チュートリアル4 室内の自然対流解析

オンライン流体解析CATCFDzeroのチュートリアルです。浮力計算の機能を使い室内の自然対流をシミュレーションします。

解析概要

計算対象は、図のようにヒーターが設置された室内です。両サイドの壁は低温で、天井と床は断熱とします。

自然対流解析のモデル

ヒーターにより加熱された空気が自然対流によって循環する様子を計算します。

解析条件

  • 物性:空気
  • ヒーター表面:40℃
  • 低温壁:5℃
  • 天井、床:断熱
  • 乱流
  • 温度、浮力

解析モデル

ヒーターは矩形のためブロックで作成します。ヒーターの寸法は、幅0.3m✕高さ0.5mです。

解析設定

物性値の設定

[物性・領域]タブを開き、物性は空気を選択します。

乱流の設定

乱流にチェックを入れます。

温度の設定

温度にチェックを入れます。

領域の設定

領域のサイズ[m]を入力します。横方向Lxに「 3」 、縦方向Lyに「 2」 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。

No.1に低温壁(左)を設定します。条件は「」、面は「左端」、Lmin 「0」、Lmax 「2」、値(壁面速度)は「 0」m/s、温度は「固定」「 5」℃を入力します。

No.2に低温壁(右)を設定します。条件は「」、面は「右端」、Lmin 「0」、Lmax 「2」、値(壁面速度)は「 0」m/s、温度は「固定」「 5」℃を入力します。

ブロックの設定

次に[ブロック]タブを開き、ヒーターを作成します。

No.1にブロックのX方向の最小値(Xmin)「1」、最大値(Xmax)「1.3」、Y方向の最小値(Ymin)「0」、最大値(Ymax)「0.5」を入力します。温度は「固定」「 40」℃に設定します。

入力したら、[境界表示]ボタンを押し、設定した位置が正しいか確認します。境界表示は、下の[結果表示]タブに出力されます。

自然対流解析の境界条件

詳細設定

[詳細設定] タブを開きます。

物性値

浮力を考慮するため、「浮力」にチェックを入れます。

基準温度を「10」℃に設定します。

Tips:基準温度は計算安定のため、場の平均的な温度を入力するようにします。

反復回数

反復回数を「3000」に設定します。

緩和係数

自然対流の解析は、計算が不安定になりやすいため、緩和係数を下げておきます。速度U「0.5」、圧力P「0.1」、乱流k,ε「0.5」と入力します。

温度Tは浮力設定時に自動で0.9に下げられています。緩和係数を下げると収束までの反復回数が増えるため、上記で反復回数を変更しています。

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。

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、[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。ベクトル間隔が間引かれて表示されているため、「ベクトル間隔」のチェックを外し、ベクトル「速度」のボタンを押します。より細かいベクトルを見ることができます。

自然対流解析の速度ベクトル

ヒーターから上昇気流が生じ、両側の壁から下降していく様子がわかります。

次に、コンター「温度」のボタンを押し、温度コンターを表示します。

自然対流解析の温度

カラーレンジが広いので変更してみます。「表示オプション」を開き、カラーレンジで、「指定」、最小「12」、最大「16」に変更します。

再びコンター「温度」のボタンを押し、温度コンターを表示します。

自然対流解析の温度結果

ヒーターから温度の高い空気が上昇して広がっていく様子がわかります。


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