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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) 2016 年 9 月 29 日 ( 木 ) 担当 : 長藤圭介, 井ノ上泰輝石川明克, 市川保正, 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 2

3 流れの数値シミュレーション 3 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 計算条件 練習問題 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 翼弦長 c = 2 m 迎角 a a U L 流れのレイノルズ数を確認しておくこと D 5 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 (p.7) を再現できるのか? 合わない理由は何か?

6 計算系の概要 6 u 一様流 u v v p p U 0 翼弦長 c 迎角 α 壁面 u 0 v 0 10 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 7 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 8 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 仰角を変えた場合は 別フォルダを作ること (arg20 など ) 4. 次に下記の HP, スケジュール表内より naca0012.txt をダウンロードし さきほど作成した C: SolidWorks 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 スタート すべてのプログラム ( すべてのアプリ ) SolidWorks2015 SolidWorks 2015 x64 Edition 11 1 画面左上をマウスオーバー ファイル 新規

12 Solid Works の立ち上げ 12 2 下記画面が出たら単位系を 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 カーブファイルウインドウが表示 1 参照 2NACA0012.txt を保存したフォルダを選択 3 ファイル形式 (*.txt) を選択 4NACA0012.txt を選択 5 開く 6OK

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 方向 1 タブで 17 2 中間平面を選択 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 照明 アンビエント 右クリックで 照明編集 を選択 アンビエントの数値を 1 に変更でコンターを明るくできます 19

20 カーブの非表示 カーブを右クリック 眼鏡マーク 20 をクリック 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 2 ここをクリック 1 ボディの移動 / コピー 3 物体をクリック 2 移動するボディをクリック 3 作成した翼を選択 4 移動 / 回転をクリック 4

24 物体の回転 24 1 回転タブ 2Z 軸回転に [ deg ] を入力 3OK 3 1 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 既に Flow Simulation のタブがあればとばす 26 アドインをクリック SolidWorks Flow Simulation 2015 のアクティブアドイン, スタートアップにチェック 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 2 1

28 ウィザードを用いた設定 28 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

29 ウィザードを用いた設定 29 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 追加流れタイプ 乱流のみに変更次へ

30 ウィザードを用いた設定 30 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

31 ウィザードを用いた設定 31 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

32 計算領域の設定 32 計算領域を右クリック 定義編集

33 計算領域の設定タイプの 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 OK 33 この厚みが翼面積に影響します

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

35 出力と収束条件の設定 1ゴールを右クリック 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) 力(Y) の 5 平均値にチェック 5OK 2 ハイライト確認 35 3 側面をクリック 4 1

36 出力と収束条件の設定 1ゴールを右クリック 方程式ゴールの挿入 2 式欄でカーソル点滅でSG 力 (Y)1をクリック 式に表示される 3 揚力係数を求める式を入力 4 単位なし を選択 5 名前を 揚力係数 と入力 6OK ( 単位なしの右の方 ) 7 同様にもう 1 つ方程式ゴールの挿入して抗力係数も設定 2 クリック 0.01) 5 入力 4 36 面積 A は, 翼弦長 解析域の奥行き 2 表示される 3 揚力係数の式を入力スライド 5, 8 を参照 1

37 計算終了条件の設定 計算コントロールオプション 下のウィンドウ出現 2 条件設定の終了停止基準 [ すべて達成 ] に変更 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 : 揚力係数 1e-4 抗力係数 1e-5 4 OK

38 解析実行 38 1 実行 2 計算実行の新規計算 3 実行 1 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. 2 3

39 解析画面の見方 解析実行で下画面がポップアップ 39 グローバルプロット プレビュー挿入 クリックすると解析途中の値をモニターできる ( 次ページ )

40 解析画面の見方 グローバルプロット 解析途中の値をモニターすることが出来る 40 揚力 抗力係数にチェック プレビュー挿入 縦軸の最大 最小値をダブルクリックして数値を入力し, スケールを調整できる 計算が終了したら, スライド 45 以降の通り解析結果を可視化 保存し, その後, 異なる角度での計算を行う

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 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 翼弦長 c = 2 m 迎角 a = 0~20 U 課題 レポート課題 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 a L D c 各自 迎角を 3 種類計算し 迎角に対する揚力係数と抗力係数をグラフにせよ (1) スライド 7 の実験値と計算値を比較せよ (2) 3 点以上プロットして考察する場合は 同じ班でデータを共有しても良い 失速する前と失速した後の流れに関して 解析結果を可視化 ( 圧力コンター (3), 流速ベクトル (4), 流跡線 (5), 圧力 / せん断応力の XY プロット (6)) して比較せよ また, エクセル上で 翼表面における圧力 / せん断応力を, 揚力 / 抗力成分に分解 (7) して考察せよ ( エクセル上で それらを周積分し F x, F y が SW のそれと合致しているかを確認 ) 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 (8) ( 次のページのヒントを参照 ) 各自, 提出期限 :10 月 7 日 ( 金 ) 17 時, 提出先 : 機械系事務室のレポート回収 BOX 43

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 F y =L 揚力 x F 圧力 p 主流 U 迎角 抗力 F x a =D ds せん断力 w ds 翼表面に沿って反時計周りに積分 44

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 断面プロットを右クリック 挿入 4 OK 2 コンタークリック 3 タブから相対圧力を選択

47 計算結果の可視化 : 圧力コンター 47 スクリーンショットを保存例 : キーボードの Print Screen キーを押し,Windows アクセサリのペイントを開き, 貼り付けし, 名前をつけて保存

48 計算結果の可視化 : 流速ベクトル 1 断面プロット 1 を右クリックし, 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 48 PC への負荷が大きくクラッシュしやすい事前にファイルを保存 矢印の間隔 サイズを指定 間隔の数値が小さいと PC 負荷が大きい

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 スクリーンショットを保存その後, 断面プロット 1 を右クリックして非表示にしておく 49

50 計算結果の可視化 :XY プロット ライン上のプロットのために, スケッチ挿入 Feature Manager 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 1 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 1 断面プロット表示されたままなら非表示に変える 52 3 作成したスケッチを選択 XY プロット挿入 4 せん断応力 相対圧力を選択 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 2 モデル形状,X,Y にチェック,OK 3 X,Y にチェック 5 4 解像度タブ, アイコン ( 均等に分布した出力ポイント ) をクリック,500 を入力 5 Excel にエクスポート 6 OK

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 グラフ上で右クリックから保存できる

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 Manager 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 4 1 直線 2 流れの少し上流に直線を描画 3OK 4 スケッチ終了

57 計算結果の可視化 : 流跡線の表示 57 1 流跡線挿入 2 作成したスケッチを選択 3 OK 3 前ページでスケッチ終了していないと, 選択できない 2 流跡線の本数を指定 1 ラインの種類変更 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. スクリーンショットを保存

59 スケジュール ( 前半,Group b) 内容場所備考 9/29 木 1 流体講義 B 10/7 〆切レポート ( 各自 ) 9/30 金 2 流体講義 2+ 設計 2-13B 10/3 月 3 振動講義 B 10/6 木 4 振動講義 2+ ワイヤカット見学 2-13B 10/7 金 5 流体 振動設計 2-13B /13 木 6 流体 振動設計 流体中間試問 15 分 16 組 10/14 金 7 流体 振動設計 振動中間試問 15 分 16 組 10/17 月 8 流体 振動設計 流体試し計測 2-13B 振動設計図提出 試問時にチェックリスト提出 2-13B 試問時にチェックリスト提出順番に翼の加工 計測へ 2-13B 振動設計図提出 10/24 月 9 流体計測 2-13B アピールシート提出 12/?? (10) 講評会 発表会 :00~ メカトロカップとジョイント 12/?? 〆切レポート ( 各自 )

60 デジタルエンジニアリング演習座席表 (Group b) スクリーン スクリーン 河鰭公祥 木村和樹 佐々木光 清水泰之 高橋彬 淺川悟大 1 班辻本敦司辻本雄太郎 2 班 5 班 中井俊介 南野暖 8 班 11 班 濱田晃弘 竹内智顕 14 班 松元佑樹 丸屋翔 宗廣直頼 安場翼 吉田健人 平岡直樹 小林将也 佐藤匠 杉山颯 髙橋奈々志水正親 綱野雄太 3 班 6 班 中谷起也 西健太 9 班 12 班 原駿一郎 千島大樹 15 班 宮本光 村上大巧 山田雄大 吉田龍 平能敦雄 小山裕暉 篠田一洋 高藤大輝 高橋洋介 森本広樹 恒川一晟 4 班 7 班 中野喬博 西野司 10 班 13 班 平井翔 辻孝仁 16 班 武藤優哉 村田健吉 吉田慎太郎 四元聡 堀直樹