Multiphase, Multi-purposeソルバーでVOF (二相流) のシミュレーションをするには？

Multiphase (混相流)、Multi-purpose (多目的) シミュレーションで、二相流の設定をする方法を教えてください。また、初期条件やポスト処理はどのように設定すればよいのでしょうか？

この記事では、これらのクエリのワークフローについて詳しく説明します。

Material (材料)の定義

Multiphase (混相流)解析は、他の解析タイプとは異なり、セットアップで2つの流体材料を定義する必要があります。プロセスは簡単で、ユーザーは2つの流体材料を作成し、それらを同じボリュームに割り当てます。水と空気の両方が存在する滝の混相流プロジェクトの例を見てみましょう:

図1: この混相流プロジェクトでは、水は上部の境界からドメインに入り(1)、黄色の破線の下には水のプールが初期化されています(2)

そこで、まず空気を計算領域に割り当てます:

図2: Multiphase (混相流)解析では、常に流動領域全体を材料に割り当てます。

1. Materialsの右にある +ボタン をクリックし、プロジェクトの新しい材料を選択します。
2. 流体領域の体積を空気に割り当てます。

同じプロセスで、流体領域に2つ目の材料を定義します:

図3: Multiphase (混相流)シミュレーションでは、同じ流体領域に2つの材料が割り当てられます。

Multiphase (混相流)プロジェクトでは、流体領域は常に2つの材料割り当てを持つ必要があります。

図2と3では、それぞれの材料が異なる相を表していることに注目してください: 0は空気、1は水です。これらの値は領域の初期化と境界条件の設定に重要です。

Initial conditions の設定

計算領域を特定の材料で初期化するには、 Initial conditions (初期条件)の Phase fraction (相の割合)に移動してください。ここでユーザーは、流体領域のどの領域を Phase 0と Phase 1で初期化するかを定義する必要があります。この例では、0は空気、1は水を表します。

Multiphaseソルバーの場合、グローバルドメインのPhase fractionを0または1で設定します。一方、Multi-puropseソルバーの場合、グローバルドメインは常に0です。

図 4: Phase fraction (相の割合)は、グローバルまたはサブドメインを介して行うことができます。この設定では、Phase 0(空気)でドメインをグローバルに初期化しています。

グローバルドメイン (流体領域全体)では、領域全体がひとつの相となります。また、グローバルドメインと重複するサブドメインを作成し、個別に相の割合を指定して上書きするオプションもあります。図1を念頭に置いて、ドメインをグローバルに空気(0)で初期化し、サブドメインを使用して小さな水のプール(1)として初期化することができます。

サブドメインの初期化には、ボリュームまたはジオメトリプリミティブを割り当てることができます。ここでは、ジオメトリプリミティブを選択します:

図5: サブドメインの設定は常にグローバル初期化を上書きします。この設定で、水のプールをCartesian box (直方体)で初期化します。

結論として、適切な寸法のジオメトリプリミティブを作成することで、目的の相の割合でドメインを初期化することができます。

ご存知でしたか？

相を0または1で指定することはBoudanry conditions (境界条件)の設定にも役立ちます。0または1を使用することで、境界を流れる相をアルゴリズムに伝えることができます:

図6: この構成では、Velocity inletとして Phase 1 (=水)が設定されます。

このとき、常に 0 または 1 を使用し、0.5 のような小数は使用しないでください。

 

ポスト処理

ポスト処理では、Phase fraction (相の割合) を閾値としてIso Volumeで可視化します。これにより界面を捉えた表示をすることができます。Iso Volumeの設定については、こちらをご覧ください。

今回、Phase 1は水であるため、Iso scalarをPhase Fraction 1にすることで、水を可視化できます。Iso value rangeでは、表示する閾値を設定します。例えば、Phase Fraction 1 のFraction valueが0.4の場合、そのセル内を占める体積で水が40%、空気が60%であることを示します。

図7: Iso volumeの設定画面。

その結果、下のアニメーションのように、滝の流れを可視化することができました:

アニメーション1: Iso volumeによる滝のシミュレーション結果。最初に下方で溜まっている水たまりは初期条件による指定です。