概要
この記事は、対流熱伝達、輻射熱伝達、および空気齢(換気効率指標)に関するステップバイステップのチュートリアルです。
図1：会議室内の熱的快適性パラメータ(PMV)の可視化
このチュートリアルでは、次のことを学びます。
- 対流熱伝達シミュレーションのセットアップと実行
- 境界条件、材料、その他のモデルの割り当て
- Standardアルゴリズムによるメッシュ生成
- 空気齢計算に用いるScalar speciesの設定
- 輻射熱伝達の設定
- 熱的快適性パラメータの定義
以下の手順で解析を実行します。
- シミュレーションのためにCADモデルを準備します。
- シミュレーションの条件を設定します。
- メッシュを生成します。
- シミュレーションを実行し、結果を評価します。
1.CADモデルの準備と解析タイプの設定
まず、下のリンクをクリックします。ジオメトリを含むチュートリアルが自分のワークベンチにコピーされます。
図2：ワークベンチにインポートされた会議室のCADモデル
元のジオメトリはMeeting Room (Original)という名前になっています。これには部屋の壁、部屋にいる人、家具が含まれています。解析には、流体が流れる流体領域を定義したモデルが必要になります。このチュートリアルでは、予めCADモードで内部流体領域の抽出操作を行った流体領域のジオメトリであるMeeting Roomを使用します。
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CADモードを開くと、内部流体領域の抽出操作の履歴を確認できます。CADモードを開く場合は、Meeting Roomジオメトリを選択し、Edit in CAD modeボタンをクリックしてください。 図3：CADモード環境に入り、ジオメトリを編集します。既存の操作は、CADモード内の左側のパネルにリストアップされています。 CADモードを終了するには、右上のExitボタンをクリックします。 |
| Tips |
| この後の作業は、参考のためのMeeting room (original)のジオメトリではなく、流体領域を抽出したMeeting roomのジオメトリを選択していることを確認してください。 |
1.1. Saved selectionsの作成
Saved selectionsは面をグループ化できる機能です。境界条件やその他の設定の割り当てで一括で選択する際に便利です。作成済みのSaved selectionsは右側のパネルに表示されています。
図4：Saved selections
窓のSaved selectionsがまだありませんので作成していきます。
- まず、赤でハイライトされている窓の面を選択します。
- 右側のパネルのSaved selectionsの隣にある+アイコンをクリックします。
図5：窓の面のSaved selectionsの作成
表示されるパネルで、Windowという名前を付けて、Create new setをクリックします。
図6：新しいSaved selectionsの名前変更
| Tips |
| CADモードでジオメトリを編集すると、Saved selectionsは失われてしまいますので、ジオメトリの編集作業をすべて終えてからSaved selectionsを作成してください。 |
1.2. シミュレーションツリーの作成
シミュレーションの条件を設定していきます。下図の手順に従って、新しいシミュレーションを作成しましょう。
- 左側のパネルからMeeting Roomのジオメトリを選択します。
- 次にダイアログのCreate Simulationボタンをクリックします。
図7：熱的快適性評価のための新規シミュレーショントツリーの作成
解析タイプのリストが表示されますので、必要な解析タイプを選択します。
- Convective Heat Transferを選択し、Create Simulationをクリックします。
- デフォルト設定ダイアログが開いた状態で、新しいシミュレーションツリーが表示されます。
図8：SimScaleで選択可能な解析タイプ
以下のように変更します。
- Radiationをオンにします。
- 乱流モデルをk-omega SSTに変更します。
- Passive speciesを1に設定します。これは空気齢を計算するために必要な設定です。
設定を終えたら、一番上のチェックマークをクリックして、変更を保存するのを忘れないでください。
図9：グローバル設定画面
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Conjugate Heat Transfer v.2では、窓からの日光の入射角を考慮した設定も利用できます。もしよければお試しください。 |
2. 解析の条件設定
シミュレーションのモデルや条件について説明します。
- (1) 熱の移動は強制対流、自然対流、輻射によって行われます。
- (2) 壁は周囲温度を30 ℃、相対湿度を65％に設定します。
- (3) 排気口には流出境界として圧力開口の設定をします。
- (4) 吸気口には流入境界として体積流量0.1 m3/s、温度18 ℃に設定します。
- (5) 窓には輻射による熱流束として200 W/m2を設定します。
- (6) 外壁と窓の外気温は30 ℃に設定します。
- (7) 内壁、天井、床には断熱境界を設定します。
- (8) 人は40.79 W/m2の熱源にします。
- (9) 家具の表面は断熱条件を設定します。
- (10) 空気齢は、局所平均空気齢(LMA)モデルによって、輸送されたPassive scalarを積分して計算します。
右側のパネルにあるSaved selectionsには、対応したセットが作成されています。
図10：モデルの概要
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| 今回のモデルでは換気システムによる対流があり、窓は閉まっているものとします。ダクトによる強制換気がなく、窓が開いているバージョンも、このチュートリアルの後半でご覧いただけます。 |
2.1. Passive scalarの設定
Passive Scalarと重力加速度を指定するために、Modelを選択します。Local mean age of airモデルで空気齢を計算するために、以下のパラメータを使用します。
- (Sct) Turb. Schmidt number: 1
- Diffusion coefficients: 1e-9 m^2/s
- (g) Gravity: Z方向に-9.81 m/s^2
図 11: Passive scalarと重力のパラメータ
2.2. Materials (材料)
材質を定義して割り当てるには、Materialsの隣にある+をクリックします。材料ライブラリ表示されます。
- リストからAirを選択し、Applyをクリックします。
図12：SimScaleの材料ライブラリー
- ジオメトリ内のパーツが流体領域1つだけなので、材料は自動で割り当てられます。
- チェックマークボタンで選択を保存します。
図 13：空気の材料パラメータの割り当て
2.3. 境界条件の設定
図10に示した境界条件を設定します。以下の2つのシナリオについて計算していきます。
- 強制対流：換気システムによって室内に空気が流れ、窓は閉まっているものとします。
- 自然対流：換気システムによる気流はなく、窓は開いているものとします。
両方のシナリオに共通して必要な設定から始めます。途中から、シナリオごとの設定となりますので、どちらか選んで設定を行いましょう。
2.3.1. 内壁、床、天井 (Internal Walls, Floor & Ceiling)
内壁は壁面境界条件として断熱条件を与えます。Wallの境界条件を作成します。
図14：境界条件の新規作成
以下の様にパラメータを設定します。
- Temperature typeはTurbulant heat fluxとします
- Heat sourceはFlux heat sourceとします
- Heat fluxは 0 W/m^2とします。
- Saved selectionsパネル（図4）からInternal wall、Ceiling、Floorのセットを割り当てます。
分かりやすいように、名前も「Internal Wall」とします。
図15：内壁の境界条件
2.3.2. 人 (Occupants)
人についても、表面にWallの境界条件を使用します。今回は、代謝熱をモデル化するために、熱流束を使用します。Wallの境界条件を作成し、Occupantsのセットを割り当てます。図のようにパラメータを設定します。
図16：人に設定する境界条件
2.3.3. 家具 (Furniture)
家具についても、断熱の境界条件を設定します。Wallの境界条件を作成し、Furnitureのセットを割り当てます。図のようにパラメータを設定します。
図17：家具の境界条件
2.3.4. 外壁 (External wall)
外壁についても、熱伝導と対流の壁境界条件を使用します。Wallの境界条件を作成し、External Wallのセットを割り当てます。図のようにパラメータを設定します。
図18：外壁の境界条件
| Tips |
| 以下の記事で、熱壁のモデリングに関する追加情報を提供しています。 |
次の節からは、シナリオ1：窓を開けて自然冷却を行うエアコンはない場合の自然対流設定、または シナリオ2：窓を閉めてエアコンを使用する場合の強制対流設定を追加します。2.4節か2.5節のいずれか、あるいは両方の設定に調整してみてください。
2.4. シナリオ 1: 強制対流による空冷シナリオ
2.4.1. 流入口 (Flow inlet)
流入境界条件は、次の図に従って作成します。
- Boundary conditionsの隣にある+ボタンを押すと、ドロップダウンメニューがポップアップし、境界条件を選択できます。
- リストからVelocity inletを選択します。
図19：新しい境界条件の作成
Velocity inlet境界条件の設定パネルが表示されますので、以下のように設定を変更します。
- Volumetric flow rateを0.1 m3/sにします。
- Temperatureを18 ℃にします。
- Passive scalarsは、新鮮な空気を0としてモデル化するために0のままにします。
- Assigned facesには、流入面を選択します。ワークベンチの右側にあるシーンツリーで、定義済みのInletのセットを選択します。
図20：流体入口境界条件の設定
2.4.2. 流出口 (Flow outlet)
流出境界条件は、Pressure Outletを選択します。すべての値をデフォルトのままにして、画像に示すようにOutletのセットを割り当てます。
図 21: 圧力出口境界条件を割り当てる
2.4.3. 閉めた状態の窓 (Closed window)
窓には壁の境界条件も使用することもありますが、今回は熱伝導、外気温からの対流、太陽光による輻射を設定します。Wallの境界条件を作成し、Windowのセットを割り当てます。下図のようにパラメータを設定します。
図22：窓の境界条件を割り当てる
2.5. シナリオ 2: 自然体流による空冷シナリオ
2.4 のシナリオ1で設定を行った方は、2.5はスキップして2.6から設定の続きを行ってください。
2.5.1. 自然対流 (Natural convection inlet/outlet)
自然対流境界条件では、Natural convection inlet/outletを選択します。Ambient temperatureにモデル周囲の気温を設定します。Radiative behaviorにTransparentを適用した場合、流入面と流出面では輻射の影響は考慮されません。
図23：自然対流境界条件を割り当てる。
2.5.2. 開けた状態の窓 (Open window)
窓には、流入面と流出面に適用したものと同様の自然対流境界条件を使用しますが、今回はAdditional radiative sourceを200 W/m2と定義します。この設定は、太陽光を模した外部放射源と、表面が開放されていて空気が両側から循環できる境界条件を考慮したものです。
図 24: 開放した窓の境界条件
2.6. Advanced Concepts
Advanced conceptsでは、さらに高度な物理条件を定義できます。このチュートリアルでは、Passive scalar sourceを定義します。
2.6.2. Passive scalar sources
局所平均空気齢(LMA)を求めるときは下図のように、Volumetric passive scalar sourceを使用します。
- Advanced conceptsを展開します。
- Passive scalar souceの横にある+ボタンをクリックします。
- Volumetric Passive scalar sourceを選択します。
図25: Volumetric passive scalar source
設定パネルでは、Fluxの値を1にして、AssignmentにはFlow regionを設定します。
図 26: Volumetric passive scalar sourceの設定画面
| Tips |
空調シミュレーションでは、以下のオプションの設定が必要になる場合があります。
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2.7. Numerics と Simulation Control
Numericsのソルバーパラメータでは、Number of non-orthogonal correctorsを4にします。これにより、Standardアルゴリズムで作成された四面体メッシュの収束が改善されます。
- Numericsをクリックして、パラメータを表示します。
- Number of non-orthogonal correctorsを4に設定します。
- Relaxation typeをAutomaticに設定すると、収束が速くなる場合があります。発散する場合は、この設定を検討してください。
図27: Numericsについて
Simulation controlについては、デフォルトのまま設定します。
2.8. Result Control
Result controlでは、シミュレーション結果の出力値を設定できます。熱的快適性の出力もここで設定します。
2.8.1. 局所平均空気齢(LMA)モデルの設定
流出面における空気齢(LMA)を測定するために、Result controlを使用します。図のように作成します。
- Result controlを展開します。
- Surface dataの横にある+アイコンをクリックします。
- Area averageを選択します。
図28: Area average
Outletのセットを割り当てます。
図 29: Area averageの項目パラメータ
2.8.2. 熱的快適性指標 (Thermal Comfort Parameters)
熱的快適性を示すパラメータも出力するよう設定しましょう。Result controlのField calculationsから以下の手順で作成します。
- Field calculationsの隣にある+ボタンをクリックします。
- Thermal Comfort Parametersを選択します。
図30: 熱的快適性パラメータの作成
以下に示すようにパラメータを設定します。
- Clothing coefficient: 0.5
- Metabolic rate: 1.0
- Relative Air Humidity: 65%
図31: 熱的快適性評価のパラメータ
これらの説明は、ドキュメントページでご覧いただけます。
3. メッシュ
以下の様に設定します。
- Finenessを7に変更します。
- Advanced settingsを展開し、Small feature suppressionを0.004 mに設定します。
メッシュ作成はシミュレーション実行時に実施されるため、ここではGenerateをクリックする必要はありません。
図32: メッシュパラメータ
| 計算実施済みのプロジェクト |
| 解析条件の設定とシミュレーション計算がすでに実施済みのプロジェクトをこちらからご確認いただけます。 |
4. 解析の開始
シミュレーションの設定が完了したら、新しいSimulation Runを作成します。次の図で〇で囲まれたボタンから、Simulation Runを作成します。
図 33: 強制対流のシミュレーション設定ツリー
Startを押して計算を開始します。
シミュレーション時間が長くなり、最大実行時間を超えることが予測された場合警告が表示されます。それを無視するか、Simulation controlに戻り、Maximum runtimeの値を増やすかを選択できます。
計算が完了するまでには、約1時間半かかります。記事の最後に解析済みプロジェクトへのリンクがありますので、そちらからも結果を確認いただけます。
5. ポスト処理
ポストプロセッサを使用して、会議室内の温度を可視化し、Percentage Mean Vote (PMV)を可視化することで部屋の熱的快適性を評価し、空気齢の局所平均を測定します。
- ポスト処理を設定する前に、あらかじめ定義されたフィルターがないことを確認します。既存のフィルターは、名前の横にあるごみ箱のアイコンをクリックすることで、いつでも削除することができます。
- Iterationsを右いっぱいにスライドさせて、シミュレーションの最後のタイムステップにいることを確認してください。
- シーンツリーで目のアイコンをクリックして、MESHダイアログのFlow regionを非表示にしてください。
図34: 定義済みフィルターがないこと、シミュレーションの最後のタイムステップにいることを確認し、MESHダイアログのFlow regionを隠します。
5.1. Temperature
- パーツのColoringとしてTemperatureを選択し、温度を視覚化します。
- 温度の単位を℃にします。
- 凡例の単位をクリックして℃を選択し、可視化される最高温度を40 ℃に変更します。
部屋の壁面を選択し、マウスを右クリックしてHide selectionを選択すると、壁面を非表示にできます。部屋の中の温度分布は下図のようになります。
図35: 会議室の表面と中に座っている人の温度分布
上の図から、身体が熱を発しており、吸気口から離れるにつれて温度が上昇していることがわかります。部屋は、床がやや低温で、天井に向かってやや高温になるというように、不均一になっています。
5.2. Predicted Mean Vote (PMV)
次に、熱的快適性のパラメータであるPredicted Mean Vote (PMV) とPredicted percentage dissatisfied (PPD) の可視化に焦点を当てます。熱的快適性について詳細はこのページをご覧ください。熱的快適性パラメータはCutting planeフィルターを使用して可視化します。以下の手順で切断面を作成します。
- 上部のリボンからCutting planeを選択し、新たにフィルタを作成します。
- 断面の位置が部屋の中間の高さとなるようにします。Positionを(2.35, 0.5, 0.785)にして断面の位置を調整します。断面のOrientationはZ軸にし、ColoringをPredicted Mean Voteに変更します。モデルは断面表示にならないように、Clip modelスライダーを無効にします。
図36: 会議室の中間の高さでの切断面設定
上記と同じ方法で、X軸に垂直な2番目の切断面を作成します。Predicted Mean Vote (PMV)は次の図のように表示されます。
図 37: 室内のPredicted Mean Vote (PMV)の分布
指数の値は推奨範囲である[-3, 3]に設定しています。こうすることで、それより下と上にある領域をそれぞれ青と赤で色付けすることができます。
5.3. Local Mean Age (LMA)
Simulation RunのArea average 1でT1を選択すると、LMA（Local Mean Age）にアクセスでき、出口での平均量が計算されます。LMAは、強制対流シナリオで約330秒でした。
図38: 流出面におけるLMAは約330秒と計算された。
部屋全体の LMA の分布は、切断面を使用して可視化することもできます。Vectors の横にあるスライダーをスライドさせて速度ベクトルを追加し、Coloring を黒色の Solid color に変更し、Scale factor を0.5に設定します。
Y軸の切断面の設定とLMAの最終的な分布は以下のようになります。
図 39：会議室内の気流を示す速度ベクトルを持つ、2 つの垂直切断面上の空気のLMA。青い領域は新鮮な空気を表し、赤い領域は換気の悪い空気を表している。
青い領域は新鮮な空気を示しています。赤い領域は、空気の流れが滞っている領域で、風通しが悪いことを表しています。
SimScaleのポストプロセッサーで結果を分析しました。ポストプロセッサーを使用する方法については、ポスト処理ガイドをご覧ください。
おめでとうございます。チュートリアルは終了です。