ポンプやタービンなど回転する部品を使ってシミュレーションを行う場合、Rotating zone (回転領域)を使用する必要があります。この場合、SimScale Workbenchにモデルをインポートする前に、CADを準備するための追加ステップが必要になります。

要するに、Rotating zone (回転領域)を使用するシミュレーション用のCADモデルには、1つの流体領域と、Rotating zone (回転領域)ごとに1つの追加ボリュームを含める必要があります。この記事では、ユーザーがCADモデルを準備するために従うべきベストプラクティスの概要を説明します。

重要

SimScaleまたはCADソフトウェアでRotating zone (回転領域)を生成することができます。デモンストレーションのため、SimScaleと Onshape でのワークフローを紹介します。(OnshapeはSimScaleの一部ではありません)

CADの準備に関しては、複数のワークフローが同じ結果を導くことにご注意ください。この記事では、可能なワークフローの1つを紹介するだけで、すべてを網羅するつもりはありません。

アプローチ

回転運動を含むシミュレーションのためにCADを準備する場合、最も重要な要件は Rotating zone (回転領域)です。 SimScaleでのRotating zone (回転領域)のセットアップについては、こちらのドキュメントページをご覧ください。

Rotating zones (回転領域モデル)

以下に、内部および外部アプリケーションのRotating zone (回転領域)を使用したシミュレーションのためにCADモデルを準備するワークフローを示す例を示します。例としては、ドローン、ウォーターポンプ、風力タービンがあります。

基本的には2通りのアプローチがあります。

SimScaleのCAD Modeで回転領域を表す円筒形状を作成する
CAD Mode の Cylinder 機能では、座標や円筒の長さ・径を指定して円筒ジオメトリを作成するほかに、指定した面を囲むような寸法の円筒ジオメトリを作成できます。
CADツールで回転領域を表すパーツを作成する
お手持ちのCADツールで、回転押し出しなどの機能を使ってファンやタービン周囲の空間を表現するソリッドパーツを作成いただければ、そのパーツの領域を回転領域として指定できます。

例1: ドローンのプロペラ

この例では、ドローンのシミュレーションを題材としたチュートリアルのジオメトリを使用します。ジオメトリには最初、ドローンのプロペラとアームが含まれています。CADモードを使用すると、SimScale環境内で、プラットフォームから離れることなく流体領域とRotating zone (回転領域)を作成できます。

cad mode access — 図1: ドローンは、回転部品を含む外部空力シミュレーションの良い例です。この図は、SimScale WorkbenchからCADモード環境に入る方法を示しています。

cylinder operation in cad mode — 図2: CADモードでサポートされる操作のリスト。**Rotating zone** (回転領域)を作成するには **Cylinder** (円筒形)を選択します。

CAD mode の Cylinder (円筒形)操作では、Rotating zone (回転領域)を持つシミュレーション領域を扱う際に使用できる円筒形ボリュームを作成できます。円筒形の作成には2つの方法があります: Customと From faces です。

Custom メソッドを使用する場合、円筒形の Center (中心)、Axis (回転軸)、Radius (半径)、Height (高さ)をユーザーが指定する必要があります。

custom cylinder operation — 図3: **Cylinder** (円筒形)の設定を**Apply**する前に、円筒形のプレビューがビューアに表示されます。

Custom メソッドでは、円筒形を作成するためにグローバル座標を提供する必要があります。グローバル座標をすぐに入手できない場合は、 From faces メソッドが便利です。

From faces メソッドを使用して円筒形を作成する場合、ユーザーは円筒形でカバーされる面を選択する必要があります:

generating cylinder in cad mode from faces — 図4: 青い矢印でハイライトされたボックス選択ツールは、目的の面を素早く選択するのに役立ちます。

この設定方法では、選択されたすべての面を包む円筒形が作成されます。さらに、 Clearance factor (クリアランス係数)を適用し、円筒形が割り当てられた面よりもわずかに大きくなるようにします。回転機械を含むシミュレーションでは、「1.1 」の クリアランス係数を推奨します。

Cylinder (円筒形) 操作の結果、全く新しいボリュームが作成されます:

generated cylinder in cad mode from faces — 図5: 操作を実行すると、 CAD モードで Cylinder *という* 名前の新しいボリュームが表示されます。

CADモードを使用したRotating zone (回転領域)の作成は、円筒形の回転領域を扱う場合に適しています。より複雑なブレード形状や向きについては、以下の例を参照してください。

例2: 風力タービンの羽根

この例では、ソリッドモデルで作られたタービン部品のみを含む風力タービンのモデルを出発点として使用します。

wind turbine geometry rotating zone — 図6: ローター(1)、ナセル(2)、タワー(3)を示す風力タービンの初期CADモデル。

このモデルをSimScaleに取り込むと、 CADモード環境に入って以下の操作を実行できます:

Rotating zone (回転領域)を表す円筒形の作成
外部空力シミュレーション用の流体領域を作成
風力タービンのソリッドパーツを削除

このジオメトリのブレードは斜めになっています。 Cylinder 操作の From faces メソッドを使用すると、アルゴリズムが自動的に正しい角度のRotating zone (回転領域)を生成します:

selecting faces for a cylinder cad mode operation — 図7: CADモード環境での **Cylinder** 操作による角度のあるブレードの**Rotating zone** (回転領域)の生成

ローターのみを含む独立したソリッドのパーツがCADモデル内にあると、画面右の GEOMETRY のツリーからローター表面のサーフェスのみを簡単に選択できます。適切に Cylinder の設定を行えると、下図のように角度のついたRotating zone (回転領域)ができます:

rotating zone angle cad mode — 図8: CADモードは、**Rotating zone** (回転領域)を回転部品の角度に自動的に調整します。

Rotating zone (回転領域)のボリュームを作成したら、次は流体領域を作成します。この場合、 External flow volume 操作が最適です:

generating a flow region geometry with rotating zone — 図9: 非常に重要なステップは、**Rotating zone** (回転領域)を **Excluded parts** (*除外部品*)*として*割り当てることです。これにより、シミュレーション実行時の正しい動作が保証されます。

最後に、新しいジオメトリをワークベンチにエクスポートする前に流体領域と回転領域のボリューム以外のパーツをDelete Body 機能で削除する必要があります。この場合は、ソリッドパーツ(タワー、ナセル、ロータ)を削除します。:

deleting solid parts simulation with a rotating zone cad mode — 図10: Incompressible のような解析タイプの場合、実際にシミュレーションツリーで設定するジオメトリに必要なのは流体領域と**Rotating zone** (回転領域)のボリュームのみです。したがって、その他のソリッドパーツは削除する必要があります。

ソリッドパーツを削除すると、Rotating zone (回転領域)を含むシミュレーション用にCADモデルが正しく構築されます。

ご存知でしたか？

Rotating zone (回転領域)を含むシミュレーション用に正しく準備されたモデルは、流体領域には元のソリッドパーツをくり抜いた形になります。元のソリッドパーツ(ローターブレードなど)は、最終的なジオメトリ内には存在しないことを確認してください。

correct cad preparation rotating zone simscale — 図11: 1つの**Rotating zone** (回転領域)を含むシミュレーション用のCADモデルは、流体領域と**Rotating zone** (回転領域)ボリュームのみで構成される必要があります。

例 3: 遠心ポンプ

この例では、遠心ポンプのチュートリアルのジオメトリを使用します。元のポンプモデルには、ローターブレード、ハウジング、バックカバーが含まれます。水は前面の流入口からポンプに入り、上部の流出口から出ます。

prepare cad for simulating rotating zones simscale geometry before preparation — 図12: ウォーターポンプシミュレーションの初期形状(ローターブレード(1)、ハウジング(2)、バックカバー(3)を強調表示

モデルをSimScaleにインポートする前に、今回はCADツールで回転翼の周囲にRotating zone (回転領域)を作成します。ローターブレードのパーツがCADの原点を中心として作成されていると、次の手順がより簡単になります。

以下では、OnShapeという3D CADを例に手順を紹介いたします。他のCADソフトウェアでも該当する操作をしていただくことで、同様の設定を行えます。

最初の操作は、原点にある平面の1つを使用して Sketch を作成することです。ここでは、 Front 平面を使用します:

creating a sketch on onshape rotating zone — 図13: 操作を簡単にするために、ローターブレードのボリュームだけを表示することができます。

次に、スケッチツールを使ってRotating zone (回転領域)の輪郭を描きます。輪郭は、すべての方向でローターより少し大きくする必要があることに注意してください。経験則として、Rotating zone (回転領域)はすべての方向でブレードより\(0.05D\) だけ大きくすることが推奨されます。\(D\) はブレードの直径です。

sketch cad rotating part — 図14: スケッチしたプロファイルを回転させるので、ローターブレードの半分だけをスケッチに取り込む必要があります。

Sketchを作成したら、 Revolve 操作を使用してRotating zone (回転領域)ボリュームを作成する準備ができました:

revolve operation mrf rotating zone — 図15: **Revolve**操作では、軸を中心にプロファイルを回転させることができます。

Revolve 操作の作成
スケッチの面を回転させるプロファイルとして選択します。
回転軸は、点 (0, 0, 0) を通るスケッチのベースラインとなります。
この操作で New ボリュームを作成していることを確認します。

この時点で、ジオメトリはバックカバー、ハウジング、ローターブレード、Rotating zone (回転領域)の4つのパーツで構成されています。この形状をSimScaleにインポートして、さらにCADを準備することができます。すべてのCADインポートオプションについては、こちらのドキュメントページを参照してください。

Onshape以外のCADツールでも、同様にしてファンやタービンを囲むようなソリッドパーツを作成いただくと、回転領域としてお使いいただけます。

CADモード

ジオメトリはまだCFDシミュレーションを実行する準備ができていません。流体領域を作成し、領域のソリッド部分を削除する必要があります。

これらの操作はSimScaleの CADモードで実行できます:

cad mode environment simscale — 図16: SimScaleのCADモード環境への移行

CADモードでは、主に2つの目的があります:

Internal flow volume の作成
形状からすべてのソリッドパーツを削除します。

したがって、最初のステップは Internal flow volume 操作を選択し、以下の手順に従います:

internal flow volume extraction cad mode — 図17: **Rotating zone** (回転領域)を **Excluded parts** に選択することで、**Internal flow volume**抽出操作ではそのボリュームは無視されます。

Internal flow volume 抽出操作の作成
Seed face として、流体領域に接触する内部面を1つ割り当てます。
Boundary faces (境界面)で、開口部の周りの境界面を割り当てます。ジオメトリの境界面について不明な点がある場合は、必ずこの記事を参照してください。
Excluded parts で Rotating Zone (回転領域) ボリュームを割り当てます。これにより、回転領域を表すボリュームは無視して流体領域の抽出が行われます。
Apply を押して操作を実行します。

この時点で、右上のシーンツリーに Flow regionという ボリュームが1つ作成されます。これで、ジオメトリの不要な部分を削除する準備ができました。

delete body operation cad mode simscale — 図18: この操作で、ジオメトリに流体領域と**Rotating zone** (回転領域)のボリュームのみを維持します。

BODYの下の Delete 操作を選択します。
ローターブレード、ハウジング、バックカバーのボリュームを選択します。流体領域とRotating zone (回転領域)の2つのボリュームが選択されていないことに注意してください。
Apply をクリックします。

このモデルをワークベンチにエクスポートする前に、流入口と流出口の面を拡張することができます。これはポンプを用いたシミュレーションに適しています。

exporting a cad model from cad mode — 図 19: **Export** を押すと、CAD モードでのジオメトリの現在の状態が Workbench にエクスポートされます。

Move 操作を選択
流入面と流出面を選択します。
移動方法を Distance に設定し、適切な距離を指定します。
Apply をクリックして操作を実行します。
Export をクリックしてモデルをワークベンチにエクスポートします。

この形状は、SimScaleのRotating zone (回転領域)を使用したシミュレーションで正しく構築されます。

geometry ready for simulations with rotating zones water pump — 図20: 流体領域と**Rotating zone** (回転領域)を含むシミュレーション用に正しく構築された形状

例4: 風力タービンの羽根 (CADソフトを使う場合)

この外部流れ解析の例では、同じ風力タービンモデルを使用しますが、今回はRotating zone (回転領域)をOnshapeで構築します。

CADモデルを準備する最も簡単な方法は、Rotating zone (回転領域)を構築するために使用する円筒形をスケッチすることです:

wind turbine mrf creation — 図21: スケッチした円はブレードの直径よりわずかに大きいことに注意してください。

初期スケッチを作成した後、Rotating zone (回転領域)を新しいパーツとして押し出す準備ができました。このステップでは、Rotating zone (回転領域)が回転パーツを完全に包むことが重要です:

mrf creation external aerodynamics — 図22: **Rotating zone** (回転領域)のボリュームは常に **New** ボリュームとして作成することに注意してください。

この時点で、Rotating zone (回転領域)ボリュームの名前を適切に変更し、モデルをSimScaleにインポートする準備ができました。

CADモード

SimScaleで形状をシミュレーションに使用する前に、いくつかの操作を行う必要があります。この段階での目的は以下の通りです:

シミュレーション用の流体領域の生成
モデルから不要なソリッドパーツを削除すること

これらの操作は、 Geometries タブからアクセスできる CAD Mode 環境で実行できます:

accessing cad mode in simscale — 図23: CADモードにアクセスするには、図のハイライトされたアイコンをクリックします。

最初に、External flow volume を作成します。下の図はその手順を示しています:

flow volume creation in cad mode — 図 24: CAD モード環境での外部風洞の作成

External flow volume 操作を選択します。
ジオメトリと風向に従ってエンクロージャの寸法を定義します。
CADツールで作成した Rotating zone (回転領域) ボリュームを Excluded parts に選択します。これにより、Rotating zone (回転領域)がシミュレーション用に正しく構築されます。
Apply を押して操作を実行します。

この時点で、ジオメトリはシミュレーションを実行する準備がほぼ整いました。マルチリージョンメッシュのエラーを避けるために、ジオメトリからソリッドパーツを削除する必要があります。CADモードでは、以下のように進めます:

deleting parts rotating zone cad preparation — 図25: すべてのソリッドパーツをジオメトリから削除します。残すべきパーツは流体領域と回転領域だけです。

BODY の下の Delete 操作をピックします。
ローターブレード、ナセル、タワーを選択します。つのボリュームが未選択のままであることに注意してください。
Apply をクリックします。
Export をクリックして、新しい CAD バージョンをWorkbenchにエクスポートします。

これで、Rotating zone (回転領域)を含むシミュレーションを実行するために必要なボリュームが2つだけになったので、シミュレーションの作成に進むことができます。

アプローチ

例1: ドローンのプロペラ

例2: 風力タービンの羽根

例 3: 遠心ポンプ

CADモード

例4: 風力タービンの羽根 (CADソフトを使う場合)

CADモード

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