin 「0.13」、Lmax 「0.17」、値(流入速度)は「 5」m/s、温度は「400」℃を入力します。

流出条件

[]ボタンを押しNo.3の境界条件を追加します。

No.3に流出のための圧力条件を設定します。条件「圧力」、面「下端」、Lmin 「0.1」、Lmax「0.16」、値(圧力)「0.0」Pa、温度は「300」℃を入力します。圧力条件の温度は逆流がある場合の流入温度となります。

乱流境界条件

今回は内部流れのため、乱流境界条件は「自動(内部流)」を選択します。

[結果表示]タブに出力されている境界表示で、設定が正しくできているか確認します。

チュートリアル3のモデル

白い部分が流体が流れる解析領域で、流入境界は赤線、圧力境界は青線で表示されます。

Tips:境界条件の設定の位置(Lmin、Lmax)は、設定したい流体領域が覆われていればよく、はみ出していてもかまいません。

詳細設定

[詳細設定] メニューを開きます。

メッシュ

今回は、セルサイズを細かくして解像度を上げることにします。セル数で、「自動(細かい)」を選択します。これで領域の長手方向が100分割になるように自動で分割されます。

メッシュの設定

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。

計算実行ボタン

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

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。

速度ベクトル

各ボタンで見たい表示に変更します。

速度コンター

圧力コンター

温度コンター

2つの管からの流れが合流し、高温低温が混ざり合って行く様子がわかります。

操作動画

【CATCFDzero】チュートリアル3~合流管熱流れ解析

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