解析タイプ: Heat transfer

概要

このチュートリアルでは、アルミニウム鋳物のデフケースを題材に、熱伝導解析の進め方を学んでいきます。シミュレーションでは、稼働中を想定した条件下でケーシングの温度分布を解析します。

図1: 解析で得られたデフケースの温度分布

このチュートリアルでは、以下の方法を学びます：

熱伝導解析の条件設定
境界条件・材料・その他の設定
Standardアルゴリズムによるメッシュ分割
SimScaleポストプロセッサを使用したポスト処理

以下の流れでチュートリアルを進めます：

CADモデルとジオメトリの準備
解析条件の設定
メッシュ作成
シミュレーション計算の実行
結果確認

1. CADモデルの準備と解析タイプの選択

はじめに、以下のリンクからチュートリアル用プロジェクトをワークベンチにインポートしてください。

ワークベンチにチュートリアルプロジェクトをインポート

プロジェクトには、 Differential_Casing というジオメトリがインポートされており、画面左のジオメトリツリーに表示されています。

図2: CADモデル

1.1. Saved selectionsの作成

このチュートリアルでは、モデルの面をグループ化できる Saved selections 機能を使用します。これを使用することで、境界条件などを一括で適用できるようになります。作成したSaved selectionsは画面右のシーンツリーと呼ばれるパネルの Saved selections の下に一覧で表示されます。このチュートリアルでは、Saved selectionsがすでにいくつか作成されています。

3: 既に作成されているSaved selections

Saved selectionsは以下の流れで作成します。

グループ化する面を、ビューワ上でクリックして選択します。以下の図で赤く選択されている面を選択します。
画面右のパネルで、 Saved selections の横にある＋ボタンをクリックします。
名前は、Heated Region 2 として、Create new set をクリックします。

図4: Saved selectionsでグループ化する面

図5: 新規セット作成時のダイアログ

これで、解析に使用するジオメトリの準備ができました。

1.2. Heat transferタイプのシミュレーションを作成

下図の手順で、新たにシミュレーションを作成します。

Differential_Casing というジオメトリをクリックします。
表示されるパネルで、 Create Simulation をクリックします。

図6: Create Simulation のパネル

解析タイプの一覧が表示されますので、 Heat Transfer を選択して Create Simulation をクリックします。

図7: Heat Transfer 解析タイプ

すると、以下のようにシミュレーションツリーが作成されます。このツリーの項目を上から順番に設定していきます。今赤い丸で表示されている項目を含めてすべての項目が緑のチェックマークになれば、一通りの設定は完了です。青い丸は、追加の設定項目を意味します。

図8: シミュレーションツリー

2. 解析条件の設定

2.1. Materials (材料)

モデルに材料物性を設定します。シミュレーションツリーの Materials をクリックすると、材料ライブラリが表示されます。今回はアルミニウムですので、 Aluminium を選択し、 Apply をクリックします。

図9: 材料ライブラリ

単一部品のモデルですので、材料を割り当てるボディが自動的に設定されます。✅ボタンをクリックして設定を保存します。

図10: Materials の設定パネル

2.2. Boundary conditions (境界条件)

境界条件の設定を行っていきます。境界条件は、シミュレーションツリーの Boundary conditions の隣にある＋ボタンをクリックし、設定する条件の種類を選択します。

図11: 境界条件の設定方法

一定温度や熱流束の指定など、複数の設定方法があることが分かります。このチュートリアルのシミュレーションでは、ケーシング内側は熱荷重、外側は自然対流を想定するため、それぞれ Surface heat flux と Convective heat flux の条件を使用します。

以下では、作成したSaved selectionsそれぞれに対して境界条件を設定していきます。

2.2.1. Heated region 1

まずは、内側の熱せられる面のうち一つめについて設定を行います。 Boundary conditions から、 Surface heat flux を選択します。 Heat flux value を2900 W/m^2 とします。 Assignment には、 Saved selections のリストから Heated region 1 を選択します。

図12: Heated region 1 の境界条件設定パネル

2.2.2. Heated region 2

同様にして、 Heated region 2 についても境界条件を設定します。 Surface heat flux を境界条件の種類から選択し、Heat flux value を3600 W/m^2 とします。Assignment には、 Saved selections のリストから Heated region 2 を選択します。Heated region 2はHeated region 1よりも高温になる条件となります。

図13: Heated region 2 の境界条件設定パネル

2.2.3. Outside

ケーシングの外面である Outside には対流熱伝達を想定した Convective heat flux を設定します。設定値は、 (T0) Reference temperature を19.85 ℃、 Heat transfer coefficient を24 W/(K m2) とします。Assignment には、 Saved selections のリストから Outside を選択します。ここで設定した熱伝達係数は、空気に緩やかな流れがある場合を仮定した値ですが、実際には値の変動も考えられ、ラフな仮定と言えます。

図14: Outside の境界条件設定パネル

これで、3つすべてのSaved selectionsに境界条件を設定し終えました。これにより、ケース内側から外側へ熱が逃げ、ケースの外面では自然対流で冷却される、という想定の条件となります。

3. メッシュ作成

シミュレーションツリーから Mesh をクリックすると、メッシュ作成の設定パネルが表示されます。今回は、デフォルトの設定で十分ですので、✅ボタンをクリックして保存して閉じます。この段階で Generate をクリックする必要はありません。計算開始時に自動的にメッシュ作成処理も行われます。

図15: メッシュの設定パネル

メッシュ設定について少し説明いたします。 Heat transfer では、デフォルトで1次要素のメッシュとなります。2次要素にすることで精度は改善されますが、計算時間が長くなってしまいます。このチュートリアルでは大まかな傾向を掴めれば良いので、設定は変更していません。なお、シミュレーションツリーの Element technology から設定を変更できます。

続いて、 Finess はメッシュの細かさを調整するパラメータとなりますが、最初の解析では5を推奨します。メッシュの細かさを判断する指標の一つを紹介いたします。今回のような、面積に対して厚みが小さいジオメトリでは、少なくとも厚み方向に複数の要素でメッシュ分割されていることを確認するとよいでしょう。 Generate をクリックするとメッシュ作成のみ実施できますので、計算開始前にメッシュを確認できます。

Advanced settings の中に、 Small feature suppression という項目があります。ここで設定された値以下の寸法のフィーチャーはメッシュ作成時に無視されます。これにより、現象に大きな影響のない部分を細かくメッシュ作成し、計算時間が余計に長くなるのを防げます。

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. シミュレーション計算の実行

解析条件の設定を終えたら、実際にシミュレーションの計算を開始します。ひとつひとつの計算を Run と呼びます。シミュレーションツリーの Simulation Runs の横の＋ボタンをクリックすると、以下のように表示されますので、Start をクリックすると計算が開始されます。なお、この画面では計算に要する時間の推定時間なども表示されます。