OpenFOAMの熱流体固体連成の熱源の設定方法

OpenFOAMの熱流体固体連成の特定領域に熱源を与える方法について解説をします。

前回の記事

前回の記事でも書いているようなシミュレーションの結果は固体のheater領域の底面が500Kでそれ以外は300Kとなるような境界条件でした。
また、heaterとleftSolidの間は疑似的な厚み1[mm]、熱伝導率0.005[W/m K]を設ける設定を指定います。

今回は固体のheater領域にだけ熱量を与えるfvOptionの設定を解説します。

チュートリアルの変更

公式の解説によると、$\frac{D\boldsymbol{x}}{Dt}=S(\boldsymbol{x})$に対して、

\begin{align*}
S(\boldsymbol{x})=S_u+S_{p}\boldsymbol{x}
\end{align*}

find $FOAM_TUTORIALS -type f |xargs grep "scalarSemiImplicitSource"

1	find $FOAM_TUTORIALS -type f \|xargs grep "scalarSemiImplicitSource"

この中で以下のファイルをsystemにコピーします。

cp -r $FOAM_TUTORIALS/heatTransfer/chtMultiRegionSimpleFoam/cpuCabinet/system/v_CPU/fvOptions system/heater/

1	cp -r $FOAM_TUTORIALS/heatTransfer/chtMultiRegionSimpleFoam/cpuCabinet/system/v_CPU/fvOptions system/heater/

$FOAM_TUTORIALS = /usr/lib/openfoam/openfoam2412/tutorials

fvOptionのファイルを確認すると以下となっています。

system/heater/fvOption

v_CPU_AbsoluteEnergySource
{
    type            scalarSemiImplicitSource;
    active          true;

    selectionMode   cellZone;
    cellZone        v_CPU;
    volumeMode      absolute;

    sources
    {
        h           ( 100 0 );
    }
}

v_CPU_AbsoluteEnergySource

{

type scalarSemiImplicitSource;

active true;

selectionMode cellZone;

cellZone v_CPU;

volumeMode absolute;

sources

{

h ( 100 0 );

}

これを以下のように書き換えます。

system/heater/fvOption

AbsoluteEnergySource
{
    type            scalarSemiImplicitSource;
    active          true;

    selectionMode   all;//cellZone;
    // cellZone        v_CPU;
    volumeMode      absolute;

    sources
    {
        h           ( 100 0 );
    }
}

AbsoluteEnergySource

{

type scalarSemiImplicitSource;

active true;

selectionMode all;//cellZone;

// cellZone v_CPU;

volumeMode absolute;

sources

{

h ( 100 0 );

}

type: scalarSemiImplicitSource：スカラー量（ここではエンタルピー h）に対する半陰的なソース項を指定。
active: true：このソース項設定を有効化。
selectionMode: all：全セルに対してソース項を適用（cellZone を使う場合は個別領域指定も可　all/cellSet/cellZone/points）。
volumeMode: absolute：指定した値を体積あたりではなく絶対値として使用。
sources { h (100 0); }： エンタルピー h に 100 W（定数） のエネルギーを加える。

今回はvolumeMode absolute; を選択していますが、absoluteとspecificの2つモードとして選ぶことができます。
それぞれの違いは以下となります。

また、熱量を見るためにsystem/controlDictにfunction objectを追加しています。

functions
{
    #include "vtkWrite"

    wallHeatFlux1
    {
        // Mandatory entries (unmodifiable)
        type            wallHeatFlux;
        libs            (fieldFunctionObjects);
        region          heater;
        writeControl    writeTime;     // ソルバの出力タイミングと連動
        log             true;
        writeFields     true;          // フィールドを出力
    }
}

functions

{

#include "vtkWrite"

wallHeatFlux1

{

// Mandatory entries (unmodifiable)

type wallHeatFlux;

libs (fieldFunctionObjects);

region heater;

writeControl writeTime; // ソルバの出力タイミングと連動

log true;

writeFields true; // フィールドを出力

}

全体に熱量を与える`absolute`

絶対値（総量）として物理量を指定する方法
単位はそのままの物理単位（例：J、W、kg、K など）
全体としてどれだけあるかを示す
例：energy = 500; → 「合計 500 ジュールのエネルギー」

単位体積当たりの熱量を与える`specific`

体積あたりの値（密度）として指定する方法
単位は「物理量／m³」（例：J/m³、W/m³、kg/m³ など）
1立方メートルあたりの値を示す
例：energy = 1000; → 「1 m³ あたり 1000 J のエネルギー密度」

まとめ

今回は熱流体固体連成であるchtMultiRegionFoamでの特定領域の熱源設定の方法を解説しました。

ちなみにcellZoneに与えることもできます。
その場合は以下とします。

AbsoluteEnergySource
{
    type            scalarSemiImplicitSource;
    active          true;

    // selectionMode   all;//cellZone;
    selectionMode   cellZone;
    cellZone     heater;
    volumeMode      specific;//absolute;

    sources
    {
        h           ( 100 0 );
    }
}