Embedded CFD 1D-3D 連成によるエンジンコンパートメント熱収支解析手法の提案 June 9, 2017
. アジェンダ Embedded CFD 概要 エンコパ内風流れデモモデル 他用途への適用可能性, まとめ
V サイクルにおける,1D-3D シミュレーションの使い分け ( 現状 ) 1D 機能的表現 企画 & 初期設計 詳細 3D 形状情報の無い段階 1D 1D 空気流れ計算精度に限度 詳細な物理表現が必要 サイジング検討 ( 初期 ) 3D CAD が存在する段階 1D + 3D CFD Weak coupling 詳細形状 ( マップ化 ) Co-simulation Full 3D CFD 詳細形状 特定の境界条件における検討 サイジング / システム性能検証 定常詳細冷却性能解析 / 検証 1D 手法の利点 : 過渡解析, システムシミュレーション,CAD 情報の無い状態でも計算が可能 3D 手法の利点 : 詳細定常流解析
V サイクルにおける,1D-3D シミュレーションの使い分け ( 提案 ) 詳細 3D 形状情報の無い段階 3D CAD が存在する段階 1D 1D + 1D + 3D CFD 機能的表現 パラメトリックな簡易形状 3D CFD Weak coupling 詳細形状 ( マップ化 ) Co-simulation Full 3D CFD 詳細形状 Embedded CFD = Integrated Coupling 特定の境界条件における検討 企画 & 初期設計 サイジング検討 ( 初期 ) サイジング / システム性能検証 定常詳細冷却性能解析 / 検証 1D 手法の利点 : 過渡解析, システムシミュレーション,CAD 情報の無い状態でも計算が可能 3D 手法の利点 : 詳細定常流解析
エンコパ内設計課題とシミュレーションによる取り組み手法 課題 フロントグリルデザインがサブシステム性能に与える影響 サブシステム間の相互影響 コンポーネントの CAD が無い状態での検討熱交換器のサイジング検討 1D シミュレーション精度の向上 取り組み手法 フロントグリル形状を考慮した熱解析手法が必須 システムレベルでのモデル化を行う パラメトリックな簡易形状を定義する必要 1D と 3D-CFD のシームレスな Hybrid 化 Embedded CFD による利点 : ノンエキスパートにも 3D-CFD にてより詳細な物理表現による検討が可能 デザイン検討時に 1D と 3D 両方のアプローチを組み合わせる事で, 精度向上
Embedded CFD Amesim に統合された自動化プロセス 1 熱交換器及び主要コンポーネント形状, 位置情報ファン特性 Data Exchange - Init 2 3D CAD* 自動プロセス " 冷媒流れ, 温度熱交換量 必要時に 3D 計算をコール 各熱交換器の熱交換マップ パラメトリックな簡易形状を作成 3 Mesh* 熱交換器表面の, 空気温度および速度分布 6 3D CFD* 自動プロセス " 計算 * 5 4 境界条件 * *powered by STAR-CCM+
Embedded CFD Amesim に統合された自動化プロセス 1D 計算結果の自動受渡し 3D
Embedded CFD 主な特徴 Amesim 環境にて実装 エンコパ内熱解析用のアプリケーションが第 1 弾として用意 ( 車室内解析については機能拡張中, その他の領域の拡充も検討中 ) Amesim で設定したパラメータを 3D-CFD に反映 簡易化した 3D 形状 高速な CFD 計算 (*1 分程度 ) 2 つのモード : 定常状態 (Steady State) 動的計算 (Transient inclu オンデマンド 3D 計算 ( ファン on/off, 温度変化等で定義した, イベント発生時に 3D 計算を行う ) 2 コール間のやり取り結果を内挿 / 外挿補間 * 約 50 000 セル ( 平均セルサイズ :30mm)
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Amesim Embedded CFD デモモデル 2 つの熱交換器が前後に配置され, デュアルファンが搭載されているエンコパ内モデル
Amesim Embedded CFD デモモデル
Amesim Embedded CFD デモモデル Amesim コンポーネントに設定されたパラメーターを GUI にて表示 ラジエータ その他コンポーネント
Amesim Embedded CFD デモモデル 1 番目のステップ : 簡易 3D 形状を作成 STAR-CCM+ にて必要な 3D 形状情報を取得 (HEX, FAN, BAFFLE, BLOCK, BOUNDARY, ) The geometry is displayed at the end of the step 形状生成 15s
Amesim Embedded CFD デモモデル 2 番目のステップ :3D メッシュを作成 3D と 1D でやり取りする状態変数の定義 (import / export) 物理的制約や各コンポーネント変数を紐づけ 境界条件の設定 メッシュの作成 自動メッシュ <60s 作業ステップの最後に, メッシュが作成表示される
Amesim Embedded CFD デモモデル 3 つ目のステップ : 計算条件の設定と実行 計算条件の設定と実行 GUI 計算実行 <90*s 作業ステップの最後に,3D 計算結果が表示される *CFD コールごとの結果
Amesim Embedded CFD デモモデル 最後に 温度や速度等の結果から, 選択したものを 3D 表示 計算値 ( 平均温度, 圧力, 流量等 ) を.csv ファイルに出力 出力 ~10s
Amesim Embedded CFD デモモデル カップリングのスキーム まず 1D モデル部分の計算を行う 1D モデル計算出力を 3D 側で読み込む ( 熱交換量, 車速, ファン駆動状態, ) 3D 計算を実行 3D 計算結果を,1D 側に受け渡す ( 熱交換器まわり, 温度流速分布マップ ) 1D Heat exchanger load Fan operation Car Velocity 3D Air Velocity map on HEXs Air Temperature map HEXs
Amesim Embedded CFD デモモデル 1D 側の計算結果も確認可能 (Amesim 側 ) Radiator HT
. Agenda Embedded CFD 概要 エンコパ内風流れデモモデル 他用途への適用可能性, まとめ
他用途への適用可能性 油圧コンポーネント 詳細な圧力損失計算 ジェットフォース 車室内温度 車室内風流れ分布の計算 輻射熱解析 ( 形状の考慮 ) エンジン熱マネージメント油 / 水温およびブロック温度
車室内 Embedded CFD 例 1D モデルでは車室内を複数容積に分割 3D-CFD で流速分布等を計算
まとめ 主な特徴 LMS Imagine.Lab Amesimに統一された作業環境 パラメトリックな3D 形状モデル 3D CFD (RANS = Reynolds Averaged Navier Stokes) を風流れ計算に使用 フレキシブルな1D-3D 連成方法 ( 必要なときに3D CFDをコール ) AmesimのAdd-onライセンスとして機能を提供 (Rev16, Dec 2017) 様々な用途への拡張予定 (Rev16 以降 ) 主な利点 より精緻な解析結果を CAD の無い設計初期段階で行うことが出来る 3D 形状影響を考慮しながら, 速い過渡応答シミュレーションが可能 詳細な CAD を用いた場合とパラメトリックな形状を用いた Embedded CFD にて計算結果の良い一致が見られた ( 弊社内検討結果 )
Thank You!