概要

Custom (カスタム)境界条件では、特定の問題の要件を満たす境界条件を自由に定義することができます。これは、標準の境界オプション以外の境界条件を実装する必要がある場合にのみ、上級ユーザーに推奨されます。Custom (カスタム)境界条件は、流体解析でのみ使用できます。

Custom (カスタム)境界条件では、ユーザーは最初にタイプを指定し、次に特定の面/表面のすべての流れに関する変数の値を指定する必要があります。OPENFOAM®コードに基づくすべての基本および高度な境界条件タイプが、関連する流れ変数に対して利用可能です。

重要

モデルが過不足なく定義されていること、選択内容が矛盾していないこと、論理的に正しい境界条件になっていることに、ユーザーは注意を払う必要があります。これらが満たされない場合、安定性、収束性、有効性は保証されません。

境界タイプと流れ変数

選択した解析タイプに基づき、利用可能な境界タイプが異なります。流れに関連する変数に従ってCustom (カスタム)境界条件を定義する必要があります:

Velocity (速度)$[U]$: 流速がどのように計算されるか、または境界上でユーザーによって定義されるかを設定します。
Pressure (圧力)$[p]$: 圧力がどのように計算されるか、または境界上でユーザーによって定義されるかを設定します。
Temperature (温度) $[T]$: 温度がどのように計算されるか、または境界上でユーザーによって定義されるかを設定します。
Turbulent kinetic energy (乱流運動エネルギー)$[k]$: 乱流運動エネルギーがどのように計算されるか、または境界上でユーザーによって定義されるかを設定します。
Specific dissipation rate (比誘電率) $[\omega]$: 特定の乱流散逸率がどのように計算されるか、または境界上でユーザーによって定義されるかを設定します。
Turbulence wall (乱流壁): 壁の処理に使用するアプローチを設定します。
Wall roughness (壁の粗さ): 壁の粗さをモデル化するための設定。ユーザーは、表面の粗さを含めるために、この設定をオンまたはオフに切り替えることができます。
- Roughness height (凹凸の高さ): 壁面までの代表的な距離。
- Roughness constant (粗さ定数): 粗さの均一性を測定するパラメータ。
Prandtl number (プラントル数)$[Pr]$: 運動量拡散率(動粘性率)と熱拡散率の比を近似した無次元数です。
Turbulent dynamic viscosity (乱流動粘性率)$[μ_t]$: 乱流を平均化する際に失われる輸送と散逸の効果を考慮するために必要です。
Turbulent thermal diffusivity (乱流熱拡散率)$[α_t]$: 面/表面における熱拡散の挙動を定義します。
Phase fraction (相の割合)$[\alpha]$ : 混相流解析における相の割合を設定します。
Eddy viscosity (渦粘性率) $[ν_t]$: 乱流モデリングの結果、無視されていたエネルギーの輸送と散逸をモデル化します。
NuTilda $[\tilde{\nu} ]$: 渦粘性の関数であるSpalart-Allmaras変数。
Turbulence dissipation $[\epsilon]$: k-epsilon乱流モデルを使用した場合の乱流運動エネルギーの散逸率を定義します。

条件の種類

Velocity (速度) や、Pressure (圧力)などの各境界設定は、いずれかの条件タイプを選択して定義します。各設定は、関連方程式を使用してソルバーで計算するか、ユーザーが手動で定義することができます。Custom (カスタム)境界条件を定義する際の境界設定には、OPENFOAM®コードに基づくいくつかの条件が用意されています。

これらの条件の中には、すべての境界設定に適用できるものもあれば、一部に限定されたものもあります。すべての境界設定に適用可能な条件は、以下の共通セクションに記載されています。特定の境界設定に適用されるその他の条件は、それに従ってリストされています。

共通

このセクションに記載されている条件タイプは、すべての境界タイプ設定に適用されます。

Symmetry (対称)

Symmetry (対称)条件は、アプリケーションの対称的な動作を利用するために、いくつかの種類のシミュレーションで使用することができます。この条件は、対称条件を表す平面パッチに適用されます。この条件タイプには、Velocity (速度)、Pressure (圧力)、Temperature (温度)、Turbulence variables (乱流変数)、Phase fraction (相の割合)で設定できます。

Fixed value (固定値)

Fixed value (固定値)はディリクレ型とも呼ばれ、境界面の値がユーザーによって定義される境界タイプです。

$$\phi_f = \phi_{ref}$$

$\phi_f$ は境界面の値、$\phi_{ref}$ はユーザーが定義する基準値です。

この条件タイプには、Velocity (速度)、Pressure (圧力)、Temperature (温度)、Turbulence variables (乱流変数)、および Phase fraction (相の割合)で設定できます。

Fixed gradient (固定勾配)

ノイマン型とも呼ばれる固定勾配は、境界面に垂直な勾配がユーザーによって指定される境界タイプです。境界面の値は次式に従って計算されます:

$$\phi_f = \phi_c +\Delta \nabla \phi_{ref}$$

ここで$\phi_f$ は境界面の値、$\phi_c$ は面に隣接するセルの値、$\nabla \phi_{ref}$ はユーザーによって定義されるべき参照勾配、$\Delta$ はセル中心から面までの距離です。

この条件タイプには、Velocity (速度)、Pressure (圧力)、Temperature (温度)、Turbulence variables (乱流変数)、および混相流解析などで使用されるPhase fraction (相の割合)で設定できます。

Zero gradient (ゼロ勾配)

ゼロ勾配タイプは、固定勾配に基づく派生条件タイプで、境界の値が内部場の値と等しくなります。内部値に基づいて面値を計算するために使用される勾配は、単にゼロに等しくなります。

$$\frac{\delta}{\delta n} \phi = 0$$

この条件は、Velocity (速度)、Pressure (圧力)、Temperature (温度)、Turbulence variables (乱流変数)、および Phase fraction (相の割合)で設定できます。

Inlet-Outlet (流出入口)

この境界タイプは、通常、逆流の可能性がある出口条件に使用されます。そのため、逆流を処理するために流入量を指定する必要があります。この条件タイプは、領域に流入する流れに対してユーザーが定義した固定値、または領域から流出する流れに対してゼロ勾配条件という2つの操作を切り替えます。この条件は、Velocity (速度)、Pressure (圧力)、Temperature (温度)、Turbulence variables (乱流変数)、および Phase fraction (相の割合)で設定できます。

Advective (移流)

Advective (移流)を有効にすると、音波が出口境界付近で反射されずに領域から出るように境界を定義できます。出口付近での反射は、流れが圧縮性である場合に大きな影響を与える可能性があります。したがって、この境界タイプはCompressible (圧縮性)ソルバーでのみ使用できます。

この流出条件は、対象の変数の物質微分をゼロに等しくすることで境界に適用されます。さらに、Relax boundaryトグルを有効にすることで、境界を緩和することができます。ただし、これには2つの追加入力が必要です: Far field valueとRelaxation length scale。この条件タイプは速度と圧力に使用できます。

Radiative behavior (ふく射挙動)

Radiative behavior (ふく射)を有効にすると、ユーザーはカスタム境界を含むすべての境界のふく射挙動定義する必要があります。SimScaleプラットフォームでは、ふく射挙動をTransparent (透明)またはOpaque (不透明)に設定でき、これらの選択に応じて異なる入力を必要とされます。

Velocity (速度)

このセクションに記載されている条件タイプは、Veloccity (速度)の境界設定にのみ適用されます。

Mean value (平均値)

このタイプは、主に境界面を通過する流れが一様に分布しているかどうかが明確でない場合に推奨されます。該当する流れの変数の平均値は、ユーザーによって定義された値と等しくなります。Fixed value (固定値)条件タイプとは異なり、境界上のすべてのセル面が同じ値を持つわけではありません。この条件は通常、流れの挙動が明確でない出口境界に適用されます。

Flow rate (流量)

このタイプはFixed value (固定値)タイプの一部で、流速をユーザー定義のプロファイルに設定します。この条件は、設定された流量に基づいて境界面の流速を計算します。

Mean flow rate (平均流量)

このタイプは、境界面を通過する流れの変数の正確な分布が明確でない場合にのみ、流入条件に使用します。Mean value (平均値)境界タイプと同様に、流量の平均値はユーザーが定義した値と等しくなります。

Freestream (自由流れ)

Freestream (自由流れ)条件タイプは、境界がオブジェクトから離れている場合に使用します。この条件はInlet-Outlet (流出入)条件タイプから派生したもので、入口には固定値の流速を適用し、パッチ法線流速に基づいて領域から流出する面にはゼロ勾配条件を適用します。(フラックスに基づいて固定値とゼロ勾配をブレンドするInlet-Outlet (流出入)条件タイプとは異なります)　流入口と流出口に別々の境界条件を割り当てる必要はありません。このタイプは、 Velocity (速度)タイプとPressure (圧力)タイプの設定にのみ使用できます。他の変数については、Inlet-Outlet (流出入)条件とまったく同じです。

Pressure inlet velocity (圧力流入速度)

このタイプは、ユーザーが同じ境界面で指定した圧力に基づいて、境界面の速度を計算するために使用されます。流入速度は、境界面の法線方向のフラックスに基づいて計算されます。この条件タイプは、Velocity (速度)タイプ設定でのみ使用できますが、Custom (カスタム)境界条件を定義している間は、 Pressure (圧力)タイプ設定によって制約されます。境界面で逆流が発生する可能性がある場合は、Pressure inlet velocity (圧力流入速度)の代わりにPressure Inlet-Outlet Velocity (圧力流出入速度)を定義することをお勧めします。

Pressure inlet-outlet velocity (圧力流出入速度)

Pressure inlet-outlet velocity (圧力流出入速度)タイプは、ユーザーによって指定された圧力値に基づいて境界面の速度を計算するもので、逆流の可能性がある場合に使用します。Inlet-outlet (流出入)条件と同様に、領域を出る流れにはゼロ勾配が適用されます。速度は、境界面に対する法線方向のフラックスに基づいて求められます。この条件タイプは、Velocity (速度)タイプの設定でのみ使用できます。ただし、Custom (カスタム)境界条件を定義する場合は、Pressure (圧力)タイプの設定に制約されます。

Wall (壁)

Custom (カスタム)境界条件を使用して、いくつかの特性を持つ Wall (壁)境界条件を定義することができます。Wall (壁)境界は、壁タイプ(No-slip (滑りなし)、Slip (滑り)、Moving wall (移動壁)、Rotating wall (回転壁))のいずれかを選択してカスタマイズできます。これらの条件は、Velocity (速度)タイプの設定でのみ使用できます。

Pressure (圧力)

このセクションに記載されている条件タイプは、Pressure (圧力)タイプの境界設定にのみ適用されます。

Mean value (平均値)

このタイプは、主に境界面を通過する流れが一様に分布しているかどうかが明確でない場合に推奨されます。該当する流れの変数の平均値は、ユーザーによって定義された値に等しくなります。Fixed value (固定値)条件タイプとは異なり、境界上のすべてのセル面が同じ値を持つわけではありません。この条件は通常、流れの挙動が明確でない流出境界に適用されます。

Toral pressure (合計圧力)

これは、Fixed value (固定値)条件の派生タイプで、ユーザー定義のTotal pressureを使用して境界面の静圧を設定するために使用されます。静圧と境界面の流速値は収束するまで調整されます。

Fixed flux (固定フラックス)

Fixed flux (固定フラックス)圧力条件タイプは、Pressure (圧力)設定でのみ使用できます。これは、速度の条件タイプで定義された境界上のフラックスに従って圧力勾配を設定するために使用できます。このタイプは、重力などの体積力が解に存在する場合に使用されます。したがって、重力をモデル化できるシミュレーションでのみ使用できます。

Fan pressure (ファン圧力)

Fan pressure (ファン圧力)条件タイプは、ユーザー定義の周囲全圧$P_t$ 、およびファン圧力カーブ$P_{Fan}$ に基づいて境界面の静圧$P_s$ を設定します。

$$P_s = P_t – P_{Fan}$$

ファン圧力値は、表形式の入力で体積流量の関数としてユーザーが定義する必要があります。この条件タイプは、流体領域への空気の流入と流出の条件を作成することができます。

Temperature (温度)

このセクションに記載されている条件タイプは、Temperature (温度)タイプの境界設定にのみ適用されます。

External wall heat flux (外壁熱流束)

External wall heat flux (外壁熱流束)は、2つのモードのいずれかで外壁の温度に熱流束条件を適用します。この2つのモードは、 Fixed heat flux (固定熱流束)と Derived heat flux (派生熱流束)です。用途に応じてどちらかのモードを選択します。この条件は主にWall (壁)に使用され、Temperature (温度)タイプの境界設定でのみ使用できます。External wall heat flux (外壁熱流束)条件タイプは、建物の外壁や窓など、対応する熱流束値を指定できる表面に使用できます。

Adiabatic (断熱)

その名の通り、熱伝達がなく、温度勾配がゼロの壁に使用します。Adiabatic (断熱)条件タイプは、完全な断熱材をモデル化するのに便利です。

Total temperature (全温度)

Fixed value (固定値)条件から派生した条件タイプで、ユーザー定義のTotal temperature (合計温度)値を使用して境界面の静的温度を設定するために使用します。主にCompressible (圧縮性流れ)解析に使用され、the ratio of specific heat (比熱比)の追加入力が必要です。

Turbulent heat flux (乱流熱流束)

Turbulent heat flux (乱流熱流束)は、温度に対する固定熱拘束を設定します。入力熱源を通る温度勾配は、絶対電力値または熱流束を定義できます。この条件タイプは、Fixed gradient (固定勾配)条件タイプを使用して導き出されます。Turbulent heat flux (乱流熱流束)条件は、人間、コンピュータなどのシミュレーションの動力源をモデル化するのに適しています。

Wall heat transfer (壁面熱伝達)

この条件タイプは、壁面熱伝達のエンタルピー条件を設定します。Surface temperature (表面温度)と追加でThermal diffusivity (熱拡散率)が必要です。Thermal diffusivity (熱拡散率)は、面での熱拡散の挙動を定義します。

Turbulence (乱流)

このセクションに記載されている条件タイプは、Turbulent kinetic energy (乱流運動エネルギー)、およびSpecific dissipation rate (比散逸率)タイプの境界設定にのみ適用されます。

Wall function (壁関数)

この条件タイプは主にWall (壁)に使用され、乱流壁境界設定に使用される場合、速度プロファイルをモデル化するための適切な関数を設定します。また、境界面にWall function (壁関数)を与えることで、Turbulent kinetic energy (乱流運動エネルギー)やSpecific dissipation rate (比散逸率)の計算にも使用できます。

Full resolution (完全解像度)

Full resolution (完全解像度)条件タイプ、モデリングではなく、流れプロファイルを完全に分解する必要がある場合に使用できます。壁面近傍の流速分布を完全に解像するために、乱流壁面境界設定に使用できます。Wall function (壁関数)条件タイプと同様に、この条件もTurbulent kinetic energy (乱流運動エネルギー)とSpecific dissipation rate (比散逸率)の計算に使用できます。Full resolution (完全解像度)の条件タイプを使用すると、境界面付近でより高密度のメッシュ要素が必要となり、計算時間とリソースに大きく影響することに注意してください。

Intensity inlet (流入強度)

この条件タイプは、境界面におけるTurbulent kinetic energy (乱流運動エネルギー)タイプを定義するために使用されます。乱流強度は、速度変動と流れの平均速度との間の標準偏差を表します。ユーザーが指定した強度値を使用して、乱流運動エネルギーが計算されます。乱流強度は絶対値で与えられるため、乱流強度0.01を定義すると1％に相当することに注意してください。

シミュレーションでの利用

Custom (カスタム)境界条件を使用することで、各シミュレーションタイプに適用可能な正確な物理シミュレーションを行うことができます。しかし、シミュレーションタイプごとに支配方程式の数学的特性が異なるため、すべてのシミュレーションに正確に対応できる共通のソルバーはありません。各シミュレーションは解を求めるために固有の入力を必要とするため、各シミュレーションで利用可能な境界条件も異なります。SimScaleのCustom (カスタム)境界条件は、流体解析でのみ使用できます。

Incompressible (非圧縮性)

A. Atmospheric boundary layer (大気境界層)

Incompressible (非圧縮性流れ)解析でCustom (カスタム)境界条件が使用される最も一般的な設定の1つは Atmospheric boundary layer (大気境界層) です。大気境界層の方程式を使用することで、カスタム吸入境界条件を定義することができます。

B. Still ambient air (静止大気)

Custom (カスタム)境界条件を必要とするもう1つの一般的なワークフローは、大気境界の特性が不明な場合です。これは、ジオメトリと流れの相互作用、または回転ゾーンや運動量源のような高度な概念によって引き起こされることがあります。このドローンシミュレーションでは、大気開放面のCustom (カスタム)境界条件を Pressure inlet-outlet velocity (圧力流出入速度) 条件タイプで定義します。この設定により、ソルバーは流入または流出に関係なく流れ変数を計算することができます。

Compressible (圧縮性)

Compressible (圧縮性流れ)の解析では、状態方程式とエネルギー方程式を解くため、温度も重要です。そのため、Compressible (圧縮性流れ)の解析のCustom (カスタム)境界条件を設定する際に、Temperature (温度)タイプの境界条件を指定することができます。

A. 流出安定性の向上

Custom (カスタム)境界条件は、他のすべてのシミュレーションタイプにも適用できる目的で、Compressible (圧縮性流れ)の解析に使用することができます。この検証ケースでは、流入面にCustom (カスタム)境界条件を適用し、 Fixed value (固定値)条件を使用してTurbulent kinetic energy (乱流運動エネルギー)生成値とSpecific dissipation rate (比散逸率)を指定します。安定性を高めるため、Custom (カスタム)境界条件を使用して流出タイプの境界も生成します。Velocity (速度)タイプではゼロ勾配、Pressure (圧力)タイプでは固定値を定義し、流入境界と流出境界の組み合わせにより、収束性の良い安定した解が得られます。

Convective heat transfer (対流熱伝達)

Custom (カスタム)境界条件を定義する際の境界タイプの設定は、混相流パラメータを除き、Convective heat transfer (対流熱伝達)解析で利用できます．

A. ファンの条件

Custom (カスタム)境界条件は、Convective heat transfer (対流熱伝達)解析において、安定した流入と流出の組み合わせを強化するとき、流れの挙動が明確でない流出口を定義するとき、カスタム外部ファン境界を指定するためなどに使用することができます。この検証例 (英語)では、対流熱伝達を外部ファン境界を使用して実行します。ファン境界条件を作成するために、Velocity (速度)タイプ設定に Pressure inlet-outlet velocity (圧力流出入速度)条件タイプ、Pressure (圧力)タイプ設定に Fan pressure (ファン圧力) 、Temperature (温度)タイプ設定に Adiabatic (断熱)条件タイプを使用します。

B.サーバーラックのシミュレーション

データセンター内の気流に関するこの検証例 (英語)では、サーバーラックを通過する流量、低温側の温度、および放熱に基づいて、データセンター内のラックの高温側をモデル化するためにCustom (カスタム)境界条件が使用されます。Velocity (流速)、Temperature (温度)、Turbulent kinetic energy (乱流運動エネルギー)、Specific dissipation rate (比散逸率)は境界面で指定します。

Multiphase (混相流)

Multiphase (混相流)解析でCustom (カスタム)境界条件を定義する際、Phase fraction (相の割合)という 追加の境界設定が必要になります。ユーザーは、 Fixed value (固定値)またはContact angle (接触角)の形式で定義する必要があります。

Contact angle (接触角)境界条件は、壁の接触角を設定する必要がある場合に使用します。壁に最も近いセルの曲率は、この値を使用して計算されます。そのセルの表面張力を適切に計算するために用いられます。言い換えれば、接触角は壁に近いセルの界面への表面法線ベクトルを調整するために使用されます。

壁の接触角を定義するには2つのオプションがあります。Static contact angle (静的接触角)は、Advancing contact angle (前進接触角)とReceding contact angle (後退接触角)の差が重要でない場合に使用できます。大きなタンク内を水が移動するように、壁と界面の間の表面張力効果が無視できる単純な場合、Static contact angle (静的接触角) 90 度を定義できます。これは、Phase fraction (相の割合)の設定にZero gradient (ゼロ勾配)条件タイプを定義することによっても達成できます。

Dynamic contact angle (動的接触角)は、Advancing contact angle (前進接触角)とReceding contact angle (後退接触角)の変化量が大きい場合に使用します。例として、傾いた表面上の水滴が挙げられます。Advancing contact angle (前進接触角)とReceding contact angle (後退接触角)の差が大きいかどうか、また動的接触角を求めるには実験的な調査が必要です。