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1 デジタルエンジニアリング演習 流体 CAE 演習 (1) 2014 年 10 月 10 日 ( 金 ) 担当 : 杵淵郁也, 波田野明日可石川明克, 諸山稔員

2 流れの数値シミュレーション CFD = Computational Fluid Dynamics ( 数値流体力学 ) v t ( v ) v v 0 1 p 2 v F

3 流れの数値シミュレーション 保原充, 大宮司久明編, 数値流体力学 : 基礎と応用, 東京大学出版会 (1992)

4 Solidworks Flow Simulation 流体解析 熱伝導解析ソフトウェア 4 流体解析ソフトウェアのひとつ CAD ソフトSolidworks と統合 有限差分法ベース 様々な物理現象を取り扱う ex) 乱流 熱伝導 非ニュートン性 亜音速 超音速 回転機械 適用例 航空機の翼周りの流れ 石油プラットフォーム 血流 半導体製造 クリーンルームの設計 排熱設計 排水処理プラントの設計

5 練習問題 計算条件 流体 流速翼型翼弦長迎角 空気密度 = kg/m 3 粘度 m = x 10-5 kg/m s U = m/s NACA0012 c = 2 m a a U L 流れのレイノルズ数を確認しておくこと D 課題 c 1 SolidWorks の操作方法を確認する 2 翼周りの流れの様子を可視化して確認する - 圧力分布はどのようになっているか? - 流線はどのようになっているか? 圧力分布との関係は? - 境界層内の速度分布はどのようになっているか? 3 揚力係数 C L, 抗力係数 C D を求め, 実験値と比較する - どの程度, 実験を再現できるのか? 合わない理由は何か?

6 計算系の概要 u 一様流 u v v U 0 p p 翼弦長 c 迎角 α 壁面 u 0 v 0 20 c 迎角の取り扱い方 翼型を傾ける 計算領域をなるべく大きくとる ( 無限遠方を近似的に再現する )

7 NACA0012 翼型の風洞実験データ 0.40 Data from Ladson, NASA TM 4074, 1988 Re = 6 x 10 6 M = 0.15 C D a [deg.] C L C D a [deg.] a [deg.] 15 20

8 参考 L 揚力係数 C L 1 2 U A 2 D 抗力係数 C D 1 2 U A 2 p p 圧力係数 C p 1 U 2 2 Uc レイノルズ数 Re m L 揚力 D 抗力 流体の密度 m 流体の粘度 U 主流の流速 p 主流の圧力 p 圧力 ( 任意の地点 ) A 翼面積 c 代表長さ ( 翼弦長 )

9 解析手順 9 形状の作成 今回の演習では一般的な翼型を基に作成する 計算条件の設定 境界条件 物性値 収束条件 : : 解析の実行 解析結果の検討

10 下準備 席が決まったら Windows を起動し ログインする 2. 以下のフォルダが存在する場合には 中身を全部削除しておく ( 以降の作業でトラブルの原因になるので ) C: SolidWorks 3. 以下のフォルダを作成する C: SolidWorks step1 arg10 4. 次に下記の HP アドレスから naca0012.txt をダウンロードし さきほど作成した C: Fluent step1 に置く 本ウェブページから資料やファイルを随時ダウンロードするので ブラウザのお気に入りにリンクしておくとよい

11 Solid Works の立ち上げ 11 スタート すべてのプログラム SolidWorks SolidWorks 2013 x64 Edition 1 ファイル 新規

12 Solid Works の立ち上げ 12 2 単位系を MKS(m, kg, 秒 ) に設定 OK 3 部品 が選択されていること確認 OK この画面が出てこない場合はそのまま次へ.

13 Solid Works の立ち上げ 画面右下の表示を確認,MKS となっていなければクリックして MKS に修正 13

14 翼の座標点の読み込み 14 フィーチャータブ カーブ 座標点カーブ

15 翼の座標点の読み込み 15 カーブファイル 参照 NACA0012.txt 開く

16 物体の作成 1 正面 2 スケッチ 3 エンティティ変換 4 カーブを選択 5OK 6 スケッチ終了

17 物体の作成 1フィーチャータブ押し出し 2 中間平面 3 厚さ 0.5m 4OK

18 操作法 1: 表示方向の変更方法 スクロールボタンでドラッグ 画面上の ボタンより変更 スペースキーを押す ( 英字入力に限る ) 等角投影 18

19 操作法 2: 拡大 縮小 移動 モデルを画面にフィット ( 画面全体表示 ) 一部の拡大縮小 ( ドラッグで指定 ) スクロールで画面の拡大縮小も可 Ctrl キーを押しながらドラッグでモデルを移動 19

20 カーブの非表示 カーブを右クリック 眼鏡マークをクリック 20 カーブ非表示

21 物体の回転の準備 ( フィーチャータブにボディの移動 / コピーがあれば飛ばす ) 21 1 カスタマイズ ショートカットバー 3 ツールバーでフィーチャーを選択 4 ボディの移動 / コピーをドラッグ & ドロップ ( 次ページ参照 ) 5OK 5

22 物体の回転の準備 ( フィーチャータブにボディの移動 / コピーがあれば飛ばす ) 22 ボディの移動 / コピードラッグ & ドロップ を

23 物体の回転 23 1 ボディの移動 / コピー 2 移動するボディ 3 作成した翼を選択 4 合致設定タブが出ている場合, スクロールダウンして移動 / 回転をクリック スクロールして移動 / 回転 4 2 ここをクリック 3 物体をクリック

24 物体の回転 24 1 回転タブ 3 2Z 軸回転に [ deg ] を入力 4OK 2

25 保存 物体が目的の迎角に回転されたことを確認し, 保存する 下図はカーブを再表示 正面方向表示しています 25

26 シミュレーションの準備 26 アドイン 既に Flow Simulation のタブがあればとばす SolidWorks Flow Simulation 2013 のアクティブアドイン, スタートアップにチェックを入れる OK

27 シミュレーションの開始 27 1 Flow Simulation タブを選択 2 ウィザードをクリック

28 ウィザードを用いた設定 プロジェクト名を適当につけ, 次へ 単位系 SI(m,kg,s) を選択し, 次へ 迎角 10 28

29 ウィザードを用いた設定 解析タイプ外部流れを選択次へ デフォルト流体気体 空気 追加次へ 29

30 ウィザードを用いた設定 壁面条件 特に変更せず, 次へ 初期及び環境条件 X 方向の速度に [ ] と入力し, 次へ 30

31 ウィザードを用いた設定 結果と形状レゾリューション 結果レゾリューションのスライドバーを 6 に移動し, 終了 31

32 計算領域の設定 プロジェクト 計算領域 定義編集 32

33 計算領域の設定 タイプ 2Dシミュレーション XY 平面寸法と条件 x: -20 ~ 20 m,y: -20 ~ 20 m, z: ~ m 33

34 出力と収束条件の設定 1ゴール グローバルゴールの挿入 2 静圧 速度 (X, Y) の平均値にチェック 3OK

35 出力と収束条件の設定 1ゴール サーフェスゴールの挿入 2 面選択画面のハイライト確認 3サーフェス選択 4 力 (X, Y) の 5 平均値にチェック 5OK 2 ハイライト確認 3 側面をクリック

36 出力と収束条件の設定 1ゴール 方程式ゴールの挿入 2SG 力 (Y) をダブルクリック 式 (E) に表示される 3 揚力係数を求める式を入力 4 単位なし を選択,OK 5 名前を 揚力係数 に変更 6 同様に 0.01) 抗力係数も設定 面積 A は, 翼弦長 解析域の奥行き 3 揚力係数の式を入力スライド 5, 8 を参照 揚力係数 に変更 36

37 計算終了条件の設定 1 1 計算コントロールオプション 下のウィンドウ出現 2 2 条件設定の終了 [ すべてを満足した場合 ] に変更 3 3 揚力係数 抗力係数のゴールの基準 自動 から 手動 に変更 適切な値を入力 ( 例 : 1e-5) 37

38 解析実行 38 実行 新規計算 実行 解析の注意点 揚力係数 C L, 抗力係数 C D の値が収束しているか? 流れ場を可視化してみて, 妥当な結果になっているか? を確認し, 反復計算が足りない場合には, さらに追加で計算させる. また, 計算が十分に収束したのであれば, 途中で計算を中断しても良い.

39 解析画面の見方ゴールのグラフ表示 コンター表示 解析実行で下画面がポップアップ 39 解析途中の値をモニターすることが出来る

40 解析画面の見方 ゴールのグラフ表示 40 解析途中の値をモニターすることが出来る 揚力 抗力係数にチェック コンター表示

41 異なる角度を解析する際の注意!!! 計算を始める前に, 新しいフォルダを作成し, 新しいフォルダに名前をつけて保存する. 名前だけを変えた場合は, 結果が上書きされてしまうので注意. 計算を実行する時点で上書きが始まるので, 計算をする前に 新しいものを保存すること コンフィギュレーションを用いると, より便利に条件の異なる解析が出来る. 知りたい人はチュートリアル, テクニカルレファレンスなど参照のこと. 41

42 本日の課題 42 迎角を 3 通り変化させて計算を行い TA に計算結果 ( 揚力係数 C L, 抗力係数 C D ) を確認してもらう それぞれの迎角について 流れ場の可視化結果のスクリーンショットを保存しておくこと TA にスクリーンショットを見せて 流れ場がどのようになっているか説明する 迎角 a 揚力係数 C L 抗力係数 C D 計算値 実験値 計算値 実験値 10

43 レポート課題 計算条件 流体空気密度 = kg/m 3 粘度 m = x 10-5 kg/m s 流速 U = m/s 翼型 NACA0012 a 翼弦長 c = 2 m U 迎角 a = 0~20 課題 迎角を大きくしていくと ある角度で急激に揚力が減少し 抗力が増加する この現象を失速という L D c 失速する前と 失速した後の流れを計算し 翼表面における圧力分布 せん断応力分布を求めよ これらの分布から 失速により揚力が減少し 抗力が増加する理由を説明せよ ( 次のページのヒントを参照 ) 提出期限 : 10 月 23 日 ( 木 ) 演習に持参のこと

44 圧力 せん断力分布と物体に働く力の関係 F F x y psin ds cos ds w p cos ds sin ds p dy w p dx dy w dx w y x 揚力 L a F y F 抗力 D ds せん断力 w 主流 U 迎角 a F x a ds 圧力 p 翼表面に沿って反時計周りに積分

45 計算終了後 : 計算結果のロード 45 自動で結果がロードされない場合, 又は過去の計算結果が見たい場合, ロード / アンロードボタンをクリック 自動で結果がロードされる

46 計算結果の可視化 : 圧力コンター 46 1 断面プロット挿入 4 OK 2 コンタークリック 3 タブから圧力を選択

47 計算結果の可視化 : 圧力コンター 47

48 計算結果の可視化 : 流速ベクトル 48 1 断面プロット定義編集 ( 又は新たに挿入 ) 4 OK 2 コンターとベクトルをクリック 3 タブから速度を選択 矢印の間隔 サイズを指定

49 計算結果の可視化 : 流速ベクトル スケールバーの左側にマウスを持っていくと, バーのドラッグで色分割数を変えられる 矢印の間隔 サイズは断面プロットの定義編集より変更できる 49

50 計算結果の可視化 :XY プロット 50 ライン上のプロットのために, スケッチ挿入 1 1Feature Maneger クリック 3 2 正面を右クリック 2 3 スケッチをクリック

51 計算結果の可視化 :XY プロット エッジを選択 2 エンティティ変換 3 スケッチ終了 3

52 計算結果の可視化 :XY プロット 52 1 断面プロット非表示 3 作成したスケッチを選択 4 圧力 せん断応力を選択 2XY プロット挿入 5 表示

53 計算結果の可視化 :XY プロット 追加のパラメータより, 2 モデル形状の X,Y 座標にチェックを入れて 3 Excel にエクスポート

54 計算結果の可視化 :XY プロット 54 表示の場合 Excel エクスポートの場合 54

55 計算結果の可視化 : 流跡線の表示 流跡線の表示のため, スケッチを作成 1Feature Maneger クリック 2 正面を右クリック 3 スケッチをクリック

56 計算結果の可視化 : 流跡線の表示 56 流れの少し上流に直線を描画,OK, スケッチ終了 56

57 計算結果の可視化 : 流跡線の表示 57 1 流跡線の挿入 2 作成したスケッチを選択 3 OK 流跡線の本数を指定 ラインの種類の変更 57

58 計算結果の可視化 : 流跡線の表示 58 描いた線分を通る流跡線の表示流跡線の定義編集で本数 太さ 色などを調整, また線分スケッチの編集などを用いて見やすいよう工夫する.