Multi-purposeソルバーでの効果的なメッシュの設定方法

この記事では、SimScaleの Multi-purpose (多目的)ソルバーを使用してCFDシミュレーションを行う際の注意点について説明します。Multi-purpose解析タイプで適用されるメッシュ生成アルゴリズムの作業についても 説明していますので、ぜひご覧ください。

Multi-purposeソルバーでは、直交性が高く、ソリッド境界に適応的に適合する直交セルを生成するバイナリーツリーメッシャーを採用しています。メッシングアルゴリズムは自動化されており、トップダウンアプローチに従っています。バウンディングボックス(流れ領域の寸法を包含する仮想ボックス)は、第1層(x方向)、第2層(y方向)、第3層(z方向)のセルを切断することにより、異方的に微細化されます。

SimScale UIには、使いやすさを考慮し、AutomaticメッシャーとManualメッシャーの2つのメッシュ作成オプションがあります。内部および外部流れ解析の大部分では、自動メッシャーが非常に有効で、ユーザーはFineness (細分化)レベルを設定するだけです。複雑なCADジオメトリの場合、またはAutomaticメッシャーで望ましいメッシュが得られない場合、ユーザーは3つの簡単なパラメータによってメッシュをより細かく制御できるManualメッシャーに切り替える必要があります。これらの方法と使用すべきシナリオを以下に説明します。

Automaticメッシャー

Automaticメッシャーでは、シンプルなスライダーを使ってドメイン全体をメッシュ化することができます。裏側では、Automaticメッシャーの各レベルは3つのパラメータ、すなわち最大セルサイズ、最小セルサイズ 、 面上のセルサイズ に対応しています。スライダーを動かすだけで、ユーザーは自動的に正しいメッシュパラメータを設定するメッシュ設定に到達することができます。

図1: Multi-purpose直交メッシュの自動メッシュ設定

Automaticメッシャーのベストプラクティス

新しい問題に対しては、以下のワークフローをお勧めします:

• 最も低いFinenessレベル、すなわち1から始めます。実行可能なメッシュを生成できた場合、メッシュをさらに細分化する前に、メッシュの細かさと品質を検査してください。
• また、Region refinementを追加して、ドメインの特定の領域を細分化することもできます。これは ジオメトリプリミティブ を使用して行います。
• Finenessレベル1が機能しなかったり、メッシュが非常に粗い場合は、Finenessレベルを10まで上げることができます。
• ベストプラクティスでは、まず、Finenessレベルを4または5まで上げて、解析を実行可能なメッシュを生成することを試みます。5より高いレベルは、すでに生成された実行可能なメッシュについてメッシュの細分化が十分か調査（メッシュ感度調査とも呼ばれます）を行うのに便利です。Automaticメッシュ生成のレベルは相対的なものであるため、Finenessレベルを大きくしすぎると、メッシュセル数が指数関数的に増加し、シミュレーションサイズが爆発的に大きくなる可能性があることに注意してください。このような高精細化が必要かどうかは主観的でケースに依存します。しかし、メッシュ感度調査を行う際には、総メッシュ数を意識する価値があります。
• Mesh could not resolve small features などのエラーが発生したり、作成されたセル分布が不十分であると感じられた場合、以下の2つの方法をお試しください。
  • 不要なフィーチャーを取り除くためのCADのクリーンアップ
  • Manualメッシャー

Manualメッシャー

Manualメッシャーにアクセスするには、 Mesh settingsの入力をAutomatic → Manualに変更してください。Manualメッシャーでは、以下のメッシュパラメータを明示的に設定することができます:

• Maximum cell size (最大セルサイズ)
• Minimum cell size (最小セルサイズ)
• Cell size on surfaces (サーフェス上のセルサイズ)

UIには、各パラメータにマウスオーバーするとの許容範囲を示すヘルプテキストがポップアップで現れます。以下では、Manualメッシャーを利用し、反復するためのベストプラクティスについて説明します。

Manualメッシャーのベストプラクティス

• 内部流れおよびほとんどの外部流れの問題では、 Cell size specificationをRelative to CADとしておくことをお勧めします。これはデフォルトのオプションで、すべてのCADサーフェスの最大寸法に対して相対的にメッシュを生成します。このオプションがオンの場合、すべてのメッシュパラメータは特定のCADジオメトリに対して相対的であるため無次元となります。

図2: Multi-purpose直交メッシュのManualメッシュ設定

• Minimum cell size:
  • これはメッシュセルの最小サイズのグローバル設定であり、シミュレーションに存在するCADジオメトリの対角線に対する相対サイズです。
  • ほとんどの場合、デフォルト値の7E-04で問題なく動作しますので、変更する必要はありません。
• Maximum cell size:
  • 領域全体の最大セルサイズを制御するグローバルメッシュの設定です。シミュレーションに存在するすべてのCADジオメトリの対角線に対する相対値です。
  • 最初のメッシュでは、Maximum cell sizeをできるだけ粗くしてください。デフォルト値の0.02からメッシュを生成するのがよい方法です。
• Cell size on surfaces:
  • このパラメータはCADサーフェス上のメッシュ分布を制御します。定義上、対角線に対する相対値です。
  • サーフェス上のセルサイズは常にMaximum cell sizeの2分の1(一般的な使用法)または4分の1(より複雑な境界の場合、例えばターボ機械のブレードなど)に等しくなります。デフォルトの設定はこの経験則に従って決定されています。
• メッシュの細分化
  • 上述したように、まずはすべてのManualメッシャーパラメータはデフォルト値でメッシュの検討を開始することをお勧めします。しかし、これでは目的のフィーチャー全体にわたって望ましい細かさが得られない場合、または小さなフィーチャーを表現できていない場合は、 Minimum cell sizeはそのままに、 Maximum cell sizeとCell size on surfacesの両方を2で割るのが良い方法です。
  • Minimum cell sizeについては 、デフォルト値の0.0007のままにしておくとよいでしょう。このパラメータは、小さなフィーチャ全体で望ましい精度が得られない場合にのみ微調整します。このような場合は、CADモデルを目視で確認し、より細かい解像度が必要なフィーチャー(隙間、通路、溝、刃先など)のサイズを確認して決定します。 具体的には、Minimum cell sizeを、対象フィーチャー全体で少なくとも3～4セルが作成されるように設定します。このパラメータを非常に小さな値にしてしまうと、メッシュサイズが大きくなりすぎる可能性があるため、このパラメータを絞り込む際には注意が必要です。

CADモデルの要件

一般的なCADの不具合を解決することに加え、以下のことをお勧めします:

• CADサーフェス上でサーフェスファセットの数を少なくしてください。
• CADサーフェス上にある薄くて細長い面は、歪度が大きくなりすぎないように調整してファセットに分割する必要があります。