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「実験とCAE 強制流」の勉強会参加!自宅でフリーソフトOpenFOAMを使って流体解析

2019/01/19
 
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先日、関西CAE懇話会で「実験とCAE:強制流」をテーマにした勉強会が開催されましたので、参加してみました。

 

非常に良い機会でした。

 

CAEは家でも会社でもパソコンさえあれば軽い計算ならどこでもできるのですが、実験をしようと思うとそれなりの器具や計測器がいるわけでして

 

本記事

実験の映像だけ入手できたので、自宅でOpenFOAMを使って流体解析をやってみたので紹介したいと思います。

 

 

本音は、少々やり切れていない部分が自分の中にあったので、自宅でOpenFOAMを使って勉強がてらやってみましたってかんじです。

(せっかく実験結果があるのですからね)

 

流体解析なんて誰も教えてくれないよってことで、

  • 参考書で勉強するのも良し
  • 勉強会に参加してお金払って勉強するのも良し
  • そもそも必要ないから勉強しなくても良し

流体解析をする環境っていうのはお金がかかるし、お金をかけたのなら結果が求められる・・・・・・

流体解析を学びながら特に結果も求められないという最強の環境は、「自分で勉強して自宅で流体解析をすること」だ・・・・っていうことで自宅でやってみました。

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「実験とCAE:強制流の」勉強会の開催日時と場所

 

2018年8月24日(金)10:30~16:30   
場所 NLC新大阪8号館 11階貸会議

 

時間は10時30分からでしたが、前日の台風の影響で電車が動いておらず。

が、しかし仕方ない事情ではあるので、遅れる旨を主催者の方に連絡して遅れて参加することにしました。

結局1時間半遅れて到着しましたが、開始時間自体も1時間ほど遅れたようでさほど遅れたことによる影響はありませんでした。

 

結果:実験とCAEとの比較

 

実験

 

当日、材料の発泡スチロールをスチロールカッターで切って供試体を作成します。
※風洞の入り口はφ80
流れをカメラで可視化します。

流線はドライアイスを流して簡単に見てみる方法でやっていました。

 

 

↓僕が行った実験の流線の可視化の結果は、こんな感じです。

何を模擬したのかって言われると・・・・車っぽいのを模擬してみたのです。

車体前方から「風速1.0m/s」の風が送られてくるという実験です。

簡易すぎますがね。

 

 

CAE(solidworks):流体解析

 

当日の勉強会では、流体解析ソフトとしてsolidworksを使って解析を行いました。

「モデルの作成」→「メッシュの作成」→「解析設定」→「計算実行」→「解析結果処理」までの一連の流れを統合しているようで、簡単に解析実行を行えました。

solidworksの設定はめちゃくちゃ簡単で、あっという間に解析できたっていうのが正直なところです!

 

解析条件は、

  • 2次元解析
  • 非定常解析
  • 非圧縮性として扱う
  • 乱流モデルあり
  • 物性値:空気
  • 温度場は解かない

です。

実験結果と比較するとだいたいの流れは再現できているよう。

が、渦の生成している位置が違う!!

これは決してsolidworksが悪いわけではないです。

 

おそらく自分の解析設定が良くなかったのではないかと思っています。

当日は時間がなかったのと、solidworksを始めて使ったのでこれ以上設定をいじって続けることも難しかったのでここでは以上の結果で断念しました。

 

OpenFOAMを使って流体解析やってみよう!

 

というわけで実験とCAEの結果が今一つアンマッチなところがあったので、自宅で色々と試したいと思いました。

まず流体解析をするにあたっていきなりコテコテの・・・いわゆる「あれもこれも考慮しないといけない」的な精神だといつまで経っても先に進めないので、まず解析が実行できるものから段階を追って解析を進めていきたいと思っています。

 

モデル

モデルは実験で使用した寸法とほぼ同じものをFreeCADで作成しました。

こんな感じの見た目でしょうかね。

 

流体解析条件

 

流体解析条件

  • 2次元解析
  • 密度の非圧縮を仮定(温度は解かない)
  • 乱流モデル無し
  • 非定常解析(\(\delta t=0.0001\),終了時間1.0秒)
  • 物性値:動粘性係数\(1.0\times 10^{-5}\)

 

メッシュ

 

  • メッシュサイズ:5.0mm
  • 境界層:3層

メッシュは、「blockMesh」と「snappyHexMesh」で作成しました。

モデルのまわりには境界層メッシュを作成して、流速ベクトルと平行な流れに平行なメッシュにしておきます。

 

タイムステップ\(\delta t\)や、メッシュサイズなどはまずこだわらず計算が実行されることを確認してみたいと思います。

 

解析結果

 

OpenFOAMのソルバは「非圧縮性かつ非定常解析のpimpleFoam」を使ってみました。

計算時間は、さすが2次元解析・・・・・30秒くらいで終わりました。

 

結果は実験と同じところから渦が生成しているふうな解析結果となりました。

印象は、「何か雑な渦の見え方だ」ってことですね。

メッシュ数が少なすぎるのかな?

 

流線も見ておきましょう。(渦が生成されていそうなところに着目して流線を見てみます)

渦がしっかり見えていますね。

何はともあれ解析ができることを確認できたので、ひとまず良しとしましょう。

 

今後

 

正直OpenFOAMでそれほど複雑な設定をしたことがないのです。

なにせ趣味なので。

流体解析の勉強がてら、今後はもう少し流体解析自体の改善に努めたいと思います。

まず解析の設定で気になったのが2点あります。

乱流モデル

 

関西CAE懇話会の勉強会当日は、講義の流れに沿って乱流モデルを用いたのですが、今思えば「何の乱流モデルだったっけ?」ってなっています。(乱流モデル使ったかどうかも正直覚えていません)

 

おそらく「標準\(k-\epsilon\)モデル」を使ったような気もしますが、定かではありません。

もし「標準\(k-\epsilon\)モデル」を使っているとして、この乱流モデルは高レイノルズ数の十分発達した乱流に対して良い近似を示すだけで、今回のように渦が表面から剥離するようなものには不向きな乱流モデルと思われます。

 

今回の場合だったら「逆圧力勾配の再現」などの再現に向いている「SST \(k-\omega\)モデル」などを使う方が良いのかもしれません。

 

もしくは最小渦サイズを見積もって、乱流モデル無しで解いても良いかもしれません。

めちゃくちゃメッシュ切らないといけないから現実的ではないよってことになりそうですがね。

 

メッシュのサイズ

 

メッシュサイズも当日の勉強会の流れに沿って適当に作成しましたが、渦が生成されうる領域はもう少しメッシュを細かく切る必要があったかもしれません。

 

 

実施マトリクス

 

上記で述べた2点を踏まえて、今後は以下のマトリクスで解析を試してみようと思います。

  メッシュサイズ
粗い 細かい

乱流モデル

SST \(k-\omega\)

無し
あり

SST \(k-\omega\)はよく使われる設定値を使います。

 

 

正直どういった設定が良いのかわかりませんが、上記の設定をした場合に結果がどう変わるのかを見てみたいですね。

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