PowerPoint プレゼンテーション

Transcription

1 The Future of Making Things ~ものづくりの 未 来 ~ Autodesk Simulation Day 2015 Autodesk CFD 解 析 テクニック メッシュおよびソルバー 設 定 オートデスク 株 式 会 社 技 術 営 業 本 部 シミュレーションスペシャリスト 梅 山 隆

2 Agenda メッシュの 要 件 ソルバーコントロール 質 量 保 存 とエネルギーバランス 参 考. 乱 流 モデル おまけ.Surface Wrap

3 メッシュの 要 件

4 よいメッシュとは? メッシュに 依 存 しない 結 果 となっていること dp = 57.3 Pa コーナー 部 の 結 果 は 明 らかにメッシュ 依 存 があります dp = 49.4 Pa

5 形 状 を 再 現 しているメッシュになっているか? CADモデル 形 状 を 正 しく 再 現 するだけのメッシュ 密 度 になっていますか? メッシュが 粗 すぎて 実 際 の 形 状 が 再 現 できていない メッシュの 細 分 割 が 必 要!

6 狭 い 流 路 のメッシュコントロール 悪 い 例 境 界 層 メッシュが 四 面 体 と 比 較 し 大 きい 良 い 例 小 さい 境 界 層 メッシュと 隙 間 に 十 分 なメッシュ が 存 在 サーフェス/ギャップ 細 分 割 を 必 要 に 応 じて 活 用 ギャップ 細 分 割 では 流 体 領 域 で3 層 が 一 般 的 に 良 好 薄 い 固 体 層 を 考 慮

7 ギャップ 部 のメッシュ 薄 い 部 分 の 流 れ 温 度 の 勾 配 を 再 現 するために 考 慮 すべきポイントは?

8 ギャップ 部 のメッシュ メッシュサイズの 影 響 メッシュ 設 定 オートメッシュサイズ サイズ 調 整 :0.5 サイズ 調 整 :0.1 サーフェスおよび ギャップ 細 分 割 要 素 数 ( 固 体 + 流 体 ) 必 要 メモリ 解 析 時 間 チップ 最 高 温 度 11,795 48,114 3,264, ,479 83MB 147MB 3514MB 320MB 24sec 63sec 3,236sec 186sec

9 ギャップ 部 のメッシュ メッシュサイズの 影 響

10 ギャップ 部 のメッシュ サーフェスおよびギャップの 細 分 割 をON ギャップ 内 の 流 体 要 素 を3 以 上 に

11 メッシュ 依 存 性 の 簡 単 な 検 討 方 法 自 動 メッシュサイズで 解 析 し 重 要 な 結 果 をサマリー 値 としてピックアップ シナリオを 複 製 し すべての 部 品 を0.7の 細 分 割 で 解 析 実 行 デシジョンセンターで 結 果 を 比 較 結 果 の 数 値 の 差 が5% 以 下 :メッシュ 設 定 に 依 存 していないと 考 えられる 差 が 大 きい 場 合 : 更 に0.7の 細 分 割 で 解 析 を 繰 り 返 し 結 果 を 比 較

12 アダプティブメッシュの 利 用 自 動 メッシュサイズに 基 づいてアダプティブメッシュをすることも 可 能 ですが 前 述 の 方 法 でメッシュサイズを 設 定 してからアダプティブメッシュを 行 うと よ りメッシュを 絞 り 込 むことができるようになります

13 メッシュ 作 成 についてのポイント-まとめおよび 追 加 情 報 形 状 を 再 現 するのに 十 分 なメッシュサイズを 隙 間 や 流 路 は 少 なくとも4~5 要 素 を 確 保 理 想 的 には 各 隙 間 は 壁 面 からの 流 れの 勾 配 が 表 現 できるだけの 要 素 が 必 要 メッシュエンハンスメントの 利 用 も 有 効 サーフェス 細 分 割 ギャップ 細 分 割 を 有 効 に サーフェス 細 分 割 はエッジ 上 だけではなくサーフェス 上 もコントロールします ギャップ 細 分 割 は3 層 が 精 度 と 解 析 時 間 のバランスがよいと 考 えられます メッシュ 依 存 性 の 確 認 ファンやブロワ 抵 抗 には 均 一 なメッシュで 肉 厚 方 向 に4~5 要 素 を 確 保 他 にボリューム 成 長 率 の 設 定 もメッシュ 制 御 には 有 効 です

14 ソルバーコントロール

15 ソルバーコントロール 定 常 解 析 では 途 中 の 結 果 を 保 存 する 必 要 はありません 非 定 常 解 析 での 途 中 結 果 保 存 は40~50 程 度 がよいでしょう 保 存 ステップ 数 が 多 い 場 合 十 分 なメモリ 容 量 が 無 いと ソフトウェアの 反 応 が 遅 くなる 原 因 ( 結 果 が 戻 ってこないなど)になります 参 考 : 失 われた 結 果 の 復 活 方 法

16 ソルバーコントロール-ソリューションコントロール 対 流 項 計 算 スキームADV5は 多 くの 場 合 よい 結 果 が 得 られます ただし 以 下 の 場 合 にはADV1を 使 用 します サーフェス 抵 抗 を 利 用 自 由 表 面 解 析

17 ソルバーコントロール-ソリューションコントロール 収 束 条 件 の 調 整 減 少 させると 解 析 時 間 は 長 くなりますが 一 般 的 には 精 度 が 向 上 します (ただし 十 分 に 細 かいメッシュが 必 要 ) 収 束 に 達 する 前 に 解 析 終 了 しないように 収 束 回 数 を 多 くします

18 ソルバーコントロール- 出 力 結 果 オプション 既 定 では 無 効 になっている 以 下 の 結 果 の 利 用 方 法 壁 面 y+ 値 マッハ 数 流 れ 関 数

19 ソルバーコントロール- 出 力 結 果 オプション 壁 面 Y+ 値 選 択 した 乱 流 モデルに 応 じた 適 切 な 境 界 メッシュを 作 成 することが 重 要 です SST k-ω: y+<1 k-ε:35<y+<300 y+を 低 くするにはメッシュエンハンスメントを 変 更 することが 簡 単 です マッハ 数 マッハ 数 <0.3: 非 圧 縮 性 流 体 として 解 析 可 能 0.3 マッハ 数 <0.8: 亜 音 速 圧 縮 性 流 体 マッハ 数 0.8: 圧 縮 性 流 体 衝 撃 波 が 発 生 し 始 めます

20 ソルバーコントロール- 出 力 結 果 オプション 節 点 でのアスペクト 比 (NAR:Nodal Aspect Ratio) 流 れ 関 数 を 有 効 にします メッシュ 品 質 のよい 指 標 になります 理 想 的 にはほとんどのNARが100~150 低 いNAR(~1)では メモリ 使 用 量 が 少 なくなります NAR=1 1GB/1Mメッシュのメモリ 使 用 量 多 くの 場 合 約 2.5GB/1Mメッシュ 特 に 重 要 な 領 域 でなければ0.5M 程 度 のNARは 許 容 されます ただし 解 析 時 間 は 若 干 伸 びます

21 ソルバーコントロール- 出 力 結 果 オプション 節 点 でのアスペクト 比 (NAR:Nodal Aspect Ratio): 続 き NARはボリュームメッシュ 作 成 / 最 適 化 失 敗 時 の 問 題 位 置 を 特 定 するために 活 用 可 能 です 小 さい 隙 間 や 角 度 のある 部 分 に 境 界 層 メッシュを 作 成 する 際 に メッシュ 作 成 が 失 敗 することが 多 い

22 ソルバーコントロール- 出 力 結 果 オプション 問 題 箇 所 の 確 認 方 法 メッシュエンハンスメントを 無 効 化 メッシュ 作 成 等 値 面 結 果 でNARを 表 示 ( 高 いNARが 問 題 の 箇 所 ) CADに 戻 って 修 正 細 分 割 によっても 問 題 解 決 可 能 ですが CADを 修 正 する 時 間 よりも 解 析 時 間 が 長 くなることが 多 いです 高 NARは 必 要 メモリ 容 量 と 解 析 時 間 を 増 大 させます

23 物 理 特 性 - 乱 流 モデル 多 くのアプリケーションに 適 した 乱 流 モデルがあります k-ε: 多 くの 解 析 に 適 用 可 能 です(デフォルト) SSTk-ω: 外 部 空 気 力 学 内 部 圧 力 損 失 壁 面 での 温 度 勾 配 の 予 測 が 難 しい 時 混 合 長 モデル: 自 然 対 流 短 い 解 析 時 間 で 高 精 度 の 結 果 が 得 られる 場 合 があります

24 物 理 特 性 - 乱 流 モデル インテリジェント 壁 定 式 化 SSTk-ω: 自 動 的 に 有 効 k-ε: 精 細 メッシュ 時 に 有 効 にします Y+が35 以 下 の 場 合 にもY+の 影 響 が 除 去 されます

25 質 量 保 存 と エネルギーバランス

26 質 量 保 存 流 入 と 流 出 状 況 を 確 認! バルク 計 算 結 果 サマリーファイル ベクトル 結 果 粒 子 追 跡

27 質 量 保 存 流 出 口 で 再 循 環 が 発 生 していないか?

28 質 量 保 存 流 出 口 で 再 循 環 が 発 生 していないか? 流 出 境 界 条 件 (P=0)までの 距 離 が 短 すぎます おおよそ 流 出 口 直 径 / 幅 の10 倍 流 出 口 を 延 長 します この 延 長 により 流 出 境 界 条 件 に 達 する 前 に 循 環 が 終 了 します

29 質 量 保 存 併 せて 流 入 口 も 延 長 する 場 合 があります おおよそ 流 入 口 直 径 / 幅 の5 倍 流 入 口 を 延 長 します この 延 長 により 調 査 したい 部 分 に 到 達 する 前 に 流 れが 発 達 することができます この 延 長 が 無 い 場 合 良 い 結 果 が 得 られない 場 合 があります 内 部 領 域 への 流 入 部 分 (ダクトやポンプなど)を 省 略 しているなど

30 質 量 保 存 サマリーファイル 流 入 流 出

31 エネルギーバランス サマリーファイル 流 出 - 流 入 のエネルギー 差 固 体 からの 熱 移 動 量

32 質 量 保 存 およびエネルギーバランス 流 出 口 が 短 いと 流 出 口 から 逆 流 発 生 精 度 低 下 の 原 因

33 参 考. 乱 流 モデル

34 乱 流 とは 流 体 の 不 安 定 な 動 き

35 流 体 解 析 で 使 用 される 乱 流 モデル 流 れ 平 均 場 モデル (Reynolds Averaged Navier-Stokes:RANS) サブグリッドスケールモデル (Large Eddy Simulation:LES) ハイブリッド( 流 れ 平 均 場 +サブグリッドスケール)モデル (Detached Eddy Simulation:DES) 直 接 数 値 解 法 (Direct Numerical Simulation:DNS) 壁 関 数

36 乱 流 モデル 研 究 の 時 系 列

37 SST k-ω SST(Shear Stress Transport) k-ωはk-εとk-ωのハイブリッド 乱 流 モデルです 壁 近 傍 ではk-ωで 解 き サブレイヤーの 粘 性 の 解 析 を 可 能 とします 壁 から 離 れるとk-εに 移 行 します 壁 の 考 慮 事 項 y+: 100まで 許 容 理 想 的 には2 以 下 目 標 値 は0.3 10~100で 非 常 に 安 定 高 いy+の 時 には 壁 関 数 を 使 用 し 低 い 場 合 には 直 接 計 算 利 点 幅 広 い 流 れに 対 して 安 定 正 確 な 剥 離 の 予 測 ともに 発 生 する 逆 圧 力 勾 配 正 確 な 高 プラントル 数 ( 液 体 )の 壁 への 熱 流 束 予 測 欠 点 高 精 細 の 境 界 レイヤーメッシュ(10~15)が 必 要 高 曲 率 の 再 現 性 に 乏 しい

38 SST k-ω RC(Hellsten) 不 安 定 乱 流 構 造 利 点 SST k-ωの 利 点 に 加 え サイクロンにおいて 良 い 圧 力 予 測 欠 点 SST k-ωと 同 じく 高 精 細 の 境 界 レイヤーメッシュ(10~15)が 必 要 サイクロンにおいてほどほどの 流 れプロファイルの 精 度 適 用 :コアンダ 効 果 噴 流 が 近 傍 の 表 面 に 引 き 寄 せられる 現 象

39 SST k-ω RC(Smirnov-Menter) SST(Shear Stress Transport) k-ωに 回 転 および 曲 率 の 補 正 を 加 えたモデル Hellstenよりも 複 雑 な 数 学 的 改 良 がされている 利 点 SST k-ωの 利 点 に 加 え サイクロンにおいてHellstenと 同 等 の 圧 力 損 失 予 測 サイクロンにおいてHellstenよりもよい 流 れプロファイルの 精 度 欠 点 SST k-ωと 同 じく 高 精 細 の 境 界 レイヤーメッシュ(10~15)が 必 要

40 SST k-ω SAS Scale Adaptive Simulation(SAS) 不 安 定 領 域 での 乱 流 構 造 の 方 程 式 を 解 析 定 常 / 非 定 常 解 析 に 使 用 可 能 ( 非 定 常 解 析 に 使 用 することを 推 奨 ) 不 安 定 領 域 をLESの 様 な 挙 動 で 構 造 を 解 く 利 点 最 新 の 解 析 乱 流 モデル 技 術 乱 流 構 造 を 必 要 とする 時 最 も 合 理 的 な 選 択 肢 同 等 の 解 析 精 度 においてDESよりもメッシュ 依 存 性 が 小 さい 欠 点 ここまでに 紹 介 した 他 の 乱 流 モデルよりも 非 常 に 計 算 コストが 高 い 最 高 精 度 の 結 果 を 得 るためには 高 精 細 な 境 界 層 メッシュが 必 要 乱 流 構 造 のアニメーションはできない 非 定 常 解 析 に 有 効 だが 長 い 解 析 時 間 が 必 要

41 SST k-ω DES Detached Eddy Simulation(DES) 不 安 定 領 域 での 乱 流 構 造 の 方 程 式 を 解 析 URANS( 非 定 常 ) SST k-ωとles(large Eddy Simulation)のハイブリッド 壁 近 傍 ではUnsteady RANSを 使 用 大 規 模 な 乱 流 スケールが 支 配 的 な 乱 流 コア 領 域 でLESを 使 用 利 点 剥 離 と 高 レイノルズ 外 部 空 気 力 学 において 最 高 の 精 度 完 全 LESよりも 効 率 的 欠 点 SST SASよりもさらに 計 算 コストが 高 い よりよい 結 果 を 得 るためには 均 一 でなめらかなメッシュ 分 布 が 必 要 メッシュサイズに 高 い 依 存 性 主 に 学 術 用 途

42 外 部 空 気 力 学 コアンダ 効 果 複 雑 な 乱 流 構 造 ストローハル 数 乱 流 モデル SST k-ωrc(hellsten) SST k-ω SAS SST k-ω SAS/DES メッシュ 要 件 層 厚 み 係 数 :1 エンハンスメントブレンド 有 効 フラグ 設 定 (オプション): mesh_enhance_thick: mesh_boundarylayer_blend:1 ソルバー 設 定 収 束 判 定 : 個 別 に 編 集 ( 次 ページ 参 照 ) コアンダ 効 果 と 同 様 のメッシュ フラグ 設 定 ( 推 奨 ): mesh_boundarylayer_blend:1 フラグ 設 定 ( 必 須 ): sst_new_iwf:1 定 常 解 析 収 束 判 定 : 個 別 に 編 集 ( 次 ページ 参 照 ) 非 定 常 解 析 非 常 に 小 さい 時 間 ステップ 複 雑 な 乱 流 構 造 と 同 様 のメッシュ 渦 の 発 生 領 域 を 均 一 のメッシュに フラグ 設 定 ( 必 須 ): sst_new_iwf:1 非 定 常 解 析 1サイクル 当 り100 時 間 ステップで 開 始

43 収 束 判 定 きつい 設 定 のさらに 二 桁 小 さく 設 定

44 事 例 :2X2ソーラーパネル 周 囲 の 流 れ

45 事 例 :2X2ソーラーパネル 周 囲 の 流 れ パネルサイズ:10 x10 設 置 角 度 :20 表 面 :2mm アダプティブメッシュ

46 事 例 :2X2ソーラーパネル 周 囲 の 流 れ アダプティブメッシュ 最 終 メッシュ 形 状

47 事 例 :2X2ソーラーパネル 周 囲 の 流 れ コアンダ 効 果 : 等 値 面 結 果 (20MPH)

48 事 例 :2X2ソーラーパネル 周 囲 の 流 れ 複 雑 な 乱 流 構 造 : 等 値 面 結 果 (20MPH) 非 定 常 解 析 :1e-5sec

49 まとめ 良 いメッシュを 得 るためにはメッシュツールを 活 用 します 特 に 薄 い 隙 間 の 部 分 には サーフェス 細 分 割 とギャップ 細 分 割 機 能 が 有 効 です Ver.2013で 追 加 された 対 流 項 スキームADV5は 多 くのアプリケーションに 対 して 有 効 です 質 量 保 存 とエネルギーバランスを 保 つためには 流 出 口 の 形 状 が 重 要 です 外 部 空 気 力 学 の 現 象 を 再 現 するためには 適 切 な 乱 流 モデルとメッシュ 制 御 が 重 要 です

50 おまけ.Surface Wrap

51 Surface Wrap CADモデルに 隙 間 があるなど そのままでは 解 析 できないモデルを 自 動 的 に 隙 間 を 埋 めてメッシュを 作 成 する 機 能

52 モデルの 読 み 込 み [Home]タブ:[Open] [Model Unit]ダイアログ:[OK]をクリック

53 モデルのセットアップ 外 部 境 界 サイズ 変 更 [Home]タブ:[Setup]:[Bounds]

54 モデルのセットアップ モデル 回 転 [Home]タブ:[Setup]:[Orient]

55 モデルのセットアップ 測 定 ( 外 部 境 界 からの 距 離 ) [Home]タブ:[Setup]:[Measure]

56 表 面 メッシュの 作 成 [Home]タブ:[Surface]:[Surface Mesh] Surface mesh sizing proximity threshold 設 定 値 以 下 の 位 相 的 に 隣 接 しない 要 素 をリファイン Model surface automatic repair precision(500~10000の 値 ) 小 さい 数 値 は 低 精 度 : 大 きなギャップを 修 正 し 小 さいフィーチャ 面 を 削 除 大 きい 数 値 は 高 精 度 : 小 さなギャップのみ 修 正 し 小 さいフィーチャ 面 を 残 す Model surface mesh nominal element size 公 称 要 素 サイズ Model surface mesh nominal minimum element size 最 小 要 素 サイズ Box:Bounding Boxの 要 素 サイズ

57 表 面 メッシュの 作 成

58 表 面 メッシュの 作 成 Model surface automatic repair precision Model surface automatic repair precision

59 体 積 メッシュの 作 成 [Home]タブ:[Volume]:[Volume Mesh] Volume mesh nominal element size 公 称 要 素 サイズ Volume Mesh global gradation rate(0~1) 粗 いメッシュから 細 かいメッシュへの 遷 移 Boundary layer number of layers モデル 表 面 の 外 側 に 作 成 する 境 界 層 のレイヤー 数 Boundary layer first layer thickness モデル 表 面 に 一 番 近 いレイヤーの 厚 み Boundary layer total thickness モデル 表 面 の 外 側 に 作 成 する 境 界 層 厚 み

60 メッシュの 確 認 [View]タブ:[Clipping]:[Clipping]

61 メッシュの 出 力 [Home]タブ:[File]:[Save As] Surface Wrap File 形 式 (.cfdw) Surface Wrap 専 用 ファイル 形 式 作 業 途 中 などを 保 存 Nastran File 形 式 (.nas) CFD 用 に 出 力 する 際 に 使 用 ツリー 上 のVolume mesh 以 下 のRegionで 右 クリック Suppress 不 要 のメッシュを 抑 制 します

62 Surface Wrap 使 用 時 の 注 意 点 ファイル 名 /パスに2バイト 文 字 があると 読 み 込 めません Dimensionsが2x2x2 UnitsがInchesと 表 示 されます Undo/Redoがありません 必 要 に 応 じてSurface Wrap File 形 式 で 保 存 します ファイルを 閉 じるときに 保 存 警 告 なしにファイルが 閉 じられます

63 Autodesk and the Autodesk logo are registered trademarks or trademarks of Autodesk, Inc., and/or its subsidiaries and/or affiliates in the USA and/or other countries. All other brand names, product names, or trademarks belong to their respective holders. Autodesk reserves the right to alter product and services offerings, and specifications and pricing at any time without notice, and is not responsible for typographical or graphical errors that may appear in this document.. All rights reserved.