質問

CFDシミュレーションにおいて、壁の粗さをモデル化することはできますか？可能な場合、どのように行うのでしょうか？

回答

エンジニアリング用途で使用されるすべての材料の表面は粗いものです。粗さのレベルは、材料、機械的仕上げ、研磨などによって異なります。

wall roughness in cfd applications — 図1: パイプ壁の粗さの表現。出典: Ladouceur and Poladianより引用。

デフォルトでは、SimScaleは壁を滑らかであるとみなします。壁の粗さが重要であると考えられるアプリケーションでは、 OpenFOAM ®ベースのソルバーではCustom (カスタム)境界条件より、またMulti-purpose (多目的)ソルバーではBoudnary conditions (壁境界条件)により直接、粗さを考慮することができます。

modeling wall roughness in cfd simulations using custom boundary conditions — 図2: **OpenFOAM** ®ベースのソルバーでパイプ壁の壁面粗さのモデル化に使用される**Custom** (カスタム)境界条件

wall roughness assignment in subsonic solver — 図3: **Multi-purpose**ソルバーで**Surface roughness** (壁面粗さ)のモデル化に使用される**Wall** (壁)境界条件

Surface roughness (壁面粗さ)を有効にした後、ユーザーはRoughness height (粗さ高さ)と粗さ定数の 2つのパラメータを入力する必要があります。

Roughness height (砂粒径) (\(k_s\))

このパラメータは壁までの代表的な距離です。したがって、値が0の場合は滑らかな表面になります。砂目状の粗さを想定しています。

cfd modeling using walls with roughness height — 図4: 均一な場合の砂粒径。出典Hetsroni, et.

上に示したように、砂粒の粗さが均一な場合、k_s を求めるのは簡単です。不規則な粒径の場合、ユーザーは平均値に基づいて k_sを指定できます。

場合によっては、壁の粗さが非常に不規則で、砂粒のタイプに似ていないことがあります。このような場合、ユーザーは等価砂粒径を推定する必要があります。

測定された表面粗さと等価砂粒径の相関関係を調べた著者もいます(Adams and Watson, 2012)。壁の材質に基づいた推定値を見つけることも可能です。

注意

さまざまな標準工業材料の平均粗さ高さは、 The Engineering ToolBox のような多くのオンラインプラットフォームで見つけることができます。

Roughness constant (粗さ定数)

Roughness constant (粗さ定数)は、粗さの均一性を測定するパラメータです。入力範囲は0.5～1です:

0.5は壁面の粗さが均一であることを示します；
1は、間隔と高さの両方において、粗さが強く不均一であることを意味します。

注意

壁面粗さを有効にすると、壁面近傍の速度プロファイルに変化が生じます。SimScaleは、シミュレーションで使用される壁関数を変更することにより、これらの変化を考慮します。

このため、壁面粗度はk-epsilon、k-omega、k-omega SST乱流モデルでのみ使用できます。さらに、完全解像度の壁処理には対応していません。

参考文献

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Roughness height (砂粒径) (\(k_s\))

Roughness constant (粗さ定数)

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