このチュートリアルでは、SimScale を使用して、グローブバルブを流れる水の一時的な非圧縮性の混相流体シミュレーションを実行する方法を紹介します。
概要
このチュートリアルでは、以下の方法を説明します:
- Multi-purposeを用いて、非定常非圧縮性混相シミュレーションを設定して実行する。
- 初期条件として相分数を割り当てる。
- 境界条件、複数の材料、その他の特性をシミュレーションに割り当てる。
- Multi-purpose の自動メッシュアルゴリズムを使用してメッシュを作成する。
ここでは一般的なSimScaleのワークフローに従います:
- 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。
- メッシュを作成する。
- シミュレーションを実行し、結果を分析する。
| Multi-purpose 解析タイプ |
| Multi-purpose解析タイプは、複雑な管内流れや回転領域、混相流の解析を得意とする流体解析ソルバーです。アドオンとして提供されているため、Communityプランではご利用いただけません。 |
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。
次の図は、チュートリアル・プロジェクトをインポートした後に表示されるものを示しています。
グローブバルブはシーンツリーで確認できるように複数の部品で構成されています。
1.1 ジオメトリの準備
複数の部品がバルブを構成しています。混相流の解析を行うためには単一の流体領域が必要であるため、このままでは流体解析を実行できません。
そこでEdit a copyをクリックしてCADモードへ進み、流体領域を作成します。
次に以下の手順で作業を進めます。
- 画面上部のバーから、CREATEのFlow Volume>Internalを選択します。するとシード面と境界面を指定するためのパネルが現れます。
- 流体領域と接触する面から任意の面を一つ選択し、Seed faceを定義します。図では画面左側の出口の内側を選択しています。
- Boundary facesを定義します。Boundary facesは流体領域の開口部（始点と終点）を設定します。図では流体の出入口となるパイプの端面を指定しています。
- Apply を押します。
すると自動で流体領域が計算され、部品リストの一番下にFlow Regionとして追加されます。これは流体相互作用に関係し、CFDシミュレーションに必要となる唯一の領域です。
残りのパーツを削除するには
- 部品リストからFlow Regionを選択する。
- 画面の任意の場所で右クリックし、ドロップダウンからInvert selectionを選択する。
- 画面上部のバーから、BODYのDeleteをクリック。
- Applyを選択。
| ヒント |
| Invert selection では、選択を反転できます。この機能は、特定の部品・面以外のすべてを選択したい場合には非常に便利です。 |
すると流体領域のみが表示されるので、ここで画面右上のSaveを選択しワークベンチに戻ります。
変更されたジオメトリは Copy of Globe_Valve_Assemblyとしてジオメトリツリーに表示されます。
1.2 シミュレーションの作成
新たに作成したジオメトリの名前をCopy of Globe_Valve_Assembly から Valve flow region2変更し、Create Simulationを選択します。
シミュレーションタイプの選択ウィジェットが開きます:
今回はMulti-purposeを選択し、Create Simulationを押します。
この時点で、シミュレーションツリーが画面左側のサイドパネルに表示されます。シミュレーションを実行するには、シミュレーションツリーの項目を設定する必要があります。
グローバル設定は、図5のように、Time dependencyをTransient、 Multiphaseのトグルをオンにする必要があります。
ここでは、空気と水の2つの材料をシミュレーションします。そこで、Number of phases (相の数)を 2 とします。
| ご存知でしたか？ |
| 混相流解析は、VOF(Volume of Fluid)法を用いて、非圧縮性、等温性、非混和性の流体混合物の時間に依存した挙動を解析するために使用されます。 |
2. シミュレーション条件の設定
以下の画像に境界条件の概要を示します。
2.1 重力のモデル化
今回は、流体解析に重力加速度の影響を与えます。
シミュレーションツリーからModelをクリックし、gy を-9.81\(m/s^2\) に設定します。
2.2 材料の定義
今回のシミュレーションでは、最初にバルブ内には空気が存在し、続いて入り口から水が流入します。したがって、このシミュレーションでは空気と水の2つの材質を使います。画面左側のシミュレーションツリーのMaterialsの右にある+ボタンを押します。すると図のようにSimScaleの物性値ライブラリが表示されます。
ここでWaterを選択し、Applyをクリックします。するとWaterに関する詳細設定のウィジェットが表示されるので、Associated phase (物性値を割り当てる相)は Phase 1 とし、Assigned Volumes は画面右側のジオメトリツリーからFlow Regionを選択します。
これで水を定義できたので、同様の手順で空気についても定義します。しかし空気の場合はAssociated Phases (物性値を割り当てる相)を Phase 0 とします。
2.3 初期条件の割り当て
上で述べたように、シミュレーション開始時はバルブ内には空気が存在します。この初期条件を定義するために、画面左側のシミュレーションツリーから Initial conditions>Phase fractions>Subdomainsの右側にある+ボタンをクリックします。
Phase 0 (空気) を１、Phase 1 (水)を０、Assigned Volumes を Flow Regionと設定します。
2.4 境界条件の割り当て
次に境界条件として、velocity inlet と pressure outlet の設定を行います。その他の境界はデフォルトのままにします。
a. Velocity Inlet
画面左側シミュレーションツリーのBoundary conditionsの右側にある+ボタンをクリックします。表示されたドロップダウンメニューからVelocity inletを選択します。
ここでユーザーはいくつかのパラメータを指定して面を割り当てる必要があります。
今回は、グローブバルブに25%の空気と75%の水の混合物が流入すると仮定します。これはPhase 0 (空気) の Fractional Value を0.25、Phase 1 (水) の Fractional value を0.75 と設定することで再現できます。この混合物は Flow rate 2e-4 (0.0002) \(m^2/s\) の流量で流入面に流れ込んできます。
b. Pressure outlet
Velocity inlet と同様の手順で新たな境界条件を設定します。シミュレーションツリーのBoundary conditionsのPressure outletをクリックし、流出面(Assigned Faces)を図のように選択します。また(P) Gauge pressureが0 Pa になっていることを確認します。
| ご存知でしたか？ |
|
グローブバルブは、パイプライン内の流量を調整するために使用され、一般的に球形のボディの中に可動プラグまたはディスクエレメントと固定リングシートで構成されています。\(^1\) 最近では、多くのグローブバルブが球形(グローブ型)ではあまりありません。しかし、グローブバルブという名前はそのような内部機構を持つバルブのために使用されます。\(^1\) |
c. Wall
Multi-purpose の解析では壁として振る舞うすべての面を自動で判別します。そのためユーザーが割り当てる必要はありません。
2.5 シミュレーションの制御
シミュレーションの数値設定はデフォルトで最適化されています。画面左のシミュレーションツリーからSimulation controlを選択し、以下の処理を行ってください:
-
End time:
- 流入面と流出面の距離および表面積はジオメトリの情報を使用して計算できます。流量と流入面積を使用して、流入速度の近似値も計算することができます。
- 少なくとも3回の流体の通過がある場合(バルブに入る流体とバルブから出る流体)、シミュレーション時間は0.8秒以下であると概算され、これを四捨五入して1とします。
- Delta t: 0.002秒のままにします。このソルバーはCFL数(クーラン数)が大きい範囲の時間ステップを扱うため安定しています。
- Write interval: 10 時間ステップごとに結果を記録します。
- Maximum runtime: 非定常シミュレーションの最大実行時間は8.64e4秒(実際の時間で24時間)に設定されます。
残りの設定項目はデフォルトのままにしてください。Simulation control の詳細について知りたい場合はこちらをお読みください。
2.6 結果の制御
Result control (結果の制御)モデル内の特定の位置だけでなく、全体の収束挙動を見ることができます。これはシミュレーション品質と結果の信頼性に関する重要な指標です。
a.力とモーメント
今回のシミュレーションではバルブのプラグに Force and moment を設定します。シミュレーションツリーのResult control > Force and moment の+ボタンをクリックします。設定パネルが表示されたら以下の手順に従います。
- 一度設定パネルを閉じます
- バルブ内のプラグが見えるようになるまで、外側の面を非表示にします。非表示にするには、非表示にしたい面を右クリックし「Hide faceXX@Flow region」を選択します。図に示すようにプラグ部分がすべて表示されるまで続けます。
- シミュレーションツリーの Result control > Force and moment をクリックして再度設定パネルを開きます。
- 次に画面上部にあるActivate box selection をクリックし、プラグ部分の面をすべて選択してAssigned Facesに割り当てます。
- 回転の中心座標を図のように入力します。
c.圧力差
Result control > Surface dataの+ボタンをクリックしPressure differenceを選択します。
- 流入面、流出面をそれぞれStatic pressure に設定します。
- 流入面(Inlet face)、流出面(Outlet face)を図のように指定します。
- Apply Absolute Value がオン担っていることを確認します。
3.メッシュ
自動メッシュアルゴリズムを使うことで、完全自動でほとんどのジオメトリで良い結果を得られます。チュートリアルではメッシュの細かさを4とします。より洗練されたメッシュでシミュレーションする場合は、細かさを上げるかRegion refinementsを使います。
この解析は非定常であるため、CPUhを節約するために、はじめはメッシュを粗く設定し、徐々に細かくしていくことをおすすめします。
| ご存知でしたか？ |
|
オートメッシャーでは、設定した条件も加味するため注目している領域の現象を捉えやすくなるように、形状にフィットしたメッシュが作成されます。 |
| 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.シミュレーションの開始
シミュレーションツリーのSimulation Runs の隣の+ボタンをクリックすると、シミュレーションを開始できます。実行名を付けてStartを押すと開始されます。
シミュレーションの実行中にSimulation Runs > Run 1 > Solution Fieldsをクリックすると、リアルタイムで中間の結果を確認できます。
シミュレーション終了まで5~10分程度かかる場合があります。
5.ポスト処理
5.1 メッシュの可視化
Parts ColorのColoring を Solid Color とし、Change render mode > Mesh を選択することで、メッシュで区切られたCADモデルを表示できます。
Cutting Plane を使用すると生成されたメッシュの内部を確認できます。
- 画面上部のリボンからCutting Planeをクリックします。
- 位置を調整する。
- Orientation を X にします。
- Coloring を見やすい色に設定します。
- Show mesh をオンにするとメッシュが表示されます。
5.2 プラグの力とモーメント
Force and moment の結果はバルブを使用したシミュレーションで特に重要です。プラグは流入する水の圧力を受けます。そこでプラグにかかる力とモーメントの結果を見てみましょう。
ココカラ
図はEnd timeが1秒の結果を示しており、これはグラフの曲線がまだ揺れているので、予測可能なパターンを観測するにはより多くのTime stepが必要になる可能性があります。
5.3 圧力損失
グローブバルブの性能を評価する際に観察すべき最も重要なパラメータの一つが、水がバルブを通過した後に圧力がどの程度低下するかです。
圧力差曲線は時間の経過ともに収束に向かっています。力とモーメントのグラフと同様に、予測可能なパターンを確認するには、より多くのTime stepが必要になる場合があります。
5.4 粒子トレース
Particle Traceは流れのパターンを可視化するのに優れたツールです。バルブ内部に流れの流線を表示するには次の手順に従います。
- 事前に定義されたフィルタをすべて削除し、画面上部のリボンにあるParticle traceをクリックします。
- Pick positionのアイコンが有効になっていることを確認します。
- ジオメトリの正面図が画面の平面と揃っていることを確認してください。
- トレースされるシード面として流入面を選択します。
次に流出口を選択して同じ処理を繰り返します。
トレースが作成されたら、画面上部のChange render mode > Translucent surfaces を選択することでバルブの表面が透明になるため、流れをよく観察することができます。同様にパーツの色を変更して見やすく設定できます。
タービンの回転運動により、流出口では流れが円運動をしていることが確認できます。
5.5 圧力、位相分率、および速度ベクトル
圧力
より詳細なバルブ内の流れを見るために、Cutting plane filter を使います。
- 画面上部のリボンからCutting Plane をクリックします。
- 切断面の方向をZ方向にし、切断位置を調整します。Positionのカーソルを移動することで、切断面をz軸上で移動できます。
- Coloring を Total pressure に設定します。
図より空気と水の混合流体が中央のバルブセクションを通過した後に、全圧がどのように低下し、流出口に向かって現象し続けるかが確認できます。
相分割
Coloring を変更することで、異なるパラメータを観測できます。下の図ではシミュレーション終了時のバルブ内の空気の分布を示します。
同様に下の図ではシミュレーション終了後のバルブ内の水の分布を示します。
それぞれの図は情報を相互に補完しています。ほとんどの流体領域では水の割合が0.6~0.8、空気の割合が0.2~0.4の混合物で満たされています。プラグを囲む上部にはより空気が多く含まれています。
速度ベクトル
ベクトルをCutting plane に表示させることで理解を深められます。
- Orientation(切断方向)をXにします
- Coloring を Velocity Magnitude に変更します
- Vector をオンに切り替え、Coloringを見やすい色に設定します。
- Scale factor を0.07に、Grid spacing を0.018に調整します。
- Project vectors into plane をオンに切り替えます
ベクトルの長さが長いほど高い速度になります。下から上への流れはそれほど強くありません。Cutting Plane の方向をほか２つに変更し、更に詳細な情報を見ることもできます。
5.6 アニメーション
適用されたフィルタの効果はアニメーション化できます。上部のフィルターリボンからAnimationを選択し、アニメーション設定パネルにある再生ボタンをクリックします。
ここではグローブバルブ内がどのように充填されるか、どの部品が流れに影響を与えるかなどの洞察が得られ、設計の最適化が可能になります。
SimScaleポストプロセッサーで結果を解析します。ポストプロセッサの使用方法については、 ポスト処理ガイドをご覧ください。