概要
Radiation (ふく射または放射)とは、電磁波によるエネルギーの伝達として定義されています。電磁波があらゆる種類の物質と相互作用すると、熱になります。Conduction(伝導)やConvection(対流)とは対照的に、このRadiation (ふく射)現象は媒体を必要としません。
SimScaleでは、ふく射はDiffuse View Factors (拡散ビュー因子)モデルを使用してモデル化されます。この近似は、ほとんどの工学的問題に適用できるいくつかの仮定を意味します：
- Diffuse radiation (拡散ふく射)は半球状で均一です。どの面に対しても、そのふく射は方向に依存しません。
- View Factors (形態係数)は、二面間のふく射熱交換のみを考慮します。したがって、媒体(空気)には干渉がなくなります。これは、流体中に(ほこりや霧など)粒子がない場合に当てはまります。2つの面のView Factors (形態係数)は、それらの間で交換される全放射線の割合を測定します。これは幾何学的パラメータのみに依存します。
モデルの異なる面はそれらの間で熱を交換し、隣接する流体に熱を与えたり、熱を減らしたりします。シミュレーションが収束すれば、対流とふく射の両方の結合が達成されます。
SimScaleでは、Radiation (ふく射)は以下の解析タイプで利用できます。
- Convective Heat Transfer (対流熱伝達)
- Conjugate Heat Transfer v2.0 (共役熱伝導v2.0)
グローバル設定でRadiation (ふく射)をオンに切り替えることで機能を有効にできます。その結果、境界条件にて以下の項目を設定できるようになります。(設定できる項目は解析タイプとTemperature typeの選択によって異なります)
- Radiative behavior (放射挙動)
- Emissivity (放射率)
- Additional radiative source(追加放射源)
- Far-field temperature (遠方の温度)
以下に、各項目の説明を示します。
Radiative behavior (ふく射挙動)
Radiative behavior (ふく射挙動)は、単位表面積あたりの正味ふく射熱\(Q_r [W/m^2]\)と各面の温度\(T_s[K]\)の関係を指定します。SimScaleでは、Opaque (不透明)、Transparent (透明)、Semi-transparent (半透明)の3つのふく射表面挙動を設定できます：
Transparent (透明な)面
Transparent (透明な)面では、正味ふく射熱\(Q_r\)と面の温度\(T_s\)の間に関係を持ちません。これは表面温度が、面が放出または受入れる正味のふく射熱\(Q_r\)に影響されないことを意味します。つまり、温度\(T_s\)が他の熱輸送手段(伝導または対流)または境界条件によって決定されることを意味します。このオプションは、主に流入口や流出口(例えば、開いた窓)のような固体でない表面に適用されます。
設定項目は下図の通り、解析タイプによって異なります。
Additional Radiative Source (追加ふく射源)
Convective Heat Transfer (対流熱伝達)の解析では、面が行うふく射とは別に、追加のふく射源を設定できます。これは面を通過しても加熱されない追加的な(主に外部からの)ふく射源を表します。例として、日射(太陽によるふく射)が開いた窓から領域内に入ることがあげられます。
Far-field temperature (遠方の温度)
Conjugate Heat Transfer v2.0 (共役熱伝導v2.0)解析でのみ使用可能なFar-field temperature (遠方の温度)は、開放境界でのふく射効果を含めるために必要な遠方における黒体の温度を表します。したがって、ふく射源の動力を記述する代わりに、その温度を記述することができます。
Opaque (不透明な)面
Opaque (不透明)な面は、拡散ふく射とふく射に対するステファン-ボルツマンの法則を用いて、正味ふく射熱\(Q_r\)と面の温度\(T\)を関連付けます。面\(S\)と面\(S'\)の2つの異なる面を仮定すると、面\(S\)が面\(S'\)に与える\(Q_r\)は次のようになります:
\[Q_r(S→S')=F\cdot \epsilon \cdot \sigma (T_s-T_{s'})^4\]
ここで、\(F\)は面\(S\)と面\(S'\)の間の形態係数、\(\sigma\)はステファン・ボルツマン定数\(5.6696\times10^{-8} W/m^2K\)、\(\epsilon\)は面\(S\)の放射率、\(T_s\) と \(T_{s'}\)は各面の温度です。
Emissivity (放射率)
Emissivity(放射率)は面の材料に依存し、放射線を放出する能力として測定されます。Opaque(不透明な)面の場合、ワークベンチのデフォルト値は0.9です。これはレンガやコンクリートでできた壁の近似値です。
Semi-transparent (半透明な)面
完全に透明でない表面は、Semi-transparent (半透明)表面とみなされます。このような表面は、降り注ぐ放射線を部分的に吸収、透過、反射します。ユーザーは、Emissivity(放射率)およびTransmissivity(透過率)の値を設定する必要があります。
Conjugate Heat Transfer v2.0 (共役熱伝導v2.0)解析タイプでのみ利用可能です。
Emissivity (放射率)
Emissivity(放射率)は面の材料に依存し、放射線を放出する能力として測定されます。
Transmissivity (透過率)
Transmissivity(透過率)も面の材料に依存し、放射線を透過する能力として測定されます。Semi-transparent (半透明)な面の場合、ワークベンチのデフォルト値は0.7です。これはステンドグラスの近似値です。
Numerics (数値計算) の関連項目
ふく射伝熱の問題では、下の図に示すように、さらに数値の設定を変更することもできます。特記事項として放射解像度を変更できることを挙げます。これはふく射問題が解かれる方向の離散化に影響します。設定は、Coarse (粗い)、Moderate (中程度)、Fine (細かい)です。ふく射解像度を上げると、ふく射の向く方向の数が多くなり、ふく射問題の角度の離散化が改善されます(一般に、より正確な結果が得られます)。
ふく射挙動の特記事項
- ふく射は、シミュレーションの温度が高いほど重要になります。
- 時間を節約し、ミスを避けるために、すべての流出口と流入口には、デフォルトでTransparent (透明な)ふく射挙動が割り当てられています。
- ふく射を含むシミュレーションでは、熱に関して追加で計算する必要があるため、収束するまでに多くの反復が必要になることがよくあります。グローバル設定の Compressible (圧縮性)トグルをオフにすることをお勧めします。
- Emissivity (放射率)はどの材料でも一定と考えられています。実際には，放射される放射線の波長によって異なります。CFDシミュレーションでは、全波長にわたるEmissivity (放射率)を積分した全放射率を指定します。
- 日射は通常、指向性があります。しかし、曇りの日は拡散しているとみなされることもあります。
- また、Symmetry (対称)境界条件は現在の放射ソルバーではサポートされていません。
サポートされる放射線の種類や放射線の挙動について詳しくは、こちらのドキュメントページ(英語)をご覧ください。
ふく射挙動の検証事例
- ケース1: シリンダー(英語)
- ケース2: 閉じたリングふく射(英語)