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
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 http://jda.jaxa.jp/ http://ansys.jp/applications/industry/auto/index_a.html
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)
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
練習問題 計算条件 流体 流速翼型翼弦長迎角 空気密度 = 1.225 kg/m 3 粘度 m = 1.7894 x 10-5 kg/m s U = 43.82 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?
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 )
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 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 1.6 1.4 0.05 0.00 0 5 10 15 20 1.2 a [deg.] C L 1.0 0.8 0.6 0.4 C D 0.020 0.018 0.016 0.014 0.012 0.2 0.010 0.0 0.008 0 5 10 a [deg.] 15 20 0.006 0 5 10 a [deg.] 15 20
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 )
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
下準備 10 1. 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 http://www.fml.t.u-tokyo.ac.jp/lecture_4.html 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
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
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.
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
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
翼の座標点の読み込み 15 カーブファイル 参照 NACA0012.txt 開く
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 16 6 5 3 1 2 4
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 1 17 4 2 3
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
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
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
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 1 2 3 4 2 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
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
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
物体の回転 24 1 回転タブ 3 2Z 軸回転に [ -10.00 deg ] を入力 4OK 2
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
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
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 27
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
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
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 [ 43.82 ] と入力し, 次へ 30
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
計算領域の設定 プロジェクト 計算領域 定義編集 32
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: -0.005 ~ 0.005 m 33
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 3 2 1 2 34
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 1 4 35
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 1 2 4 5 揚力係数 に変更 36
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
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.
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
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
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
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
レポート課題 計算条件 流体空気密度 = 1.225 kg/m 3 粘度 m = 1.7894 x 10-5 kg/m s 流速 U = 43.82 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
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
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
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
計算結果の可視化 : 圧力コンター 47
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
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
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
計算結果の可視化 :XY プロット 51 2 1 1 エッジを選択 2 エンティティ変換 3 スケッチ終了 3
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
計算結果の可視化 :XY プロット 53 2 1 3 1 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
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
計算結果の可視化 : 流跡線の表示 55 1 2 3 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
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
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 3 1 2 流跡線の本数を指定 ラインの種類の変更 57
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.