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
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
メッシュの 要 件
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
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!
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
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?
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 3,264,273 185,479 83MB 147MB 3514MB 320MB 24sec 63sec 3,236sec 186sec 70.73 71.46 74.99 74.75
ギャップ 部 のメッシュ メッシュサイズの 影 響
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
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
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
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
ソルバーコントロール
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
質 量 保 存 と エネルギーバランス
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
質 量 保 存 流 出 口 で 再 循 環 が 発 生 していないか?
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
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
質 量 保 存 サマリーファイル 流 入 流 出
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
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
参 考. 乱 流 モデル
乱 流 とは 流 体 の 不 安 定 な 動 き
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
乱 流 モデル 研 究 の 時 系 列
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
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
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
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
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
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 10-30 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:100-600 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
収 束 判 定 きつい 設 定 のさらに 二 桁 小 さく 設 定
事 例 :2X2ソーラーパネル 周 囲 の 流 れ
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
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
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)
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
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
おまけ.Surface Wrap
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
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
モデルのセットアップ 外 部 境 界 サイズ 変 更 [Home]タブ:[Setup]:[Bounds]
モデルのセットアップ モデル 回 転 [Home]タブ:[Setup]:[Orient]
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]
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
表 面 メッシュの 作 成
表 面 メッシュの 作 成 Model surface automatic repair precision Model surface automatic repair precision 2500 500
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
メッシュの 確 認 [View]タブ:[Clipping]:[Clipping]
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
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
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