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デジタルエンジニアリング演習 流体CAE演習(1) 2015925日(金) 担当: 長藤圭介,井ノ上泰輝 石川 明克,諸山 稔員

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デジタルエンジニアリング演習

流体CAE演習(1)

2015年9月25日(金)

担当: 長藤圭介,井ノ上泰輝石川明克,諸山稔員

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流れの数値シミュレーション

CFD = Computational Fluid Dynamics (数値流体力学)

http://jda.jaxa.jp/ http://ansys.jp/applications/industry/auto/index_a.html

0

1)( 2

v

Fvvvv

pt

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流れの数値シミュレーション

保原充,大宮司久明編,「数値流体力学: 基礎と応用」,東京大学出版会(1992)

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► 流体解析ソフトウェアのひとつ

► CADソフトSolidworksと統合

► 有限差分法ベース

► 様々な物理現象を取り扱う

ex) 乱流、熱伝導、非ニュートン性、亜音速・超音速、回転機械

Solidworks Flow Simulation

流体解析・熱伝導解析ソフトウェア

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► 適用例

航空機の翼周りの流れ、石油プラットフォーム、血流、半導体製造、クリーンルームの設計、排熱設計、排水処理プラントの設計

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練習問題

流体 空気密度 = 1.225 kg/m3

粘度 m = 1.7894 x 10-5 kg/m・s流速 U = 43.82 m/s翼型 NACA0012翼弦長 c = 2 m迎角 a

計算条件

c

aU

L

D

課題

① SolidWorksの操作方法を確認する

② 翼周りの流れの様子を可視化して確認する- 圧力分布はどのようになっているか?- 流線はどのようになっているか?圧力分布との関係は?- 境界層内の速度分布はどのようになっているか?

③ 揚力係数CL,抗力係数CDを求め,実験値と比較する- どの程度,実験を再現できるのか?合わない理由は何か?

流れのレイノルズ数を確認しておくこと

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計算系の概要

一様流

翼弦長 c

0

vv

Uuu

pp

20 c

翼型を傾ける

【迎角の取り扱い方】 計算領域をなるべく大きくとる(無限遠方を近似的に再現する)

壁面

0

0

v

u

迎角 α

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NACA0012翼型の風洞実験データ

1.6

1.4

1.2

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

CL

20151050

a [deg.]

Data from Ladson, NASA TM 4074, 1988Re = 6 x 106

M = 0.15

0.40

0.35

0.30

0.25

0.20

0.15

0.10

0.05

0.00

CD

20151050

a [deg.]

0.020

0.018

0.016

0.014

0.012

0.010

0.008

0.006

CD

20151050

a [deg.]

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参考

揚力係数AU

LCL

2

2

1

L 揚力

D 抗力

流体の密度

m 流体の粘度

U 主流の流速

p∞ 主流の圧力

p 圧力(任意の地点)

A 翼面積

c 代表長さ(翼弦長)

抗力係数AU

DCD

2

2

1

レイノルズ数m

UcRe

圧力係数2

2

1U

ppCp

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解析手順

形状の作成

計算条件の設定

解析の実行

解析結果の検討

今回の演習では一般的な翼型を基に作成する。

9

• 境界条件• 物性値• 収束条件

:

:

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下準備1.席が決まったら、Windowsを起動し、ログインする。

2.以下のフォルダが存在する場合には、中身を全部削除しておく。(以降の作業でトラブルの原因になるので)

C:¥SolidWorks

3.以下のフォルダを作成する。C:¥SolidWorks¥step1¥arg10

→仰角を変えた場合は、別フォルダを作ること。(arg20など)

4.次に下記のHP,スケジュール表内よりnaca0012.txtをダウンロードし、さきほど作成した C:¥SolidWorks¥step1 に置く。

http://www.fml.t.u-tokyo.ac.jp/lecture_4.html

本ウェブページから資料やファイルを随時ダウンロードするので、ブラウザのお気に入りにリンクしておくとよい。

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Solid Works の立ち上げ

スタートすべてのプログラム SolidWorks SolidWorks 2013 x64 Edition

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①ファイル 新規

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Solid Works の立ち上げ

③「部品」が選択されていること確認 OK

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②単位系を MKS(m, kg, 秒)に設定 OK

この画面が出てこない場合はそのまま次へ.

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Solid Works の立ち上げ13

画面右下の表示を確認,MKSとなっていなければクリックしてMKSに修正

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翼の座標点の読み込み

フィーチャータブ カーブ 座標点カーブ

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翼の座標点の読み込み

カーブファイル 参照 NACA0012.txt 開く

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物体の作成16

①正面 ②スケッチ ③エンティティ変換

④カーブを選択 ⑤OK ⑥スケッチ終了

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物体の作成17

①フィーチャータブ 押し出し ②中間平面 ③厚さ 0.5m ④OK①

注意!!

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操作法1:表示方向の変更方法

スクロールボタンでドラッグ

画面上の ボタンより変更

スペースキーを押す(英字入力に限る)

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等角投影

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操作法2:拡大・縮小・移動

モデルを画面にフィット(画面全体表示)

一部の拡大縮小(ドラッグで指定)

スクロールで画面の拡大縮小も可

Ctrlキーを押しながらドラッグでモデルを移動

照明→アンビエント→右クリックで「照明編集」を選択→アンビエントの数値を1に変更 でコンターを明るくできます

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カーブの非表示20

カーブを右クリック眼鏡マークをクリック カーブ非表示

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物体の回転の準備21

①カスタマイズ

(フィーチャータブに ボディの移動/コピー があれば飛ばす)

②ショートカットバー

③ツールバーでフィーチャーを選択

④ボディの移動/コピーをドラッグ&ドロップ (次ページ参照)

⑤OK

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物体の回転の準備22

(フィーチャータブに ボディの移動/コピー があれば飛ばす)

ボディの移動/コピー をドラッグ&ドロップ

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物体の回転23

①ボディの移動/コピー

②移動するボディ

③作成した翼を選択

④合致設定タブが出ている場合,スクロールダウンして移動/回転 をクリック

②ここをクリック③ 物体をクリック

スクロールして移動/回転

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物体の回転24

①回転タブ

②Z軸回転に[ -10.00 deg ]を入力

④OK

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保存25

物体が目的の迎角に回転されたことを確認し,保存する※ 下図はカーブを再表示・正面方向表示しています

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シミュレーションの準備

アドイン

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既にFlow Simulationのタブがあればとばす

SolidWorks Flow Simulation 2013 のアクティブアドイン,スタートアップにチェックを入れる

→OK

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シミュレーションの開始

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① Flow Simulation タブを選択②ウィザードをクリック

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ウィザードを用いた設定

プロジェクト名を適当につけ,次へ

単位系 SI(m,kg,s)を選択し,次へ

迎角10

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ウィザードを用いた設定

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解析タイプ外部流れを選択次へ

デフォルト流体気体→空気→追加流れタイプ→乱流のみ に変更次へ

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ウィザードを用いた設定

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壁面条件

特に変更せず,次へ

初期及び環境条件X方向の速度に [ 43.82 ]

と入力し, 次へ

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ウィザードを用いた設定

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結果と形状レゾリューション

結果レゾリューション のスライドバーを 6 に移動し, 終了

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計算領域の設定

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プロジェクト→ 計算領域→ 定義編集

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計算領域の設定

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タイプ → 2Dシミュレーション → XY平面寸法と条件 x: -20 ~ 20 m,y: -20 ~ 20 m, z: -0.005 ~ 0.005 m

この厚みが,翼面積に影響します

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出力と収束条件の設定

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②静圧・速度(X, Y)の平均値にチェック③OK

①ゴール → グローバルゴールの挿入

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出力と収束条件の設定

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②面選択画面のハイライト確認③サーフェス選択④力(X, Y)の平均値にチェック⑤OK

③ 側面をクリック

①ゴール → サーフェスゴールの挿入

② ハイライト 確認

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出力と収束条件の設定

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②SG力(Y)をダブルクリック → 式(E)に表示される③揚力係数を求める式を入力④「単位なし」を選択,OK

⑤名前を「揚力係数」に変更⑥同様に抗力係数も設定 ③ 揚力係数の式を入力

スライド5, 8 を参照

①ゴール → 方程式ゴールの挿入

① ④②

⑤「揚力係数」に変更

面積Aは,翼弦長×解析域の奥行き

0.01)

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計算終了条件の設定

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②条件設定の終了[すべてを満足した場合]

に変更

③揚力係数・抗力係数のゴールの基準

①計算コントロールオプション

下のウィンドウ出現

• 「自動」から「手動」に変更• 適切な値を入力(例: 1e-5)③

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解析実行

実行新規計算 → 実行

解析の注意点

• 揚力係数CL,抗力係数CDの値が収束しているか?

• 流れ場を可視化してみて,妥当な結果になっているか?

を確認し,反復計算が足りない場合には,さらに追加で計算させる.また,計算が十分に収束したのであれば,途中で計算を中断しても良い.

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解析画面の見方ゴールのグラフ表示

コンター表示

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解析実行で下画面がポップアップ

解析途中の値をモニターすることが出来る

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解析画面の見方ゴールのグラフ表示

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コンター表示

解析途中の値をモニターすることが出来る

揚力・抗力係数にチェック

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異なる角度を解析する際の注意!!!

計算を始める前に,新しいフォルダを作成し,新しいフォルダに名前をつけて保存する.

名前だけを変えた場合は,結果が上書きされてしまうので注意.

計算を実行する時点で上書きが始まるので,「計算をする前に」新しいものを保存すること

コンフィギュレーションを用いると,より便利に条件の異なる解析が出来る.知りたい人はチュートリアル,テクニカルレファレンスなど参照のこと.

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迎角 a 揚力係数 CL

計算値 実験値

抗力係数 CD

計算値 実験値

10°

• 迎角を3通り変化させて計算を行い、TAに計算結果(揚力係数CL,抗力係数CD)を確認してもらう。

• それぞれの迎角について、流れ場の可視化結果のスクリーンショットを保存しておくこと。TAにスクリーンショットを見せて、流れ場がどのようになっているか説明する。

本日の課題

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レポート課題流体 空気

密度 = 1.225 kg/m3

粘度 m = 1.7894 x 10-5 kg/m・s流速 U = 43.82 m/s翼型 NACA0012翼弦長 c = 2 m迎角 a = 0~20°

計算条件

c

aU

L

D

迎角を大きくしていくと、ある角度で急激に揚力が減少し、抗力が増加する。この現象を失速という。

• 各自、仰角を3種類計算し、レポートにする。それ以上プロットして考察する場合は、同じチームでデータを共有しても良い。

• 失速する前と、失速した後の流れを計算し、エクセル上で、翼表面における圧力/せん断応力を,揚力/抗力成分に分解して考察せよ。

• (エクセル上で、それらを周積分し、Fx, FyがSWのそれと合致しているかを確認。)

• これらの分布から、失速により揚力が減少し、抗力が増加する理由を説明せよ(次のページのヒントを参照)

課題

提出期限: 10月 2日(金) 提出先: 機械系事務室のレポート回収BOX 43

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圧力・せん断力分布と物体に働く力の関係

dxdypdsdspF wwx cossin

dydxpdsdspF wwy sincos

Fy

Fx

ds

p

w

ds

F

U

a

=L

=Dせん断力

圧力

迎角

主流

揚力

抗力

※翼表面に沿って反時計周りに積分

x

y

44

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計算終了後:計算結果のロード45

自動で結果がロードされる

自動で結果がロードされない場合,又は過去の計算結果が見たい場合,ロード/アンロード ボタン をクリック

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計算結果の可視化:圧力コンター46

①断面プロット 挿入

② コンタークリック

③ タブから相対圧力を選択

④ OK

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計算結果の可視化:圧力コンター47

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計算結果の可視化:流速ベクトル48

①断面プロット 定義編集(又は新たに挿入)

② コンターとベクトルをクリック

③ タブから速度を選択

④ OK

矢印の間隔・サイズを指定

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計算結果の可視化:流速ベクトル

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スケールバーの左側にマウスを持っていくと,バーのドラッグで色分割数を変えられる

矢印の間隔・サイズは断面プロットの定義編集より変更できる

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計算結果の可視化:XYプロット50

ライン上のプロットのために,スケッチ挿入

①Feature Manager クリック

②正面を右クリック

③スケッチをクリック

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計算結果の可視化:XYプロット51

①エッジを選択

②エンティティ変換

③スケッチ終了

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計算結果の可視化:XYプロット52

①断面プロット 非表示

②XYプロット 挿入

④せん断応力・相対圧力を選択

③作成したスケッチを選択

⑤表示

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計算結果の可視化:XYプロット53

① 追加のパラメータ② モデル形状,X,Yにチェック③ X,Y にチェックを入れる

④ 解像度タブ,均等に分布した出力ポイントをクリック,500を入力⑤ Excelにエクスポート

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計算結果の可視化:XYプロット54

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表示の場合

Excelエクスポートの場合

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計算結果の可視化:流跡線の表示

流跡線の表示のため,スケッチを作成

①Feature Manager クリック

②正面を右クリック

③スケッチをクリック

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計算結果の可視化:流跡線の表示

流れの少し上流に直線を描画,OK,スケッチ終了

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57

計算結果の可視化:流跡線の表示

① 流跡線の挿入② 作成したスケッチを選択③ OK

流跡線の本数を指定

ラインの種類の変更

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計算結果の可視化:流跡線の表示

描いた線分を通る流跡線の表示流跡線の定義編集で本数・太さ・色などを調整,また線分スケッチの編集などを用いて見やすいよう工夫する.