この記事では、非定常 Convective Heat Transfer (対流熱伝達)シミュレーションに関するヒントとコツを説明します。

Convective Heat Transfer (対流熱伝達)解析タイプの詳細については、ドキュメントページをご覧ください。また、以下の対流熱伝達のチュートリアルもご覧ください:

this picture shows the temperature distribution on a pcb — 図1: プリント基板(PCB)上の温度分布。

解答

1. CADのクリーンアップ

以下の点が重要です:

まず、シートや面要素は避けてください。CADモデルはソリッドパーツのみで構成してください。
次に、ソリッドの重なりは避けてください(セルゾーンを表す場合を除く)。
最後に、CADの欠陥を避けることです。この記事では、不具合の見つけ方について説明します。
必要な部品のみをモデル化します。言い換えれば、余分な、あるいは不必要なフィーチャー/コンポーネントを取り除くということです。(小さなナット、ボルト、ピンなど)。
残っている穴や隙間を埋めてください。

その細部の形状は結果に影響を与えるかの観点で、CADモデルをできるだけシンプルにすることを心掛けて下さい。

this picture shows how to identify the unnecessary details on a pcb and clean them to make it suitable for transient convective heat transfer simulation — 図2: PCBの一般的なCADクリーンアップ

最後に、最小サイズを選択し、小さなエッジをこの特定のサイズに調整します。標準的な最小厚みを持つことは、後のメッシュ作成段階で役立ちます。

this picture shows what are the small details on a cad model — 図3: 最小エッジサイズを定義し、この許容差以下の細部をクリーニングします。

2. CAD の準備

対流熱伝導解析では流体のみを調べます。流体領域を作成し、ソリッドパーツを取り除く必要があります。電子機器はケーシングで設計されることがよくあります。どのような解析を行う場合でも、以下のことを行ってください:

流体領域の抽出

強制対流が起こる場合は、流入口と流出口を押し出します(通常は流路の水力直径の3〜5倍)。これは必須ではありませんが、ソルバーの安定性のために強く推奨されます。

this picture shows that we need a fluid domain and we need to extrude inlet and outlets — 図4: 流体領域の作成

また、CADの準備に関する詳細情報が必要な場合は、こちらのページをご覧ください。

3. シミュレーションのセットアップ

非定常シミュレーションは計算コストがかかります。まず、定常ではなく非定常の解析が必要かを考慮してください。例として、システムが安定した状態で到達する最高温度または最低温度を見たい場合は、Steady-state (定常状態)を選択します。特定の時間制限内の状態を正確に見る必要がある場合は、Transient (非定常)を選択します。
到達したい複雑さに応じて、圧縮性や放射効果も含めることができます。これらの詳細は、シミュレーション時間とコストを増加させます。

thus picture shows how to set transient time dependency on a turbulent convective heat transfer analysis type — 図 5: 非定常**Convective Heat Transfer** (対流熱伝達)解析のシミュレーションセットアップ

4. モデル

重力はグローバル座標系に対して定義する必要があります。

the picture shows how to define the gravity with respect to global coordinate system — 図6: 重力の定義

5. Material (材料)の割り当て

シミュレーション設定の圧縮性の割り当て有無により、設定する物性値は異なります。一般的な材料にはSimScaleのデフォルトライブラリを使用できます。その他の材料については、自身で物性値を定義することができます。

熱特性の詳細な設定については、こちらのページをご覧ください。さらに、カスタム材料の作成方法については、こちらのページをご覧ください。

6. Initial conditions (初期条件)

流体領域の初期温度を定義します。明確にするために、 Temperature (温度)セクションは流体領域全体に温度値を割り当てる簡単な方法です。さらに、特定の領域の初期温度を定義するために Subdomain (サブドメイン)を作成することもできます。

this picture shows how to define the initial temperature value of the fluid domain — 図7: 流体領域の初期温度の定義

7. Boundary conditions (境界条件)

このページでは、伝熱解析で使用可能な境界条件を見つけることができます。この記事では、非定常伝熱解析でよく使用されるBoundary conditions (境界条件)について学びます。

7.1 Natural convection inlet-outlet (自然対流境界)

その面で自然体流による流出入どちらも発生することが想定される場合、Natural convection inlet-outlet (自然対流境界) を使用します。

7.2 Cutom - Fan (ファン境界条件)

Custom (カスタム)境界条件を使用して、流入口または流出口ファンを割り当てることができます。ファン曲線を割り当てる方法については、強制対流のチュートリアルを参照してください。

7.3 Wall (壁境界条件)

Wall (壁)境界条件を使用して、コンポーネント表面からの放熱を定義できます。

this picture shows how to set wall boundary condition to define the heat sources — 図8: サーフェス要素に熱源を追加

ケーシング内の熱伝導率も重要なパラメータである場合、壁境界条件を使用して対流熱伝達効果とケーシング材料の厚さを割り当てることができます。熱伝導壁条件については、こちらの記事をご覧ください。さらに、経験的近似を使用するか、このウェブサイトを参照して、対流熱伝達率を近似することができます。

this picture shows how to assign convective heat transfer coefficient together with conductive wall thickness — 図8: **Heat transfer coefficient** (対流熱伝達率)を**Layer thickness** (伝導膜厚)と共に追加。

7.4 Power sources (熱源)

この境界条件を用いて体積発熱を定義することができます。非定常解析では、発熱を時間依存として定義することができます。テーブルの割り当ては、非定常熱伝導の記事で説明した通りです。

this picture shows how to create a a volumetric heat source — 図9: 体積熱源の割り当て。

8. Simulation control

時間制御の設定は非定常対流熱伝達シミュレーションにおいて非常に重要です。以下の手順に従ってください:

シミュレーションのEnd time (終了時間)を設定します。
安定性のため、シミュレーションは非常に小さな時間ステップで開始します。
Adjustable time step (時間ステップの調整)オプションをオンにしておいてください。これにより、時間ステップの長さがクーラン数に応じて自動的に調整されます。
Maximum courant number (最大クーラン数)を設定します。安定性と精度を考慮し、1以下にすることを推奨します。しかし、クーラン数が小さいと、時間ステップが非常に小さくなる可能性があります。スピードが重要であれば、クーラン数を非常に大きな値にすることもできますが、これは安定性と精度をあきらめることを意味することに留意してください。クーラン数とシミュレーション時間への影響については、こちらの記事を参照してください。
Maximal step (最大ステップ)を定義することにより、最大時間ステップを制限します。
最適な Write control (書込み制御)選択してください。このオプションは、結果を保存する頻度を定義します。この数値が小さいほど、中間結果が多くなり、ポストプロセッサのパフォーマンスが低下します。
Maximum run time (最大実行時間)を定義します。このオプションで、実時間でシミュレーションを実行する最大時間を制限できます。

以下の設定では、最初の5秒間の熱応答をシミュレーションしています。シミュレーション結果は0.1秒ごとに保存されました。Maximum run time (最大実行時間)1000sは、2時間半以上かかるとシミュレーションを停止します。

this picture shows the simulation controls, where the user can define simulation time, time step length, and results saving interval in transient convective heat transfer analysis — 図10: **Simulation control**の設定画面

9. Result control

定量データを時間軸で追跡し、.csvファイルとしてダウンロードすることができます。下のグラフは、時間に対する非定常対流熱伝達シミュレーションの出口温度を示しています。

this picture shows that you can add result control items and track the transient response during the convective heat transfer simulation — 図 11: 時間依存の結果を追跡するための結果制御項目の追加

10. Mesh (メッシュ作成)

メッシュ分割は非定常シミュレーションにおいて最も重要な部分です。クーラン数は流体速度とセルサイズに相関します。最小のセルサイズがシミュレーションの時間ステップを決定する可能性が高いです。したがって、セルサイズはできるだけ粗くする必要があります。

ほとんどのアプリケーションではStandardメッシャーを使用することをお勧めしますが、ここでは最適な選択ではありません。StandardメッシャーはCADの詳細をキャプチャするために細かいセルを生成します。最小のセルサイズをコントロールすることはできません。同様に、Hex-dominantメッシャはフィーチャーを適切にキャプチャするために細かいセルを生成します。したがって、Automatic (自動)は推奨されません。

this picture compares how automatic meshing algorithms generate small elements to capture models every detail, which is not ideal to be used in transient convective heat transfer analysis — 図12: **Standard**メッシャーも**Hex-dominant**メッシャーも、非常に細かいセルを自動的に生成します。

この場合に最適なメッシングアルゴリズムは、Hex-dominant parametricです。このメッシャーを使用すると、ユーザーはメッシュのサイジングを完全にコントロールすることができます。Hex-dominant parametricメッシャーの使い方はこちらの記事をご覧ください。以下のことを行ってください

最小セルをできるだけ大きくします。
レイヤー細分化は使用しないでください。
メッシュを均一に保ちます。言い換えれば、細分化しすぎないようにします。

図に示す以下のワークフローは、このメッシュの設定方法の例です。

this picture shows how to choose hex-dominant parametric mesher and assign coordinates to the Background mesh box — 図13: **Hex-dominant parametric**メッシュタイプの選択と**Background mesh box**座標の定義。

the picture shows how to define and setup the bounding box resolution coordinates and how to define a surface refinement — 図14: **Bounding box**の解像度の定義と**Surface refinement**の適用。

均一なHex-dominant parametricメッシュの結果は以下のようになります:

this picture shows a uniform hex-dominant parametric mesh, which is suitable for transient convective heat transfer analysis — 図15: 適切なインフレーション層の割り当てを行った非常に粗いメッシュ。

まとめ: 非定常Convective Heat Transfer (対流熱伝達)シミュレーションのベストプラクティス

Hex-dominant parametricメッシュアルゴリズムを使用します。
Standardメッシュアルゴリズムにこだわりたい場合は、SizingはManualで設定してください。次に、最小厚さをゼロとして割り当てます。最後に、Local element refinement (局所細分化)を使用してセルサイズを制御します。
最小のセルサイズがシミュレーション速度を決定する可能性が高いので、できるだけ粗くします。
精度を重視する場合は、クーラン数を0.5とします。
速度を重視する場合は、非常に大きな(100までの)クーラン数を使用します。

this picture shows the temperature distribution on the surfaces of the PCB and velocity cutting planes through the flow domain inside the casing — 図16: PCB上の表面温度コンターと流れ領域を通る速度切断面。

解答