(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
開口で連通する２つの対象空間のうち一方にＣＦＤモデルを適用して解析し、他方に二層ゾーンモデルを適用して解析する連成解析システムであって、
前回求めた前記他方の対象空間の圧力および温度が前記一方の対象空間の境界面における各セルの圧力、温度、および流速に与える影響を算定し、ＣＦＤモデル解析により、当該影響を考慮して、前記一方の対象空間の境界面における各セルの圧力、温度、および流速を算定するＣＦＤモデル解析手段と、
当該一方の対象空間の境界面における各セルの温度、および、前記他方の対象空間の前回の解析結果に基づいて、前記一方の対象空間の上部層と下部層との境界である層境界高さを算定し、当該一方の対象空間の層境界高さおよび前回求めた前記他方の対象空間の層境界高さに基づいて前記２つの対象空間の境界面における質量流量およびエネルギー量を分配する連成処理手段と、
当該分配された質量流量およびエネルギー量に基づいて、二層ゾーンモデル解析により前記他方の対象空間の煙層と空気層との境界である層境界高さ、圧力、および温度を算定する二層ゾーンモデル解析手段と、を備えることを特徴とする連成解析システム。
【請求項２】
前記連成処理手段は、噴流プルームによる周辺空気の巻き込み量も考慮して、前記２つの対象空間の境界面における質量流量およびエネルギー量を分配することを特徴とする請求項１に記載の連成解析システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、連成解析方法および連成解析システムに関する。詳しくは、開口で連通する２つの対象空間のうち一方にＣＦＤモデルを適用して解析し、他方に二層ゾーンモデルを適用して、煙流動を解析する連成解析方法および連成解析システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、建物内やトンネル内での火災時の煙の流れをシミュレーションして、火災時の居住者や通行者の避難の安全性を評価することが行われている。
この解析手法としては、以下の２通りが知られている。
第１に、二層ゾーンモデルにより解析が知られている。これは、対象空間を煙層と空気層に分割して、煙の流動を解析する。
この手法によれば、各層内では温度などの物理量が均一であると仮定して計算を行うため、短い計算時間で解析結果を得ることができる。
【０００３】
第２に数値流体力学（Computational Fluid Dynamics、以下ＣＦＤと呼ぶ）モデルによる解析が知られている。これは、対象空間を非常に微細な空間に分割して、煙の流動を解析するものである。この手法によれば、煙の性状を詳細に解析できる。
【０００４】
しかしながら、二層ゾーンモデルでは、各層内では物理量が均一であるとして扱うため、煙層内での煙の性状を詳細に解析できない。また、煙が空間内に瞬時に拡散するものとして取り扱うため、トンネルや大空間での煙の性状を正確に解析できない。
一方、ＣＦＤモデルでは、解析条件の設定に手間がかかるうえに、解析にかかる時間が非常に長くなる。
【０００５】
以上の問題点を解決するため、二層ゾーンモデルとＣＦＤモデルとを組み合わせた連成解析が知られている。（非特許文献１、２参照）。
具体的には、火災が発生した室など、詳細な煙の流れを把握したい空間についてはＣＦＤモデルを適用し、この空間に連通する室や廊下については二層ゾーンモデルを適用する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Development of a hybrid field and zone model for fire smokepropagation simulation in buildings, Jinsong Hua, Jian Wang, Kurichi Kumar,Fire Safety Journal 40, pp.99-119,2005
【非特許文献２】Large Eddy Simulationと連成させたネットワークモデルの構築と検証、長峰康雄、文部科学省次世代IT基盤構築のための研究開発「革新的シミュレーションソフトウェアの研究開発」ワークショップ(第８回)（２００７年２月２６日開催）の発表資料
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、以上の連成解析では、各モデル間のパラメータの受け渡し方法が不明であるため、連成解析を実現できない、という問題があった。
【０００８】
本発明は、連成解析を確実に実現できる連成解析方法および連成解析システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１に記載の連成解析システムは、開口で連通する２つの対象空間のうち一方にＣＦＤモデルを適用して解析し、他方に二層ゾーンモデルを適用して解析する連成解析システムであって、前回求めた前記他方の対象空間の圧力および温度が前記一方の対象空間の境界面における各セルの圧力、温度、および流速に与える影響を算定し、ＣＦＤモデル解析により、当該影響を考慮して、前記一方の対象空間の境界面における各セルの圧力、温度、および流速を算定するＣＦＤモデル解析手段と、当該一方の対象空間の境界面における各セルの温度、および、前記他方の対象空間の前回の解析結果に基づいて、前記一方の対象空間の上部層と下部層との境界である層境界高さを算定し、当該一方の対象空間の層境界高さおよび前回求めた前記他方の対象空間の層境界高さに基づいて前記２つの対象空間の境界面における質量流量およびエネルギー量を分配する連成処理手段と、当該分配された質量流量およびエネルギー量に基づいて、二層ゾーンモデル解析により前記他方の対象空間の煙層と空気層との境界である層境界高さ、圧力、および温度を算定する二層ゾーンモデル解析手段と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
請求項２に記載の連成解析システムは、前記連成処理手段は、噴流プルームによる周辺空気の巻き込み量も考慮して、前記２つの対象空間の境界面における質量流量およびエネルギー量を分配することを特徴とする。
【００１３】
この発明によれば、一方の対象空間にＣＦＤモデルを適用して解析することで、詳細な性状を把握するとともに、他方の対象空間に二層ゾーンモデルを適用して解析することで、大まかな性状を把握する。このように解析方法を使い分けることにより、計算時間を短縮しつつ十分に詳細な解析結果を得ることができる。
さらに、各解析から得られる物理量を双方向で連成させることで連成解析を実現した。具体的には、二層ゾーンモデル解析から得られる圧力および温度をＣＦＤモデル解析に取り入れるとともに、ＣＦＤモデル解析から得られる各セルの圧力、温度、および流速を、質量流量およびエネルギー量の分配を介して二層ゾーンモデル解析に取り入れた。これにより、連成解析を確実に実現できる。
【００１４】
また、２つの対象空間の境界面における質量流量およびエネルギー量を分配する際に、噴流プルームによる周辺空気の巻き込み量も考慮したので、連成解析の精度をより向上できる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、一方の対象空間にＣＦＤモデルを適用して解析することで、詳細な性状を把握するとともに、他方の対象空間に二層ゾーンモデルを適用して解析することで、大まかな性状を把握する。このように解析方法を使い分けることにより、計算時間を短縮しつつ十分に詳細な解析結果を得ることができる。さらに、各解析から得られる物理量を双方向で連成させることで連成解析を実現した。具体的には、二層ゾーンモデル解析から得られる圧力および温度をＣＦＤモデル解析に取り入れるとともに、ＣＦＤモデル解析から得られる各セルの圧力、温度、および流速を、質量流量およびエネルギー量の分配を介して二層ゾーンモデル解析に取り入れた。これにより、連成解析を確実に実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係る連成解析システムの構成を示すブロック図である。
【図２】前記実施形態に係る対象空間である２つの室をモデル化した概念図である。
【図３】前記実施形態に係る連成解析システムの１サイクルの処理のフローチャートである。
【図４】前記実施形態に係る連成解析システムにおいて他方の室の物理量が一方の室の境界面のセルの物理量に与える影響を説明するための図である。
【図５】前記実施形態に係る連成解析システムにおいて一方の室の境界面のセルを高温セルまたは低温セルに分類する手順を説明するための図である。
【図６】前記実施形態に係る連成解析システムにおいて境界面における質量流量およびエネルギー量を分配する手順を説明するための図である。
【図７】前記実施形態に係る連成解析システムにおける噴流プルームの概念図である。
【図８】前記実施形態に係る連成解析システムを適用する建物の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る連成解析システム１の構成を示すブロック図である。
連成解析システム１は、ＣＦＤモデル解析手段１０と、連成処理手段２０と、二層ゾーンモデル解析手段３０と、を備える。
【００１８】
ＣＦＤモデル解析手段１０は、対象空間にＣＦＤモデルを適用して解析する手段であり、対象空間を微細なセルに分割して、セル毎に圧力、温度、流速を計算する。
二層ゾーンモデル解析手段３０は、対象空間に二層ゾーンモデルを適用して解析する手段であり、対象空間を煙層と空気層とに分割して、煙層および空気層の圧力や温度を計算するものである。
連成処理手段２０は、ＣＦＤモデル解析手段１０で計算されたデータを加工して、二層ゾーンモデル解析手段３０に受け渡すデータを生成するものである。
【００１９】
以下、連成解析システム１の動作について説明する。この連成解析システム１は、ここでは、２つの室（Ｒｏｏｍ１、Ｒｏｏｍ２）を対象空間として解析する。
【００２０】
図２は、対象空間である２つの室（Ｒｏｏｍ１、Ｒｏｏｍ２）をモデル化した概念図である。Ｒｏｏｍ１とＲｏｏｍ２とは隣接しており、扉などの開口を介して連通している。この状態で、Ｒｏｏｍ１で火災が発生し、この火災による煙がＲｏｏｍ２に流れ込むとともに、Ｒｏｏｍ２からＲｏｏｍ１に新鮮空気が流れ込む現象を解析する。
【００２１】
Ｒｏｏｍ１についてはＣＦＤモデルを適用し、ＣＦＤモデル解析手段１０により、Ｒｏｏｍ１を微細なセルに分割して、セル毎に圧力、温度、流速を算定する。
Ｒｏｏｍ２については二層ゾーンモデルを適用し、二層ゾーンモデル解析手段３０により、上部の煙層と下部の空気層とに２分割して、層毎に圧力および温度を算定する。
【００２２】
この連成解析システム１では、ＣＦＤモデル解析手段１０、連成処理手段２０、二層ゾーンモデル解析手段３０の順に処理を実行するサイクルを繰り返す。
以下、連成解析システム１の１サイクルの処理について、図３のフローチャートを参照しながら説明する。
【００２３】
ステップＳ１では、ＣＦＤモデル解析手段１０により、前回のサイクルで求めたＲｏｏｍ２の圧力および温度がＲｏｏｍ１の境界面のセルの圧力、温度、および流速に与える影響を算定する。
具体的には、静圧、位置圧、前回のサイクルで求めたＲｏｏｍ１の流速から得られる動圧、およびサブグリッドスケールでの乱流エネルギーをまとめて、Ｒｏｏｍ１における境界面の圧力とする。さらに、前回のサイクルで求めた境界面（図２に示す開口）での流入出の方向に応じて、Ｒｏｏｍ２の温度をＲｏｏｍ１の境界面の温度とする。
ステップＳ２では、ＣＦＤモデル解析手段１０により、Ｒｏｏｍ２が与える影響を考慮して、Ｒｏｏｍ１の各セルの圧力を算定する。
【００２４】
ステップＳ３では、ＣＦＤモデル解析手段１０により、Ｒｏｏｍ１の各セルの圧力値が収束しているか否かを判定する。この判定がＹｅｓである場合には、ステップＳ４に移り、Ｎｏである場合には、ステップＳ２に戻って再度各セルの圧力を算定する。
【００２５】
ステップＳ４では、ＣＦＤモデル解析手段１０により、Ｒｏｏｍ１の各セルの流速および温度を算定する。
【００２６】
ステップＳ５では、連成処理手段２０により、前回のサイクルで求めたＲｏｏｍ２の空気層温度に基づいて、Ｒｏｏｍ１の上部層と下部層との境界である層境界高さを算定する。
ステップＳ６では、連成処理手段２０により、ステップＳ５で求めたＲｏｏｍ１の層境界高さおよび前回のサイクルで求めたＲｏｏｍ２の層境界高さに基づいて、Ｒｏｏｍ１とＲｏｏｍ２との境界面における質量流量およびエネルギー量を分配する。
【００２７】
ステップＳ７では、二層ゾーンモデル解析手段３０により、分配された質量流量およびエネルギー量に基づいて、Ｒｏｏｍ２の圧力を算定する。
ステップＳ８では、二層ゾーンモデル解析手段３０により、Ｒｏｏｍ２の圧力値が収束しているか否かを判定する。この判定がＹｅｓである場合には、ステップＳ９に移り、Ｎｏである場合には、ステップＳ７に戻る。
ステップＳ９では、二層ゾーンモデル解析手段３０により、Ｒｏｏｍ２の層境界高さ、煙層および空気層の温度、ならびに圧力を算定する。
【００２８】
次に、ステップＳ１における処理について説明する。
すなわち、Ｒｏｏｍ２の圧力および温度がＲｏｏｍ１の境界面のセルの圧力、温度、および流速に与える影響を、以下のように算定する。
【００２９】
図４は、ＣＦＤモデルが適用されたＲｏｏｍ１と二層ゾーンモデルが適用されたＲｏｏｍ２との境界部分の概念図である。
二層ゾーンモデルが適用されたＲｏｏｍ２がＣＦＤモデルが適用されたＲｏｏｍ１の境界面のセルｋに与える圧力をＰ｜ｉｎｔｅｒｆａｃｅ、流速をＵ｜ｉｎｔｅｒｆａｃｅ、温度をＴ｜ｉｎｔｅｒｆａｃｅとする。
【００３０】
セルの圧カＰ｜ｉｎｔｅｒｆａｃｅは、ＰＲｏｏｍ２（Ｈ）、動圧ΔＰ、サブグリッドスケールでの乱流エネルギーｋＳＧＳを用いて、式（１）で表す。ここで、サブグリッドスケールでの乱流エネルギーｋＳＧＳとは、セル内に生じる乱流エネルギーを数値化したものである。
【００３１】
以下、ＨはＲｏｏｍ２の床面からのセルの中心位置までの高さ、ρはセルの密度、Ｔは温度、Ｕは流速、ｎは流れの方向（Ｒｏｏｍ１からＲｏｏｍ２に向かう流れは＋、Ｒｏｏｍ２からＲｏｏｍ１に向かう流れは−とする）、δＡはセルの境界面の面積である。また、添え字のｋはセルの番号である。
【００３２】
【数１】
0005539246.tif 000002
【００３３】
さらに、動圧ΔＰについては、以下の式（２）で表される。また、ＰＲｏｏｍ２（Ｈ）については、静圧と位置圧に基づいて、以下の式（３）で表される。
【００３４】
【数２】
0005539246.tif 000003
【００３５】
ここで、Ｐ０，Ｒｏｏｍ２はＲｏｏｍ２の床面での静圧である。
また、流速Ｕ｜ｉｎｔｅｒｆａｃｅについては、以下の式（４）で表される。
【００３６】
【数３】
0005539246.tif 000004
【００３７】
また、温度Ｔ｜ｉｎｔｅｒｆａｃｅについては、以下の式（５）、式（６）で表される。
【００３８】
【数４】
0005539246.tif 000005
【００３９】
次に、ステップＳ５における処理について説明する。
すなわち、前回のサイクルで求めたＲｏｏｍ２の空気層温度に基づいて、Ｒｏｏｍ１の上部層と下部層との境界である層境界高さを、以下の手順で算定する。
まず、図５に示すように、ＣＦＤモデルが適用されたＲｏｏｍ１の境界面のセルを、高温セルまたは低温セルに分類する。
具体的には、境界面のセルを特定の閾値を基準として分類するのではなく、セルの温度がＲｏｏｍ２の空気層の温度以上である場合、このセルを高温セルとし、セルの温度がＲｏｏｍ２の空気層の温度未満である場合、このセルを低温セルとする。
【００４０】
次に、高温セルのみで構成される領域を高温領域、低温セルのみで構成される領域を低温領域、高温セルと低温セルとが混在する領域を温度混在領域とする。
次に、Ｒｏｏｍ１の層境界高さＺＲｏｏｍ１を、高温セルの面積と低温セルの面積とで按分して決定する。すなわち、低温領域の最高高さをＺ１、高温領域の最低高さをＺ２とし、層境界高さＺＲｏｏｍ１を以下の式（７）に従って求める。
【００４１】
【数５】
0005539246.tif 000006
【００４２】
ここで、ｌｏｗ＿ｔｅｍｐは低温セル、ｈｉｇｈ＿ｔｅｍｐは高温セルである。
【００４３】
次に、ステップＳ６における処理について説明する。
すなわち、ステップＳ５の処理で求めたＲｏｏｍ１の層境界高さおよび前回のサイクルで求めたＲｏｏｍ２の層境界高さに基づいて、境界面における質量流量、エネルギー量を、以下の手順で分配する。
【００４４】
Ｒｏｏｍ１の層境界の高さＺＲｏｏｍ１とＲｏｏｍ２の層境界の高さＺＲｏｏｍ２によって、図６（Ａ）、（Ｂ）の２パターンが考えられる。
図６（Ａ）、（Ｂ）に示すように、ＣＦＤモデルが適用されたＲｏｏｍ１は上部層および下部層に分割され、二層ゾーンモデルが適用されたＲｏｏｍ２は煙層および空気層に分割される。
そして、表１に示すように、Ｒｏｏｍ１の層境界の高さ、Ｒｏｏｍ２の層境界の高さ、および煙の流れ方向の組合せで場合分けを行って、質量流量Ｍ、エネルギー量Ｕの流入出量を設定する。
【００４５】
以下、Ｃｐは定圧比熱である。また、添え字のＵはＲｏｏｍ１の上部層またはＲｏｏｍ２の煙層、ＬはＲｏｏｍ１の下部層またはＲｏｏｍ２の空気層である。また、添え字の−＞はＲｏｏｍ１からＲｏｏｍ２への流出を示し、＜−はＲｏｏｍ２からＲｏｏｍ１への流出を示す。
【００４６】
【表１】
0005539246.tif 000007
【００４７】
表１に示す変数名の質量流量Ｍおよびエネルギー量Ｕを、式（８）〜（１４）に従って求める。
【００４８】
【数６】
0005539246.tif 000008
【００４９】
【数７】
0005539246.tif 000009
【００５０】
また、Ｒｏｏｍ１の上部層からＲｏｏｍ２の空気層に流入する（ｃ）の流れは、噴流プルームであるため、この噴流プルームによる周辺空気の巻き込み量を、以下の手順で考慮する。
【００５１】
図７は、噴流プルームの概念図である。
噴流プルームの質量流量ＭＰｌｕｍｅを以下の式（１５）に従って求める。また、噴流プルームのエネルギー量ＥＰｌｕｍｅを以下の式（１６）に従って求める。
以下、Ｑｆは開口噴流プルームにおける点火源の発熱速度、Ｚ０は点火源からＲｏｏｍ２の煙層下端までの高さ、ＺはＲｏｏｍ１の上部層下端からＲｏｏｍ２の煙層下端までの高さである。
【００５２】
【数８】
0005539246.tif 000010
【００５３】
さらに、Ｑｆ、Ｚ０、Ｚは以下の式（１７）〜（１９）に従って求められる。
【数９】
0005539246.tif 000011
【００５４】
本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）Ｒｏｏｍ１にＣＦＤモデルを適用して解析することで、詳細な性状を把握する。一方、Ｒｏｏｍ２に二層ゾーンモデルを適用して解析することで、大まかな性状を把握する。このように解析方法を使い分ける連成解析により、計算時間を短縮しつつ十分に詳細な解析結果を得ることができる。
この連成解析では、各解析から得られる物理量を双方向で連成させた。具体的には、二層ゾーンモデル解析から得られる圧力および温度をＣＦＤモデル解析に取り入れ、ＣＦＤモデル解析から得られる各セルの圧力、温度、および流速を質量流量およびエネルギー量の分配を介して二層ゾーンモデル解析に取り入れた。よって、連成解析を確実に実現できる。
【００５５】
（２）Ｒｏｏｍ１、Ｒｏｏｍ２の境界面における質量流量およびエネルギー量を分配する際に、噴流プルームによる周辺空気の巻き込み量も考慮したので、連成解析の精度をより向上できる。
【００５６】
（３）例えば、図８に示すような建物４０に連成解析システム１を適用する。すなわち、図８は、建物４０の断面図である。この建物４０は、３層に設けられた居室４１と、各居室４１に連通する吹き抜け空間であるホール４２と、を備える。各居室４１とホール４２との間には、廊下４３が跳ね出している。また、廊下４３とホール４２との境界は防火区画４４となっており、防火シャッタが設けられる。
【００５７】
連成解析システム１により、ホール４２にＣＦＤモデルを適用し、各居室４１および廊下４３に二層ゾーンモデルを適用することで、連成解析により計算時間を短縮しつつ十分に詳細な解析結果を得ることができる。
よって、ホール４２内の煙の複雑な性状を把握できるので、防火シャッタなどの防火設備を適切な位置に配置したり居住者の避難経路を詳細に検討したりして、安全性を向上しつつ、施工コストを低減できる。
【００５８】
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、本実施形態では、Ｒｏｏｍ１で火災が発生し、この火災による煙がＲｏｏｍ２に流れ込む現象を解析したが、これに限らず、Ｒｏｏｍ２で火災が発生し、この火災による煙がＲｏｏｍ１に流れ込む現象を解析することも可能である。
また、本実施形態では、Ｒｏｏｍ１、Ｒｏｏｍ２の２室を解析対象としたが、これに限らず、３以上の室を解析対象としてもよい。
【符号の説明】
【００５９】
１…連成解析システム
１０…モデル解析手段
２０…連成処理手段
３０…二層ゾーンモデル解析手段
４０…建物
４１…居室
４２…ホール
４３…廊下
【図１】
0005539246.tif 000012
【図２】
0005539246.tif 000013
【図３】
0005539246.tif 000014
【図４】
0005539246.tif 000015
【図５】
0005539246.tif 000016
【図６】
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【図７】
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【図８】
0005539246.tif 000019