Conjugate Heat Transfer (IBM)
Conjugate Heat Transfer (IBM) は、 Conjugate heat transfer (共役熱伝達) 解析タイプと同様に固体・流体間の熱伝達を解析できる解析タイプです。ただし、 Conjugate heat transfer とは異なり、固体ジオメトリが直交メッシュによる構造格子に埋め込まれる、埋め込み境界法 (Immersed boundary method, IBM) を採用しています。これにより、ジオメトリ形状に対して非常にロバストに計算を行うことができ、複雑なCADモデルであっても簡略化することなく流れと熱伝達を計算できます。例えば、電子基板や電子機器の冷却の解析を詳細CADをそのまま利用して行えます。
図1: 詳細CADモデルを簡略化することなく、そのまま解析を行った例
Conjugate Heat Transfer (IBM) シミュレーションの作成
Create Simulationから、解析の種類を選択できます。Immersed Boundary は、下図で矢印で表示されています。
図2: Create Simulation画面
基本的な設定項目は、 Conjugate heat transfer と同等になるようになっています。このページでは、 Conjugate heat transfer との違いを説明します。設定のおおまかな流れは Conjugate heat transfer をご覧ください。
Immersed boundary method (IBM) と Conjugate heat transfer (CHT) の違い
External flow analysis
グローバル設定で機能を有効化
外部流れ・自然対流の解析を行う場合、グローバル設定で External flow のトグルをオンにしてください。シミュレーションツリーに、外部流れの境界条件を設定する項目が表示されます。
流体領域の設定
流体領域は、流体の物性を設定する Materials > Fluid の設定パネルで行います。
- 材料ライブラリから、 Air などの流体を選択します。
- 設定パネルの Geometry primitives の＋ボタンをクリックし、立方体領域を設定します。
- 設定パネル内でトグルがオンになるようにします。
図3: 外部流れ/自然対流による熱伝達を解析する場合の流体領域の設定方法
注意
- 現状、CADモデル内に作成された外部流体領域ジオメトリは使用できません
- 外部流れを有効にした場合、シミュレーションツリーにある通常の Boundary conditions は設定しなくて構いません。自動的に全ての境界面が大気開放条件として設定されます。
Internal flow analysis
流体領域の設定
基板ケース内といった内部流れの解析を行う場合、以下の手順で流体領域を作成できます。
- CADモードで Internal caps を使用する。この操作では、完全な流れ領域を作成せずに、流入口開口部と流出口開口部のキャップ面のみを作成します。
- CADモードで Internal flow volume 機能を使用する。他の流体解析機能での内部流れ解析と同様に、流体領域を作成するか、流体領域ジオメトリを含んだCADモデルを使用します。
注意
- 現状、複数の流路の解析は対応していません。
Internal caps
CADモードの Internal caps 機能では、内部流体領域の流入面と流出面をキャップ面としてグループ化します。この機能を使用するメリットは以下の通りです。
- Internal flow volume 機能で内部流体領域を抽出するよりも処理がロバストで軽いです。特に、複雑なCADモデルの場合は違いが顕著なため、こちらの利用を推奨します。
- ここで作成したキャップ面のジオメトリは、境界条件設定でも使用できるため、再度複数の面を選択する必要がなく効率的です。
図4: Internal caps 機能
作成されたキャップ面のジオメトリは、ワークベンチで画面右側のシーンツリーでリストに表示されます。名前は、 Flow volume caps となります。材料物性を設定する際に、このキャップ面に流体の物性を設定してください。
図5: 流体物性をFlow volume caps に割り当てる
境界条件の設定でも、 Flow volume caps を使用できます。
図6: Velocity inlet の境界条件をケーシングでファンが取り付けられる面の Flow volume caps に設定する様子
構造格子メッシュ
Immersed Boundary ではXYZ座標軸に平行な構造格子を利用します。ジオメトリ形状に沿った形でメッシュが作成される訳ではなく、固体ジオメトリもセル内に埋め込まれる（食い込む）ような形でメッシュ分割されます。詳細な固体・流体の処理はメッシュではなく、ソルバーで行われます。
図7: メッシュの例。ジオメトリ形状付近では細かくなっています。
このようにメッシュ分割することで以下のアドバンテージが得られます。
- CADモデルの複雑さによって、非常に粗いメッシュから非常に細かいメッシュまで柔軟に作成できます。
- 細かいジオメトリ形状に関わらずメッシュ分割できます。
- 完璧な六面体（ヘキサ）メッシュを作成できます。
- メッシュのリファインメントはジオメトリ依存ではなく、物理モデル依存で行われます。
※ 境界層の処理は、ボディフィットメッシュの際に用いられる境界層メッシュではなく、壁関数で行われます。
メッシュ作成の設定
Mesh settings の設定項目他の解析タイプと異なります。
図8: Mesh settings で Custom としたときの設定パネル
Number of cells per direction
流体領域内での各方向のセル数を指定します。基本的には、デフォルトで構いません。以下の場合には数を増やしてみてください。
- 流体領域が特定の方向に長い
- 非常に薄いジオメトリがある
- 物理量の勾配が想定される
Number of refinement levels
下図のようにメッシュのリファインメントのレベルが存在します。そのレベルの数を設定できます。最大値は10です。
図9: Refinement level の概要図
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