Femap Thermal/Flow による熱流体解析の紹介

Femap Thermal/Flow
による熱流体解析の紹介
株式会社
エヌ・エス・ティ
技術部
廣瀬栄樹
Femap Thermal/Flow
• Femap専用の解析モジュール
– Femap Thermal
• 有限差分法熱解析モジュール
– 大規模なふく射の問題でも高速に
– 不整合メッシュ間に簡単にコンダクタンスを生成
– 移動熱源もモデル化可能
– Femap Flow
• 流体解析モジュール
– 有限体積法を用いたNavier-Stokes方程式の直接解法
– 不整合メッシュでも解析可能
– Femap ThermalとFlowの組合せで熱流体解析
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熱・流体解析
• 構造物
– 熱解析 – Femap Thermal
• 流体
– 流体解析(CFD) – Femap Flow
• 構造 - 流体
– 構造物と流体の境界面上でエネルギーの授受
• 熱伝達
– 自然対流
– 強制対流
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一般的な解析の流れ
• モデリング～解析～ポスト処理
モデリング
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解析実行
ポスト処理
熱解析
• 考慮される物理現象
– 熱伝導(Conductive heat transfer)
熱ふく射
• 固体内の熱の移動
– 熱伝達(Convective heat transfer)
• 気体もしくは液体を介した熱の移動
TA1
TA2
– 熱ふく射(Radiative heat transfer)
• 電磁波による熱の移動
TF1
T1
流体1
流体2
T2
TF2
熱伝達
固体
熱伝導
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熱伝導
• 熱伝導方程式
T   T    T    T 
   
C
 
q
   
t x  x  y  y  z  z 
非定常項
熱伝導項
: 質量密度
C : 比熱
 : 熱伝導率
T : 温度
t : 時間
q : 単位体積当たりの発熱密度
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熱伝導
• 材料特性の異方性
• 材料特性の温度依存性
– 熱伝導率、比熱、密度
– 相転移効果の考慮
• 複数材料の多段相転移も可能
• 抵抗体発熱
– 通電によるジュール発熱を考慮した熱解析
– 電気回路の発熱を通電で制御可能
– 電気抵抗率の温度依存設定
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熱伝達
• 熱伝達による熱流
q  hTs  T f 
q : 熱流束
h : 熱伝達係数
Ts : 構造物表面温度
Tf : 流体の温度
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熱解析のアプローチ
•最も簡単な方法は、熱伝達係数と
流体温度を指定
熱伝達
• 自然対流
– 暖められて密度が小さくなった流体が浮力よって上へ流れる現
象により起こる対流
• 強制対流
– ポンプやファンなどの外部から作られた流れによる流体の運動
による対流
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熱伝達係数
• 自然対流熱伝達
– 熱伝達係数の推定
• 形状特性に対するコリレーションを利用
– 形状特性や重力方向などを定義
伝熱工学や熱工学関
連の図書に記載
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熱伝達係数
• 自然対流熱伝達 - 例
•
•
•
•
•
0.5×0.5×0.01[m]の平板
一様発熱 – 250[W]
物性 – 鉄
側面、上面、下面からの自然対流
雰囲気 – 空気 20℃
温度コンター
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107
15
104
5
熱伝達率コンター
熱伝達係数
• 強制対流熱伝達
– フローネットワークによる熱伝達解析
• 流体解析を行わないので処理が高速
– 断面形状と流体特性の定義
– 長方形、円形断面のフローパス
– パス形状の徐変
– 層流／乱流の自動判定とヌッセルト、プラントル数の自動計算
– 流速分布、圧力損失の考慮と出力
– 自然対流と強制対流の両方考慮可能
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熱伝達-解析例
• 強制対流熱伝達
– 主な用途の例
• 電子機器の空冷解析
• 配管系の流れ解析
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熱ふく射
• 熱ふく射による熱量

Q  AFij Ti 4  T j4

Q : 伝熱量
 : ステファン・ボルツマン定数
[5.67×10-8 W/m2K4]
A : 表面積
 : 放射率
F : 形態係数
T : 表面温度
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形態係数(ビューファクタ)
が未知の場合には、別途
計算する必要あり
熱ふく射
• 形態係数の計算
– OpenGLを利用したHemicube法
– Nusselt’s半球法
• 形態係数の計算式
Ai Fij  A j F ji 
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1


Ai Aj
cos i cos  j
r
2
dAi dA j
熱ふく射
• 例
– 形態係数の計算を伴う熱ふく射
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熱ふく射
• 例
– 複数エンクロージャがあるモデル
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熱ふく射
• 高度なふく射
– 反射・屈折・透過の考慮
• レイトレース計算
• 多重反射を考慮
• 半透明体のモデル化が可能
– ふく射熱源
• 熱赤外もしくは太陽光
• 散乱もしくはコリメート熱源
– 移動体のモデリング
• 関節の階層化
• 並進と回転運動
• 人工衛星のパドルや移動熱源をモデル化
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熱ふく射
• 日照解析
– 太陽照射量を設定
– 大気の影響を考慮
– 主な用途の例
• 市街地の日照解析
• 市街地のヒートアイランドの解析
市街地のヒートアイランド
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市街地の日照解析（2001/02/01
熱ふく射解析
• 軌道熱解析
– 軌道、姿勢など計算に必要なデータを定義
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流体解析(CFD)
• CFD - Computational Fluid Dynamics
– 流体の運動に関する支配方程式を数値計算により解き、現象を
シミュレーション
• Navier-Stokes方程式
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流体のモデル化
• 流体特性
– Newton流体
• 流れのせん断応力と流れの速度勾配が比例した粘性の性質を持つ流
体
– 非Newton流体
• 流れのせん断応力と流れの速度勾配の関係が線形でない性質を持つ
流体
ビンガム塑性流体
せん断応力
擬似塑性流体
ダイラタント流体
ニュートン流体
せん断変形速度
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流体のモデル化
• 流体特性
– 層流
• 流体が規則正しく流線の上を運動している流れ
– 乱流
• うずが生じて流れが不規則に運動している流れ
– 乱流モデル
» FTV(Fixed Turbulent Viscosity)モデル
» Mixing Lengthモデル
» k-εモデル
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流入/流出境界
• ファン/ベント
– ファン
• 流入/流出/流路内のファン
• 流速、流量、圧力、ファンカーブ
• 流れの角度、回転
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流入/流出境界
• ファン/ベント
– ベント
• 通気口のモデル化
• 流入時の角度
• 圧力損失
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構造物のモデル化
• ブロッケージ
– 完全固体のモデル化
– 多孔質体のモデル化
• 等方性/異方性を考慮
• 長さあたりの圧力損失の設定
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構造物のモデル化
• フィルタ
– 流路内の透過体をモデル化
• 圧力損失と流速低下を考慮
• プレート要素でモデル化
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熱流体解析
• 3次元の熱・流体解析
– Femap ThermalとFlowの連成解析
• 自然対流、強制対流の中にある構造物からの熱の移動、流体の運動
をモデル化
– 構造物と流体の境界面でエネルギーの授受
• 電気・電子機器の冷却や放熱、熱交換器の解析などが可能
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