【流体解析】 Materials (材料物性) の概要

概要

Materials (物性値)セクションでは、複数の物性値を設定し、それらにボリュームを割り当てることができます。これを行うには、Materialsタブ右の+ボタンをクリックします。

図1: 新しい物性値を選択する+ボタン。

その後、物性値のリストが表示されます。リストから1つの材料を選択します。設定できる物性値は、シミュレーションの解析タイプによって異なります。

図2: 固体材料物性値のリスト

ユーザー物性値

物性値の値は、ライブラリから材料を選択してシミュレーションに割り当てられた後に編集できるようになります。(Materialsのリスト内で編集することはできません。一度Applyで既定の物性値を割り当てた後に、シミュレーションツリー内に追加された物性値を編集することができます。) デフォルトのライブラリにない物性値を再度他のシミュレーションで使用する場合は、User Materialを作成することをお勧めします。

SimScaleでカスタム物性値を定義するには？(英語)

流体の物性値

すべてのIncompressible (非圧縮性)解析タイプでは、(ρ) Density (密度) (定数)をユーザーが指定する必要があります。Compressible (圧縮性)解析タイプでは、密度は状態方程式の一部として解かれるため、Materialsで指定する必要はありません。流体の物性と挙動は、温度と圧力依存の熱物性を考慮した流体モデルによって定義されます。詳しくはこちらのページ(英語)を参照してください。

図4: SimScaleで利用可能な流体材料のライブラリ。プロパティは編集可能。

真空を媒体としたい

SimScaleでは空気の伝導率を変更することで真空媒体を作成できます。設定方法は以下の通りです:

1. MaterialsリストからAir (空気)を選択します。
2. 空気の伝導率は次式で表されます。各値を調整して計算値が\(1\times10^{-11}\)のオーダーとなるようにします。:
   \[\frac{Density(\rho)\times Kinetic\ viscosity(\nu) \times Spaecific\ heat(C_p)}{Prandtl\ number(P_r)}\]
3. 温度境界条件が含まれる場合は、Fixed value (固定値)に設定されていることを確認してください。

警告

単一領域解析タイプ(Incompressible (非圧縮性)、Compressible (圧縮性)、およびConvective heat transfer (対流熱伝達) )では、物性値は流体領域にのみ割り当てることができます。Saved selectionsやAdvanced conceptsに物性値を割り当てると、警告メッセージが表示され、シミュレーションを実行することができません。

粘性モデル

熱を含まない解析タイプの場合、流体の物性モデルは流体の粘性モデルに基づいて分類されます。粘性モデルは一般的に、粘性の挙動を流体のひずみ速度に関連付けます。流体材料を定義する粘性モデルには、次の2つの基本的なタイプがあります：

ニュートンモデル

ニュートン流体モデルでは、流体中の粘性力による局所応力は、局所ひずみ速度に対して線形に変化します。ここで、粘度は一次関数の比例定数でになります。実装されているニュートンモデルは、一定の動粘性率\((\nu)\)を仮定しています:

\[\nu=(\mu/\rho)\]

これはユーザーが\(m^2/s\)の単位で入力する必要があります。液体や気体の中には、水や空気のように、標準状態ではニュートンモデルに従うものもあります。

非ニュートンモデル

非ニュートン流体モデルでは、流体の局所せん断応力と局所せん断速度は非線形の関係になります。この場合、比例定数を決定することができないため、粘度は可変量となります。このような流体モデルには、動粘度\(\nu\)と局所ひずみ速度の非線形関係を定義するいくつかの非ニュートンモデルが存在します(詳細は以下のリンクを参照してください)。非ニュートン流体の例としては、ケチャップ、カスタード、歯磨き粉、コーンスターチ懸濁液、ペンキ、血液、シャンプーなどの一般的な物質が挙げられます。

非ニュートンモデル(英語)