セルゾーンの作り方

この記事の目的は、CADの準備段階でセルゾーンを作成し、メッシュ作成段階でセルゾーンを割り当てる方法を紹介することです。

セルゾーンとその必要性

CFDシミュレーションでは、ソリッドと流体の領域を小さなセルに離散化します。これをメッシングと呼びます。 セルゾーンとは 、CADモデルで作成する、セルがグループ化された3D領域のことです。したがって、この領域内のセルを選択することができます。 これにより、指定した領域にいくつかのプロパティを追加することができます。 セルゾーンアプローチを使って、領域内のセルを以下のように定義することができます:

• Power sources (熱源モデル)
• Momentum sources (動力源モデル)
• Porous media (多孔質媒体モデル)
• Rotating zone (回転領域モデル)
• Thermal resistance network (熱抵抗単一ネットワーク)

上記のような熱源や多孔質媒体の領域を定義するには、通常、SimScaleプラットフォームでジオメトリプリミティブを作成するだけです。しかし、 ジオメトリプリミティブには形状の制限があります。 Cartesian box (直方体)、Cylinder (円柱)、Sphere (球)の いずれかです。異なる形状の領域が必要な場合は、CAD上で作成する必要があります。

覚えておいてください！

ジオメトリプリミティブはRotating zone (回転領域)の定義には使用できません。

シミュレーションでRotating zone (回転領域)を使用する場合は、SimScaleプラットフォームにインポートする前に、ローカルのCADソフトウェアでRotating zone (回転領域)を作成し、SimScaleシミュレーションセットアップでセルゾーンとして定義してください。

 

例: 電子機器筐体

次のシナリオを考えてみましょう。電子機器筐体内のヒートシンクをモデル化します。筐体内には空隙があるため、流体は通過できます。ヒートシンクの機能は、熱を流体領域に効率的に伝達することです。

SimScaleのジオメトリプリミティブ機能を使用すると、ヒートシンクをCartesian box (直方体)として単純化できます。これは、ボックスがx、y、z軸に整列している場合にのみ可能です。

図1: SimScaleでジオメトリプリミティブのCatesian boxを使用すると、多孔質電源を定義できます。

ヒートシンクがx,y,z軸に整列していない2番目のシナリオを考えてみましょう。この場合、ローカルのCADソフトウェアでヒートシンクの周囲にパートボリュームを作成する必要があります。CADモデルをSimScale Workbenchにアップロードすると、これはセルゾーンとして扱われます。このパーツボリュームは、シーンツリーの下に個々のパーツとして表示されます。もちろん、部品名はCADソフトウェアで命名した通りになります。

図2: 直交座標で傾斜していない電源の例

セルゾーンを作成するためには、まず流体領域を作成する必要があります。CADツールの中には、流体領域の抽出機能がすでに備わっているものもあります。流体領域は、CADソフトウェアまたはSimScaleのCADモードで作成できます。

アプローチ1: CADツールで流体領域を作成します。

流体領域の準備ができたら、あとはセルゾーンを作成するだけです。この例では、チップ面に単純なボックスを作成します。このボックスは透過性の電源を表します。同じ方法を使って、 Momentum sources (運動量源)やPorous media (多孔質媒体)領域のセルゾーンを定義することもできます。

図3: この研究における流体ゾーンとセルゾーンは、それぞれ電子機器筐体内の空気と多孔質熱源を表しています。

先に述べたように、セルゾーンは流体領域内の領域を定義するための一部に過ぎません。つまり、作成したセルゾーン部分は流体領域と重なっていなければなりません。言い換えれば、流体領域からセルゾーンを引くべきではありません。次の図に、セルゾーンと流体領域の切断図を示します。セルゾーンと流体領域の干渉(重なり)は赤色でハイライトされています。セルゾーンを非表示にすると(右の図)、この領域は流体領域に隙間を生成しないことがわかります。

図4: セルゾーンはソリッドまたは流体部分と重なるようにします。

アプローチ2: SimScale CADモードで流体領域を作成します。

CADモデルでセルゾーンが既にモデル化されている場合、SimScaleで流体領域を作成することができます。まず、CADツールでセルゾーンを作成し、CADモデルをSimScaleのCADモードにインポートします:

図5: SimScaleのCADモードへのアクセス

この例では、電子機器筐体内の空気をモデル化するため、インターバル流量操作を選択する必要があります:

ご存知でしたか？

モデルに筐体(内部と外部を隔てるもの)がない場合は、External flow volume操作を使って流体領域を作成できます。

図6: Internal flow volume の作成

1. Internal flow volume 操作を行います。
2. Seed face (シード面)として 、流体領域内にあり、開口部の1つと接触している内部面の1つを割り当てます。
3. 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、この記事を参照してください。
4. Excluded parts (除外部品)タブでセルゾーン部品を割り当てます。
5. 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という名前のボリュームが作成されます。使用しようとしている解析タイプに応じて、以下のいずれかを行います:

• Conjugate Heat Transfer (共役熱伝達)解析を実行する場合は、ソリッドパーツを含む既存のジオメトリを使用できます。
• Incompressible (非圧縮性)、Compressible (圧縮性)、Convective Heat Transfer (対流熱伝達)解析を行う場合は、CAD モードの Delete 機能を使用してソリッドパーツを削除する必要があります:

図 7: CAD モードでの不要なコンポーネントの削除

1. BODYの下の Delete 操作をピックします。
2. すべてのソリッドパーツを選択します。流体領域とセルゾーンの2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。
3. Apply をクリックします。
4. 最終モデルには流体領域とセルゾーンのみが含まれるはずです。 Finishをクリックし、新しい CADバージョンを Workbench にエクスポートします。

ご存知でしたか？

Conjugate Heat Transfer (共役熱伝達)解析を除き、流体領域からすべてのソリッドパーツを削除する必要があります。セルゾーンを使用してシミュレーション用に正しく準備された CADモデルでは、流体領域にはソリッドパーツのマイナスが含まれます。

図8: Convective Heat Transfer (対流熱伝達)シミュレーションの最終モデルには流体部品とセルゾーンが含まれます。

Workbench でのセルゾーンの割り当て

セルゾーンの割り当てはメッシュタイプによって異なります。

1- Hex-dominant またはHex-dominant パラメトリックメッシュを使用している場合、Surface refinement を作成します。 セルゾーンオプションで With cell zone を選択します。

図9: Hex-dominantメッシャーでセルゾーンを定義するには、With cell zone オプションを選択したサーフェスリファインメントが必要です。

2- Standard メッシャー を用している場合、セルゾーンを定義するには2つの方法があります。

• Physics-based meshing(物理ベースメッシング)のトグルを有効にする。つまり、このオプションを使用すると、セルゾーンが自動的に特定されます。
• Physics-based meshing のトグルを無効にすると、Mesh機能の下にCell zones機能が表示されます。その場合、セルゾーンを手動で割り当てる必要があります:

図10: Physics-based meshing(物理ベースメッシング)が無効になっている場合、Standardメッシャーでのセルゾーンの定義にはセルゾーンの割り当てが必要です。

図11: Physics-based meshing(物理ベースメッシング)オプションなしのStandardメッシャーでのセルゾーンの割り当て。