OpenFOAMの熱流体固体連成のチュートリアル（snappyMultiRegionHeater）

kamakiri 2024年2月23日

設定のまとめ
計算実行
結果の確認
まとめ
chtMultiRegionFoamの勉強のきっかけ
1. ※追記:適当な条件で試しました。
おすすめ参考図書

設定のまとめ

要するにchtMultiRegionFoamでは各領域の境界条件もフォルダ分けして行う必要があるということです。

blockMesh：ベースメッシュの作成
surfaceFeatureExtract：特徴線の抽出
snappyHexMesh：stlに沿ったメッシュ作成、cellZoneの作成
cp -r 0.orig 0：0.origフォルダをコピー
splitMeshRegions：snappyHexMeshで作成したcellZoneを使って領域分割
changeDictionary：境界条件の変更

ここまでまとめてきて、これを手作業で行うのは至難の業ですね。
なので、オリジナルの解析を行う際はスクリプトを使うことは必須になります。

計算実行

設定の確認ができたので計算を実行します。
system/controlDictは以下のようになっています。

system/controlDict

application     chtMultiRegionFoam;

startFrom       latestTime;

startTime       0.001;

stopAt          endTime;

endTime         100;

deltaT          0.001;

writeControl    adjustable;

writeInterval   10;

purgeWrite      0;

writeFormat     ascii;

writePrecision  8;

writeCompression off;

timeFormat      general;

timePrecision   6;

runTimeModifiable yes;

maxCo           0.6;

// Maximum diffusion number
maxDi           10.0;

adjustTimeStep  yes;

functions
{
    #include "vtkWrite"
}

application chtMultiRegionFoam;

startFrom latestTime;

startTime 0.001;

stopAt endTime;

endTime 100;

deltaT 0.001;

writeControl adjustable;

writeInterval 10;

purgeWrite 0;

writeFormat ascii;

writePrecision 8;

writeCompression off;

timeFormat general;

timePrecision 6;

runTimeModifiable yes;

maxCo 0.6;

// Maximum diffusion number

maxDi 10.0;

adjustTimeStep yes;

functions

{

#include "vtkWrite"

}

function Objectsで「#include “vtkWrite”」として、「system/vtkWrite」ファイルを読み込んでいます。

今回のチュートリアルにはこちらの記述が無いので追加しておきます。

各領域のvtkファイルを作成してくれているのでParaViewで結果を確認するときは便利です。

system/vtkWrite

vtkWrite
{
    type    vtkWrite;
    libs    (utilityFunctionObjects);
    log     true;

    writeControl    writeTime;
    writeInterval   1;

    regions (".*");

    internal    true;

    boundary    true;

    single      false;

    interpolate true;

    // Fields to output (words or regex)
    fields  (".*");

    //- Output format (ascii | binary) - Default=binary
    // format  binary;

    //- Use legacy output format - Default=false
    // legacy  false;

    //- Output directory name - Default="postProcessing/<name>"
    // directory   "VTK";

    //- Write cell ids as field - Default=true
    writeIds    false;
}


// Solid walls only
walls
{
    type    vtkWrite;
    libs    (utilityFunctionObjects);
    log     true;

    writeControl    writeTime;
    writeInterval   1;

    internal    false;

    // single      true;

    regions     ( heater "(?i).*solid" );
    patches     ( "(?i).*solid_to.*" "heater.*(Air|Water)" );

    fields      (T);
}

vtkWrite

{

type vtkWrite;

libs (utilityFunctionObjects);

log true;

writeControl writeTime;

writeInterval 1;

regions (".*");

internal true;

boundary true;

single false;

interpolate true;

// Fields to output (words or regex)

fields (".*");

//- Output format (ascii | binary) - Default=binary

// format binary;

//- Use legacy output format - Default=false

// legacy false;

//- Output directory name - Default="postProcessing/<name>"

// directory "VTK";

//- Write cell ids as field - Default=true

writeIds false;

}

// Solid walls only

walls

{

type vtkWrite;

libs (utilityFunctionObjects);

log true;

writeControl writeTime;

writeInterval 1;

internal false;

// single true;

regions ( heater "(?i).*solid" );

patches ( "(?i).*solid_to.*" "heater.*(Air|Water)" );

fields (T);

}

では、計算実行します。

chtMultiRegionFoam

1	chtMultiRegionFoam

例えば並列計算する場合の計算実行は以下です。

mpirun -np 8 chtMultiRegionSimpleFoam -parallel > log.chtMultiRegionSimpleFoam
reconstructPar -allRegions -noFunctionObjects

1 2	mpirun -np 8 chtMultiRegionSimpleFoam -parallel > log.chtMultiRegionSimpleFoam reconstructPar -allRegions -noFunctionObjects

結果の確認

ParaViewでpostProcessingに保存されたvtkファイルを読み込みます。

温度分布を見るとこんな感じです。

前回の記事では、leftSolidとheaterの境界は熱伝導率を持つ厚みを設けたので熱が伝わりにくくなっているのが確認できます。leftSolidの熱の伝わり方が違いますね。

まとめ

OpenFOAMのchtmultiRegionFoamのチュートリアルの解説を行いました。

手順は以下です。

blockMesh：ベースメッシュの作成
topoSet：cellZoneの作成
cp -r 0.orig 0：0.origフォルダをコピー
splitMeshRegions：topoSetで作成したcellZoneを使って領域分割
changeDictionary：境界条件の変更
chtMultiRegionFoam：計算実行

これでだいたいの使い方はわかりましたので、オリジナルの解析などをしたいですね。

chtMultiRegionFoamの勉強のきっかけ

当ブログに低温調理でのお肉の温度変化を対流なども考慮した解析をできないかという問い合わせが来ました。

お問い合わせいただいた方のブログ

※許可を得て紹介しています。

複数の物質との熱伝導
強制対流や自然対流も考慮した熱解析
脂肪の融解熱

など考慮したいことが多いようです。

あまり色々と考えたあげく以下のように提案をしてみました。

すると先方からは以下のようにしたいという提案がありまして・・・

方法１
熱流体は個別でOpenFOAMなりで計算して熱流束や熱伝達率を算出する
その熱流束や熱伝達率を固体表面に与えて熱解析を行う
冷凍庫でビールを冷やす
方法2
本記事で紹介したように流体・固体熱連成を行う

というわけで、方法2を試すことにしました。
どれほどchtMultiRegionFoamソルバが使えるのかを試してみたくなったというわけです。

※追記:適当な条件で試しました。

適当にモデルを作ってやってみました。

solid部分がお肉のつもりです。
物性は良くわからないですが調べて適当に設定しています。

constant/solid/thermophysicalProperties

thermoType
{
    type            heSolidThermo;
    mixture         pureMixture;
    transport       constIso;
    thermo          hConst;
    equationOfState rhoConst;
    specie          specie;
    energy          sensibleEnthalpy;
}

/*
脂肪層の熱特性
熱伝導率は水の1/3の0.194［W/m・K]
比熱容量は水の1/2の2.09[kJ/kg・K]
比重は0.92g/ml
*/

mixture
{
    specie
    {
        molWeight   6000;//g/mol
    }
    transport
    {
        kappa   0.194;// W/m K
    }
    thermodynamics
    {
        Hf      0;
        Cp      2.09E3; //J/kg K
    }
    equationOfState
    {
        rho     920;//kg/m3
    }
}