OpenFOAM 流体構造連成解析 概要 : OpenFOAM-1.5-dev に搭載されている連成解析 ソルバー (icofsifoam) と 公開されている片持ち梁の 例題 (flappingconsolesmall) を使って それらの使用方法と ( 例題の ) 拡張方法を演習する

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1 OpenFOAM 流体構造連成解析 概要 : OpenFOAM-1.5-dev に搭載されている連成解析 ソルバー (icofsifoam) と 公開されている片持ち梁の 例題 (flappingconsolesmall) を使って それらの使用方法と ( 例題の ) 拡張方法を演習する

2 目次 はじめに プログラム (icofsifoam) の説明 公開ケース (flappingconsolesmall) の説明 DEXCS ランチャーの説明 解析実習とパラメタ変更要領の概説 解析事例の紹介と課題

3 はじめに ( 背景 ) OpenFOAM による流体構造連成解析 公開版 (~1.7.0) 標準ソルバーは存在しない 拡張版 (1.5-dev) に icofsifoam 有るが tutorial は無い 一般公開情報はいくつか存在

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5 icofsifoam 情報

6 icostructfoam 情報

7 icostructfoam 情報 2

8 事前調査

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10 プログラム (icofsifoam) の説明

11 プログラムの構成 DEXCS-FSI 版では 一部 を改変

12 改変内容

13 改変内容 ( つづき )

14 プログラムの概要 連成計算用境界条件 メインプログラム

15 メインプログラムの概要 (1) FSI 用境界条件 tractiondisplacement icofsifoam 用カスタマイズ部分 流体 固体部で 各々メッシュ作成初期場設定

16 メインプログラムの概要 (2)

17 setpressure オリジナル改変 ( 追加 ) 部分

18 solvesolid soliddisplacementfoam.c とほぼ同じ

19 setmotion オリジナル改変 ( 追加 ) 部分

20 solvefluid icofoam.c (PISO loop) (?) SIMPLE loop

21 公開ケースの説明 ΔX=6 ΔZ=0.2 topwall ΔY=1 Ux=4 inlet consolefluid outlet ν=0.001 ρ=1 npoints: ncells: 4900 bottomwall E= ρ=1000 npoints: 1012 ncells: 450 consolesolid D=0.05

22 ケースファイルの構成

23 ケースファイルの構成 計算実行後に作成されるファイル

24 ケースファイルの構成 ( 計算に必要なデータ ) 速度メッシュ変形圧力 メッシュデータ 連成条件動メッシュ条件 流体特性 変位 メッシュデータ 物性 ( 機械的特性 ) 計算制御パラメタ

25 ケースファイルの構成 ( メッシュ作成時点 ) メッシュ作成後 メッシュ作成前 流体部 境界名定義ファイル メッシュ定義データ 固体部 境界名定義ファイル メッシュ定義データ

26 ケースファイルの構成 ( 計算開始後 ) 計算開始前 計算開始後 流体部メッシュ座標 固体部メッシュ座標 sec 毎に出力

27 DEXCS_FSI ランチャーの説明

28 DEXCS-FSI のファイル構成 ParaView Linux 用バイナリモジュール icofsifoam ソースコード修正版 ランチャープログラム 公開ケースを簡単に GUI 操作できるようにしたもの (blockmeshdict ベースで形状やパラメタ変更を実施 ) 公開ケースと同等形状を blender モデルをベースに解析できるようにしたもの 同上の 3D 版

29 DEXCS template (icofsi0) DEXCS 公開ケース コピー利用 修正利用

30 DEXCS template (icofsi0) DEXCS 公開ケース 公開ケースのファイル構造を基本的に踏襲但し 正しく動作しない部分 ( 赤枠部 ) は修正を実施 work フォルダ下にてメッシュ作成

31 DEXCS_FSI ランチャーによる解析実行 ( 標準モデルの場合 ) 公開ケースで使用しているパラメタそのままでは使えず 変更したそのまま使うしかなさそう他にも選択の余地がありそうケーススタディ 検証対象になる DEXCS 固有のカスタマイズパラメタ ( パラメタ説明図の例 )

32 解析フォルダの設定 新規作成すると テンプレートファイルが自動でコピーされる

33 流体メッシュ blockmeshdict の確認と編集 形状やメッシュ分割方案を変更したい場合には blockmeshdict を直接変更する 変更の際には ブロックや節点番号表示を見ながら作業すると良い

34 流体メッシュ メッシュの作成 (blockmesh の実行 )

35 流体メッシュ メッシュの確認

36 流体メッシュ - メッシュ確定

37 固体メッシュの作成

38 境界条件

39 境界条件 ( 連成 )

40 物性 流体特性 固体特性 ( 機械材料特性 ) 動粘性係数密度 密度ポアソン比ヤング率

41 計算実行 (controldict) probe 設置位置 流体力を計算する patch 名を指定

42 計算実行 (fvsolution)

43 計算実行 (icofsifoam)

44 結果処理 (foamlog)

45 結果処理 (post -- displacement) 固体 ( 梁 ) の節点座標梁の先端位置

46 結果処理 (gnuplot) 梁の先端変位 1 時間

47 結果処理 (gnuplot) 続き probe 上流点圧力 流体力 (X 方向 ) 初期残渣 probe 下流点圧力 流体力 (Y 方向 ) 初期残渣 ( リスタート前 ) リスタート開始 時間 リスタート前の foamlog 結果は自動消去されるので必要なら別ファイル名に変更して保存しておくこと

48 結果処理 ( グラフ表示形式変更 )

49 結果 (parafoam) 流体部のみ表示 固体部のみ表示

50 DEXCS_FSI ランチャーによる解析実行 ( 標準モデルの形状変更 ) blender 形状モデル blockmeshexporter GUI

51 DEXCS template 2(icoFsi1) createpatch autopatch blockmesh blockmesh 1 blockmeshexportergui 形状変更の際に blockmeshdict createpatchdict を都度 手修正変更にて使用できるようにしたもの 公開ケースと同等形状の blender モデル

52 DEXCS template 3(icoFsi2) 4 createpatch 3 2 autopatch blockmesh 1 blockmeshexportergui icofsi1 と基本構造 やり方は同じ Blender 形状データが 3D 化結果処理用スクリプトを適合

53 テンプレートの変更方法 どれか一つ選択 既存の解析実施済みのフォルダでも OK この設定以降に作成される新規解析フォルダに適用される 但し ランチャーを終了すれば本設定変更はリセットされる 作成済みの解析フォルダには影響しない

54 解析例の紹介

55 梁の先端位置 解析例 1( 公開ケース ) 60mm 時間 probe 上流点圧力 流体力 (X 方向 ) 14N 100pa 流体力 (Y 方向 ) probe 下流点圧力 時間 時間

56 考察 1 公開ケース (2D) 解析したい事象?(3D) B=0.2 H=1 L=0.6 L=0.6 D=0.05 D=0.05 曲げの固有振動数は同一しかし 流れ場が大きく異なる 3D で計算してみよう!

57 解析例 2(3D) Ncells=204,500 Npoints=216,652 inlet topwall outlet consolefluid bottomwall Ncells=4,500 Npoints=5,566

58 片持ち梁先端変位 10mm 解析例 2(3D)( 参考 ) 流れ方向 流体力 1N 後流部圧力変化 1 pa 時間 (10 秒 ) 横断方向 時間 (1 秒 ) ダクト 1.0 L6.0 U=4m/s 片持ち梁 0.05 L0.6 流体部メッシュ Ncells=204,500 Npoints=216,652 固体部メッシュ Ncells=4,500 Npoints=5,566

59 3D 計算の補足 初期流れ場は icofoam x 20sec 計算 yes 初期流れ場は静止状態 no no 計算中

60 初期流れ場は静止状態 再計算の状況 (3D) 初期流れ場は icofoam x 6sec 計算

61 考察 2 公開ケース (2D) (2D 計算で何とかできないか?) 解析したい事象?(3D) B=0.2 H=1 L=0.6 L=0.6 D=0.05 D=0.05 曲げの固有振動数は同一しかし 流れ場が大きく異なる 解析領域の拡大はどうか?

62 解析例 3 blockmesh 40 分割 H=3 部を変更 ( 解析例 1) 20 分割 H=1

63 梁の先端位置 解析例 3 13mm 時間 probe 上流点圧力 流体力 (X 方向 ) 流体力 (Y 方向 ) 3N 18pa probe 下流点圧力 時間 時間

64 解析例 3( 続き ) 梁の先端位置 時間

65 解析例 3 解析例 3 改

66 解析例 3 解析例 3 改

67 解析例 3 解析例 3 改

68 まとめ 1. OpenFOAM-1.5-dev の icofsifoam を使って 流体構造連成解析を実施した 2. 一般公開情報をそのまま使った解析では問題があり さらなる工夫が必要であった 3. これまでの実施例では 概ね合理的な計算結果が得られているが 十分な検証が出来ているとは言い難い 4. 非定常計算には長大な計算時間がかかるが icofsifoam は並列計算に対応できておらず 実用面では問題になる 5. 今回取り上げなかった icostructfoam(of-1.6/1.7 で動作 OK) もソルバーの改変や使い方の工夫で適用可能性はありそう

69 参考資料

70 片持ちはりの変形 L=0.6 D=0.05 E= I=D 4 /12 I=BD 3 /12 L=0.6 D=0.05 B=0.2 δ W W EI WL = = = / / δ W W EI WL = = = / / δ E= δ

71 片持ちはりの曲げ振動 D=0.05 A= D 2 I=D 4 /12 L=0.6 I/A=D 2 /12 D=0.05 B=0.2 L=0.6 A= BD I=BD 3 /12 I/A=D 2 /12 λ ω = L = 0.6 EI λ = ρa L 2 ED 12ρ = 6.67 rad/sec E= ρ=1000

72 カルマン渦の放出周波数 D=0.05 U=4 D=0.05 ν=0.001 U=4 Re=200 St=0.2 fs=st U/D=16

73 ストローハル数 ( 角柱の場合 ) 辺長比 B/D(B: 角柱の幅,D: 奥行き ) D=0.05 ν=0.001 U=4 Re=200 St=0.13 fs=st U/D=10.4

74 もんじゅ 事故と原因究明の現状 より 二次主冷却系の温度計は, 主配管の横腹に設けられた管台に溶接され, 温度計さやが配管内に約 185mm 突き出した構造となっている このうち, さやの先端約 150mm の部分は, 直径が 10mm と細くなっている ( 図 4-2 参照 )

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77 FSI 境界面定義方法の問題 公開ケース ( オリジナル ) DEXCS autopatch createpatch