概要
この記事では、Pedestrian Wind Comfort (PWC: 歩行者の風快適性)シミュレーションのためのステップバイステップのチュートリアルを提供します。
このチュートリアルでは、以下の方法を紹介します:
- 歩行者風の快適性シミュレーションの設定と実行
- モデル内で木を多孔質オブジェクトとして定義する
- エクスポート結果
SimScaleの一般的なワークフローに従っています:
- シミュレーション用のCADモデルを準備する。
- シミュレーションの条件を設定する。
- シミュレーションを実行し、結果を解析する。
1. CADモデルの準備と解析タイプの選択
まず、以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プロジェクトがワークベンチにコピーされます。
チュートリアル・プロジェクトをインポートすると以下のように、準備されたチュートリアル用のモデルがすでにビューアに読み込まれた状態でワークベンチが開きます。SIMULATIONSにおいて、Pedestrian Wind Comfortのシミュレーションはすでに作成されています。
| 格子ボルツマン法ソルバーの提供 |
| このチュートリアルでは、Pacefish®[1]によるLattice Boltzmann法(LBM)を使用してシミュレーションを解いています。この機能は、アドオンとして提供されているため、Communityプラン・アドオン未契約のユーザーは、このチュートリアルの設定部分を実施できますが、シミュレーション実行はできません。 |
このチュートリアルのCADモデルは、次に示すガイドラインに従っています。シミュレーションのセットアップを簡単にするために、PWCシミュレーション用のCADモデルは常に以下のガイドラインに従ってインポートすることをお勧めします：
- 空は正のz方向
- 地理的な北は正のy方向
| モデルのインポートに役立つヒント |
| 新しいシミュレーションの作成 |
|
新規シミュレーションの作成は簡単です。Geometryを選択し、Create Simulationをクリックしてください:
リストからPedestrian Wind Comfortを選択し、Create Simulationをクリックします。これで設定オプションを含む新しいシミュレーションツリーが左側のパネルに表示されます。 |
2.シミュレーションの設定
2.1 Geometry (ジオメトリ)
Geometry (ジオメトリ: シミュレーションを実行するCADモデル)は自動的にこのシミュレーションに割り当てられるので、変更の必要はありません。
2.2 Region of Interest (関心領域)
まず、シミュレーション結果のRegion of Interest (関心領域)を定義する必要があります。これは、シミュレーションツリーのRegion of Interestメニューをクリックして行います。歩行者の快適性の結果は、Region of Interest内にのみ表示されます。
ここでは、すべての設定項目について簡単に説明します：
- Disc radius (円盤半径): Region of Interestとして設定する円盤の半径
- Center point (中心点): Region of Interestの中心点
- Ground height (地面の高さ): シミュレーションに使用する地面の高さ。デフォルトの値は、CADモデルのz軸の最小値を自動的に取得した値になっています。
- North angle (北の方向): シミュレーションで使用する北の方向。前述したように、北の方向のデフォルトは正のy方向です。
このシミュレーションでは、以下に定義するパラメータに従うことができます。
Region of Interestの詳細については、以下のページをご覧ください：
2.3 Wind conditions (風況)
Wind conditionsでは、CADモデルが位置する地理上の場所を指定して、風況を定義することができます。このプロセスは、Meteoblue®[2]プラグインを使って自動で行うか、手動で行います(例: .statファイルをアップロード。.statファイルについてはこちらのページをご覧ください)。
このチュートリアルでは、以下の手順で自動設定(Meteoblue®プラグイン)を使用します：
- Wind conditionsを選択します。
- 場所のボックスに「Rotterdam, Netherlands」と入力し、表示されるリストから適当な場所を選択します。
- このチュートリアルでは、Wind Engineering Standard (風工学規格)でAS/NZS 1170.2を使用します。
- 最後に、Import wind dataボタンをクリックして、風配図を読み込みます。
デフォルトでは16方向からなる風配図が読み込まれます。ここでは、Number of directions (風向きの数)を「8」に調整してください。さらに、Wind Exposures (風暴露)を調整することで、それぞれの方向から入ってくる風の地形カテゴリを設定することができます。このチュートリアルのCADモデルはロッテルダムの街の一部を再現しているので、風向はすべての方向でCity center (4)となっています。
風況に関する詳しい情報は以下の記事をご覧ください:
2.4 Pedestrian comfort map (歩行者快適マップ)
次のシミュレーションツリーの項目は、Pedestrian comfort map (歩行者快適性マップ)です。ここで、歩行者快適性計算の対象面と高さを定義することができます。注意点として、デフォルトのシミュレーション結果では、Region of Interest内の部分のみが表示されます。
このチュートリアルでは、Pedestrian comfort map (歩行者快適性マップ)の横にある+ボタンをクリックし、Height above ground項目で1.5m、Ground項目でGround absoluteを割り当てます。この設定により、風洞の底面から1.5メートルの高さのRegion of Interest内の歩行者の快適性の結果が得られます。
Ground absoluteは、CADモデルに地形を表す面がない場合に有効です。すべての設定オプションの詳細については、以下のページをご覧ください：
2.5 Simulation control (シミュレーション制御)
Simulation controlでは、デフォルト値から変更する必要はありません。デフォルト設定では、Number of fluid passes (粒子の入口-出口の移動回数)が推奨最小値の3回になっています。
2.6 Advanced modeling (高度なモデリング)
高度な設定では、領域内の選択されたボリュームにPorous objects (多孔質体)とSrface roughness (表面粗さ)を定義することができます。この設定方法について具体的に説明します。
Porous objects (多孔質体)を設定する例として、樹木が風に対する障壁として作用する場合があげられます。SimScaleは、以下の手順で樹木をモデル化することができます:
- まず、Porous objects (多孔質体)の横にある+ボタンをクリックし、Porus objects (多孔質体)のタイプとしてTree (樹木)を選択します。
- Type of tree (樹木の種類)ウィンドウでPlane tree (一般樹木)、Average tree height (平均樹木高さ)ウインドウで5mを選択します。SimScaleは一般的な樹木とそれに応じた物理特性のリストを提供している他、必要に応じてCustom treeで自由に物理特性を定義することも可能です。
- 最後に、Assigned FacesでTrees-Foliageボリュームを選択します。
このチュートリアルの.stl CADモデルには、樹木用のレイヤーが1つ含まれています。特定の部分にレイヤーを追加することで、この設定をスピードアップできます。この記事には、.stlファイルをレイヤー付きでSimScaleにインポートする方法が紹介されています。
さらに、PWCシミュレーションのためのAdvanced modeling (高度なモデリング)とPorous objects (多孔質体)に関する詳細は、以下をご覧ください:
2.7 Additional result export (追加の結果エクスポート)
また、シミュレーション時に得たい結果を追加で定義することもできます。利用可能な追加結果は以下の通りです：
- Forces and moments (力とモーメント): 選択した面、または面のグループの力とモーメントを計算します。
- Probe points (プローブポイント): 領域上にプローブポイントを配置し、速度と圧力をモニターします。
- Transient output (非定常出力): シミュレーションの非定常結果。
- Statistical averaging (統計的平均): 各風向をシミュレートし、任意の時間、間隔の時間平均を計算します。
| 備考 |
|
Transient output (非定常出力)とStatistical averaging (統計的平均)は、Region of Interestに自動的に適用されます。このチュートリアルではRegion of Interest以外の領域をどのようにして割り当てるかを示すために、設定を行っています。 |
a. Forces and moments (力とモーメント)
このチュートリアルでは，シミュレーションにForces and moments (力とモーメント)を追加します。この結果のエクスポートは、次の手順で追加できます：
- まず、Forces and moments (力とモーメント)の横にある+ボタンをクリックします。
- 必要に応じてCenter of rotation (回転中心)を調整します。このチュートリアルでは、ファサードの基礎にかかるモーメントを計算します。座標はx方向に30.8m、y方向に-18.77m、z方向に4.5mです。
- 力とモーメントを計算する面を定義します。ここでは、南西方向を向いている最も高い建物の面を選択します。
b. Transient output (非定常出力)
Transient output (非定常出力)では、領域が大きいほどシミュレーションの実行に時間がかかります。したがって、できる限り小さいサイズのボックスを適用します。Transient output (非定常出力)の位置を決定するには、以下の手順に従ってください。
- まず、Transient output (非定常出力)をクリックする。
- GEOMETRY PRIMITIVESの横にある+ボタンをクリックします。
- Local cartesian boxを選択します。
- 以下の図の寸法に基づいてGEOMETRY PRIMITIVESを作成します：
Local cartesian box 1の設定を保存すると、自動的にTransient output (非定常出力)に割り当てられます。
c. Statistical averaging (統計的平均化)
Statistical averaging (統計的平均化)については、Transient output (非定常出力)で使用したものと同じ設定を使用します。このような場合、Transient output (非定常出力)で割り当てたLocal cartesian box 1のトグルをスライドさせるだけで割り当てが完了します。
2.8 Mesh (メッシュ)
Mesh (メッシュ)設定では、メッシュのFineness (細かさ)を選択できます。Very coarse (非常に粗い)からVery fine (非常に細かい)までの5段階で選択、もしくはTarget sizeでMinimal cell size (最小セルサイズ)を指定できます。このシミュレーションではFinenessはCoarse (粗い)で十分です。
PWC解析タイプはローカルメッシュの精密化もサポートしており、メッシュ要素の追加が必要な領域がある場合に特に便利です。PWCメッシュ設定の詳細については、以下の記事をご覧ください:
| 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。 |
3.解析の実行
計算プロセスを開始するには、Simulation Rusの横にある+ボタンをクリックします。これにより、現在のシミュレーションツリーの設定を反映した計算処理が開始されます。
SimScaleでは、クラウドコンピューティングを活用して複数のシミュレーションを並行して実行し、設計プロセスをさらに高速化することができます。
4.ポスト処理
シミュレーションの実行が完了したら、オンラインポストプロセッサーを使用して結果を可視化することができます。ポストプロセッサーをより深く理解するために、以下のドキュメントを参照してください。
このシミュレーションでは、主に2つの結果が得られます:
- Statistical surface solutionには、歩行者の快適性と安全性のプロットがすべて含まれています。これらは、風配図の気象データから得られた周波数と、各方向の平均速度結果から得られたものです。
- Directions (各風向の結果): 各風向の結果は、結果のエクスポート定義に依存します。
- Average result (平均結果): タイムステップの最後の20%に渡ってサンプリングされた、各風向からの平均結果。
- Transient result (非定常結果): タイムステップの最後の20%に渡ってサンプリングされた個々の結果の集計。
シミュレーション結果には2つの方法でアクセスできます:
- シミュレーションが終了すると、シミュレーションが終了したことを示すダイアログボックスが表示されます。Post-process resultsボタンをクリックすると、シミュレーションの平均化された統計結果が表示されます。
- シミュレーションツリーでSimulation Runを選択すると、Runの下に結果が表示されます。
4.1 Statistical Surface Solution (統計的表面解法)
Statistical Surface Solution (統計的表面解法)は、風の快適性の結果を表示します。Wind comfort criteria (風の快適性基準)から必要に応じて選択することができます。例えば、下図はMean Velocity (平均風速)をもとにしたLawson wind comfortの結果を視覚化したものです。
| 以下のWind comfort criteriaが利用可能です！ |
さらに、Mean Velocities (平均風速)、Gust equivalent mean velocityies (突風等価平均風速)、 Max velocities (最大風速)を選択することも可能です。詳しくはこちらのページ(英語)をご覧ください。 |
4.2 力とモーメント
各風向をクリックすると、課題に対して計算されたForces and moments (力とモーメント)の時間グラフが表示されます。凡例をクリックすることで、表示したいデータを選択することができ、データの表示/非表示が切り替わります。
下の画像は、風向0度の場合のForces and moments (力とモーメント)です:
また、統計モードでForces and moments (力とモーメント)の結果を表示することも可能です。このオプションでは、Forces and moments (力とモーメント)の最小値、最大値、平均値、二乗平均平方根(RMS)、標準偏差を確認することができます:
4.3 平均結果
前述したように、各風向から歩行者高さの平均結果にアクセスすることもできます。Averaging result (平均結果)を選択すると、ポストプロセッサーが表示されます。
ポストプロセッサーでは、プロットしたいパラメータを選択することができます。下の画像は歩行者高さの速度の大きさを示していますが、入力を変更することで他のパラメータを見ることもできます:
4.4 非定常現象の結果
Transient resultsをクリックすると、歩行者高さの非定常結果にアクセスできます。上部のフィルターリボンを使ってアニメーションを作成すると、歩行者高さでの風速結果は次のようになります：
4.5 Cutting Plane(切断面)の表示
このチュートリアルの2.7節で、Local cartesian box内でのAdditional results exportsを定義しました。したがって、Additional resultsの下でAveraged solution(平均化データ)とTransient solution (過渡データ)にアクセスすることができます。例えば、Averaged solutionを開き、Cutting Plane (切断面)を作成することができます:
図20の構成では、切断面はz方向に垂直であり、Velocity (風速)の大きさを示しています。例えば、下図はx方向に垂直な切断面のPressure (圧力)レベルを示しています:
4.6 Particle Traces (粒子追跡)
ここまでは平均化された結果を見ているので、次にParticle Trace (粒子追跡)フィルターを作成します。このフィルターにより、流体粒子が領域を横切るときの経路を追跡することができます。設定は以下の手順です:
- 上部のリボンからParticle Traceフィルターを選択します。
- 目のアイコンをクリックして、Fluid volumeが表示されていることを確認します。
- 粒子の発生源とするFluid volumeの面を選択します。
SimScaleのフィルターを新しく作成した場合、各項目にはデフォルトの値が入っています。これらの項目は必要に応じて、高度なカスタマイズが可能です。例えば、このシミュレーションでは粒子サイズが大きすぎます。粒子サイズの調整ためSizeで数値を変更し、可視化を改善するためにFluid volumeを非表示にしてみましょう:
フィルタやその他の設定の詳しい説明は、このページでご覧いただけます。
おめでとうございます。チュートリアルは終了です。
参考文献