(57)【要約】【課題】専門知識が不要で計算時間が短く、かつ、非定常状態の解析が可能な熱流体解析プログラムを提供すること。【解決手段】壁面で囲まれた流体の温度分布の時間変化を、各解析単位時間における流体の微小体積要素温度をコンピュータで数値解析することによって解析する熱流体解析プログラムにおいて、コンピュータに、壁の厚み方向の１次元熱伝導と壁の内部の蓄熱量とにより壁面の微小面積要素の温度を算出する壁面条件算出プログラムと、市販の熱流体解析ソフトウェアとを交互に実行させることで、コンピュータを、壁面条件算出プログラムの結果を境界条件として壁面に接している微小体積要素の温度を算出する体積要素演算手段として機能させる。【選択図】　　　　図５
2004127153.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
壁面で囲まれた流体の温度分布の時間変化を、コンピュータで数値解析することによって解析する熱流体解析プログラムにおいて、
コンピュータを、
各解析単位時間における流体の各微小体積要素の温度および流速を算出する体積要素演算手段、および、
各解析単位時間における壁面の各微小面積要素の温度を算出する壁面条件算出手段として機能させ、
コンピュータを前記壁面条件算出手段として機能させる際に、
壁面に接している微小体積要素から壁面の微小面積要素への解析単位時間内における壁面熱流束と、解析単位時間の初期における壁の内部の厚み方向の温度分布とから、壁の厚み方向の１次元熱伝導モデルを用いて解析単位時間の終期における壁面の微小面積要素の温度を算出させ、
解析単位時間の初期における壁の内部の厚み方向の温度分布から、壁の厚み方向の１次元熱伝導モデルを用いて解析単位時間の終期における壁の内部の厚み方向の温度分布を算出させ、
解析単位時間の初期における壁の内部の厚み方向の温度分布と、壁の外面の熱抵抗とから、壁の厚み方向の１次元熱伝導モデルを用いて解析単位時間の終期における壁の外面の温度を算出させ、
コンピュータを前記体積要素演算手段として機能させる際に、前記壁面条件算出手段としての演算により算出された壁面の微小面積要素の温度を、境界条件として使用させることを特徴とする熱流体解析プログラム。
【請求項２】
コンピュータをさらに、壁面の複数の微小面積要素を中面積要素にまとめるグループ化手段として機能させ、
コンピュータを前記壁面条件算出手段として機能させる際に、前記グループ化手段により中面積要素としてまとめられている範囲については、その範囲内の微小面積要素に替えて中面積要素を使用させることを特徴とする請求項１に記載の熱流体解析プログラム。
【請求項３】
コンピュータをさらに、
各種の壁材の物性値を記憶する記憶手段、および、
壁材の種類を指定する指定手段として機能させ、
コンピュータを前記壁面条件算出手段として機能させる際に、前記指定手段により指定された種類の壁材の物性値を前記記憶手段から読み出して使用させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱流体解析プログラム。
【請求項４】
壁面で囲まれた流体の温度分布の時間変化を解析する熱流体解析方法において、
各解析単位時間における流体の各微小体積要素の温度および流速を算出する体積要素演算ステップと、
各解析単位時間における壁面の各微小面積要素の温度を算出する壁面条件算出ステップとを交互に行い、
前記壁面条件算出ステップでは、
壁面に接している微小体積要素から壁面の微小面積要素への解析単位時間内における壁面熱流束と、解析単位時間の初期における壁の内部の厚み方向の温度分布とから、壁の厚み方向の１次元熱伝導モデルを用いて解析単位時間の終期における壁面の微小面積要素の温度を算出し、
解析単位時間の初期における壁の内部の厚み方向の温度分布から、壁の厚み方向の１次元熱伝導モデルを用いて解析単位時間の終期における壁の内部の厚み方向の温度分布を算出し、
解析単位時間の初期における壁の内部の厚み方向の温度分布と、壁の外面の熱抵抗とから、壁の厚み方向の１次元熱伝導モデルを用いて解析単位時間の終期における壁の外面の温度を算出し、
前記体積要素演算ステップでは、前記壁面条件算出ステップで算出された壁面の微小面積要素の温度を、境界条件として使用することを特徴とする熱流体解析方法。
【請求項５】
壁面で囲まれた流体の温度分布の時間変化を解析する熱流体解析装置において、
各解析単位時間における流体の各微小体積要素の温度および流速を算出する体積要素演算手段と、
各解析単位時間における壁面の各微小面積要素の温度を算出する壁面条件算出手段とを有し、
前記壁面条件算出手段は、
壁面に接している微小体積要素から壁面の微小面積要素への解析単位時間内における壁面熱流束と、解析単位時間の初期における壁の内部の厚み方向の温度分布とから、壁の厚み方向の１次元熱伝導モデルを用いて解析単位時間の終期における壁面の微小面積要素の温度を算出し、
解析単位時間の初期における壁の内部の厚み方向の温度分布から、壁の厚み方向の１次元熱伝導モデルを用いて解析単位時間の終期における壁の内部の厚み方向の温度分布を算出し、
解析単位時間の初期における壁の内部の厚み方向の温度分布と、壁の外面の熱抵抗とから、壁の厚み方向の１次元熱伝導モデルを用いて解析単位時間の終期における壁の外面の温度を算出するものであり、
前記体積要素演算手段は、前記壁面条件算出手段により算出された壁面の微小面積要素の温度を、境界条件として使用することを特徴とする熱流体解析装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、壁面に囲まれた流体の温度分布の時間変化を数値解析するためのプログラムおよび方法および装置に関する。特に、壁面内部の解析計算を簡略化することにより計算時間を短縮した熱流体解析プログラムおよび方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、流体の温度分布をコンピュータを利用して数値解析するために、各種の熱流体解析ソフトウェアが市販され、使用されている。この種の熱流体解析ソフトウェアでは、一般的に、有限要素法を利用している。すなわち、流体を多数の微小体積要素に分割して、それぞれの要素間の関係を比較的簡単な式で近似する。そして、微小な時間であるタイムステップにおけるそれらの微小体積要素の挙動を近似計算して、流体全体の温度分布や熱流束を解析する。その結果を利用してさらに近似計算して、次のタイムステップの温度分布や熱流束を得る。このステップを反復することにより、流体の温度分布の時間変化を解析するのである。ここで、例えば燃焼炉のように、壁面で囲まれた流体の温度分布の時間変化を解析する場合には、壁面に接している流体の境界条件をどのように設定するかが重要となる。このような壁面の影響を考慮する方法として、従来、以下の２つの方法が使用されている。
【０００３】
（第１の方法）としては、壁の厚みを考慮し、壁の内部も流体部分と同様に３次元的に数値解析する方法がある。そのために、例えば、３次元ＣＡＤ等を用いて壁の厚みや形状を入力し、その内部を微小体積要素に分割して、固体に関する熱解析を行う。これによって、壁の内部の温度分布や熱流束等が算出され、流体に接している面である内壁面の各所の温度や熱流束が得られる。この結果を、内壁面における境界条件として、市販の熱流体解析ソフトウェアに代入する。さらに、タイムステップごとに熱流体解析と壁面の熱解析とを交互に実行することで、流体の温度分布の時間変化を解析するのである。
【０００４】
また、あるいは、（第２の方法）では、壁の厚みや形状を無視して、物性値を持った面であるとして境界条件を与える方法がある。すなわち、壁面の影響を、壁の厚さと熱伝導率から算出される熱抵抗のみから求める方法である。そして、熱流体解析ソフトウェアを実行するに当たって、各解析時間に内壁面各所に接している流体要素には、境界条件として熱抵抗が与えられる。
【０００５】
本発明に関連する技術として、本出願人は、同様の燃焼炉を交番燃焼炉として使用した場合の熱流体解析の方法を、「特願２００１−１４７５９５号」に先行出願している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の方法では、以下のような問題点があった。（第１の方法）では、壁の影響がかなり正確に考慮される。その一方で、３次元ＣＡＤ等を操作して、壁の内部についても微小体積要素を作成する必要があるため、これらの操作に関する専門知識が必要であった。また、熱流体解析ソフトウェアの実行そのものにかなりの計算時間が必要である上、壁の内部の３次元的な熱解析の実行にも長時間の計算時間が必要である。このため、全体として計算時間がかかりすぎるため、実用的ではなかった。
【０００７】
また、（第２の方法）では、壁の内部の微小体積要素を作成する手順が不要であるので、計算時間を短縮できる。その一方で、壁面の影響として熱抵抗を考慮するのみであるので、壁の内部の蓄熱量が考慮されない。従って、すでに壁面全体がほぼ一定の温度となった後のような定常状態に近い状態の解析には有効である。しかし、例えば、燃焼炉を常温から加熱する場合のような非定常状態での解析の場合には、壁の蓄熱量による影響が大きい。このため、非定常状態の解析の場合には、第２の方法では大きな誤差が生じるため使用できないという問題点があった。
【０００８】
そこで、本発明は、かかる課題を解決すべく、専門知識が不要で計算時間が短く、かつ、非定常状態の解析が可能な熱流体解析プログラムを提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この課題の解決を目的としてなされた本発明の熱流体解析プログラムは、壁面で囲まれた流体の温度分布の時間変化を、コンピュータで数値解析することによって解析する熱流体解析プログラムにおいて、コンピュータを、各解析単位時間における流体の各微小体積要素の温度および流速を算出する体積要素演算手段、および、各解析単位時間における壁面の各微小面積要素の温度を算出する壁面条件算出手段として機能させ、コンピュータを前記壁面条件算出手段として機能させる際に、壁面に接している微小体積要素から壁面の微小面積要素への解析単位時間内における壁面熱流束と、解析単位時間の初期における壁の内部の厚み方向の温度分布とから、壁の厚み方向の１次元熱伝導モデルを用いて解析単位時間の終期における壁面の微小面積要素の温度を算出させ、解析単位時間の初期における壁の内部の厚み方向の温度分布から、壁の厚み方向の１次元熱伝導モデルを用いて解析単位時間の終期における壁の内部の厚み方向の温度分布を算出させ、解析単位時間の初期における壁の内部の厚み方向の温度分布と、壁の外面の熱抵抗とから、壁の厚み方向の１次元熱伝導モデルを用いて解析単位時間の終期における壁の外面の温度を算出させ、コンピュータを前記体積要素演算手段として機能させる際に、前記壁面条件算出手段としての演算により算出された壁面の微小面積要素の温度を、境界条件として使用させることを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明の熱流体解析プログラムは、コンピュータをさらに、壁面の複数の微小面積要素を中面積要素にまとめるグループ化手段として機能させ、コンピュータを前記壁面条件算出手段として機能させる際に、前記グループ化手段により中面積要素としてまとめられている範囲については、その範囲内の微小面積要素に替えて中面積要素を使用させることを特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明の熱流体解析プログラムは、コンピュータをさらに、各種の壁材の物性値を記憶する記憶手段、および、壁材の種類を指定する指定手段として機能させ、コンピュータを前記壁面条件算出手段として機能させる際に、前記指定手段により指定された種類の壁材の物性値を前記記憶手段から読み出して使用させることを特徴とするものである。
【００１２】
本発明に係る熱流体解析プログラムによれば、コンピュータを体積要素演算手段および壁面条件算出手段として機能させる。そして、コンピュータを体積要素演算手段として機能させる際に、壁面条件算出手段として算出された壁面の温度を境界条件として使用して、壁面に接している微小体積要素の温度を算出する。ここで、コンピュータを壁面条件算出手段として機能させる際には、壁の厚み方向の１次元熱伝導モデルを用いている。すなわち、熱の伝達の影響は壁の厚み方向のみを考慮し、他の方向成分を無視するので、従来の（第１の方法）に比べて計算量が大きく減少する。その一方で、壁の厚みによる温度分布の変化や壁面に接している微小体積要素からの熱流束、壁の外面の熱抵抗は無視せず、かつ従来の（第２の方法）では無視されていた壁の内部の蓄熱量が考慮されている。従って、壁の内部の伝熱状態を３次元的に解析する計算時間が不要となり、解析に必要な所要時間が短くなるうえ、常温状態から加熱するような非定常状態の解析においても壁の影響が考慮されるので大きな誤差はない。これらより、この熱流体解析プログラムによれば、非定常状態での壁面の影響は考慮した上で計算時間を短縮することができる。
【００１３】
さらに、コンピュータをグループ化手段として機能させて、複数の微小面積要素を中面積要素にまとめるので、壁面条件算出手段として機能させる際に中面積要素を使用させれば、演算に使用される面積要素の数を減少させることができる。従って、壁面の影響の解析に係る計算時間をさらに短縮することができる。
【００１４】
また、コンピュータを、各種の壁材の物性値を記憶する記憶手段、および、壁材の種類を指定する指定手段として機能させて、壁面条件算出手段として機能させる際に、指定手段によって指定された種類の壁材の物性値を記憶手段から読み出して使用させれば、壁材の物性値を資料から探したり、数値を入力したりする手間が省けるので、さらに使い勝手のよいものとなる。
【００１５】
本発明は、壁面で囲まれた流体の温度分布の時間変化を解析する熱流体解析方法において、各解析単位時間における流体の各微小体積要素の温度および流速を算出する体積要素演算ステップと、各解析単位時間における壁面の各微小面積要素の温度を算出する壁面条件算出ステップとを交互に行い、前記壁面条件算出ステップでは、壁面に接している微小体積要素から壁面の微小面積要素への解析単位時間内における壁面熱流束と、解析単位時間の初期における壁の内部の厚み方向の温度分布とから、壁の厚み方向の１次元熱伝導モデルを用いて解析単位時間の終期における壁面の微小面積要素の温度を算出し、解析単位時間の初期における壁の内部の厚み方向の温度分布から、壁の厚み方向の１次元熱伝導モデルを用いて解析単位時間の終期における壁の内部の厚み方向の温度分布を算出し、解析単位時間の初期における壁の内部の厚み方向の温度分布と、壁の外面の熱抵抗とから、壁の厚み方向の１次元熱伝導モデルを用いて解析単位時間の終期における壁の外面の温度を算出し、前記体積要素演算ステップでは、前記壁面条件算出ステップで算出された壁面の微小面積要素の温度を、境界条件として使用することを特徴とする熱流体解析方法にも及ぶ。
【００１６】
また、本発明は、壁面で囲まれた流体の温度分布の時間変化を解析する熱流体解析装置において、各解析単位時間における流体の各微小体積要素の温度および流速を算出する体積要素演算手段と、各解析単位時間における壁面の各微小面積要素の温度を算出する壁面条件算出手段とを有し、前記壁面条件算出手段は、壁面に接している微小体積要素から壁面の微小面積要素への解析単位時間内における壁面熱流束と、解析単位時間の初期における壁の内部の厚み方向の温度分布とから、壁の厚み方向の１次元熱伝導モデルを用いて解析単位時間の終期における壁面の微小面積要素の温度を算出し、解析単位時間の初期における壁の内部の厚み方向の温度分布から、壁の厚み方向の１次元熱伝導モデルを用いて解析単位時間の終期における壁の内部の厚み方向の温度分布を算出し、解析単位時間の初期における壁の内部の厚み方向の温度分布と、壁の外面の熱抵抗とから、壁の厚み方向の１次元熱伝導モデルを用いて解析単位時間の終期における壁の外面の温度を算出するものであり、前記体積要素演算手段は、前記壁面条件算出手段により算出された壁面の微小面積要素の温度を、境界条件として使用することを特徴とする熱流体解析装置にも及ぶ。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した一実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本実施の形態による解析対象の例である燃焼炉１を示す概略外観図であり、図２はその横断面図であり、図３はその縦断面図である。
【００１８】
図１〜３に示すように、燃焼炉１は、略円筒形の炉壁１０に囲まれた燃焼室１１を有している。炉壁１０の外面には、燃焼炉１の下端近くにバーナ１３が、上端近くに排気口１４が、それぞれ炉壁１０から突出して設けられている。図２に示すように、バーナ１３と排気口１４とは互いに角度９０度をなして、いずれも燃焼室１１の側面に対して接線方向に取り付けられている。そのため、バーナ１３から進入した高温気体は、燃焼室１１内を螺旋状に上昇し、排気口１４から排出される。本実施の形態では、燃焼炉１として、炉壁１０の外形が外径１０５０ｍｍ×高さ１０００ｍｍであり、バーナ１３の口径が１４０ｍｍ、炉壁１０の厚さが２００ｍｍのものを用いている。なお、炉壁１０は等方的な材質で形成されている。燃焼室１１の内部には、例えば金属などの略円筒形の被加熱物１２が配置される。本実施の形態でのバーナ１３の運転条件を表１に示す。
【００１９】
【表１】
2004127153.tif 000003
【００２０】
本実施の形態では、被加熱物１２の内側は空洞となっており、図３に示すように、流動空気１５が下から上へ流されている。この流動空気１５は、燃焼炉１の燃焼効率を上昇させ、被加熱物１２を均一に加熱するためのものである。ここでは、流動空気１５は、流入温度２９３Ｋのものが流量５０ｍ３／ｈだけ流されているものとする。
【００２１】
この燃焼炉１のうち、熱流体解析の解析対象となる流体部分は、炉壁１０と被加熱物１２との間の燃焼室１１内に含まれる炉内雰囲気気体２０の部分である。この気体２０に関して、市販されている汎用の熱流体解析ソフトウェアを使用して熱解析を行うためには、炉壁１０内部を汎用の熱流体解析ソフトウェアの解析対象領域外とする場合、気体２０と炉壁１０との間の境界条件を与えてやる必要がある。この境界条件を算出するプログラムが壁面条件算出プログラムであり、この壁面条件算出プログラムと市販の熱流体解析ソフトウェアとを組み合わせて、本実施の形態の熱流体解析プログラムが構成されている。コンピュータに壁面条件算出プログラムを実行させることにより、コンピュータを壁面条件算出手段として機能させ、また、本実施の形態の熱流体解析プログラムを実行させることにより、コンピュータを体積要素演算手段として機能させる。
【００２２】
次に、気体２０と炉壁１０との間の境界条件の算出方法について説明する。炉壁１０には厚みがあり、これを無視すれば、従来技術の（第２の方法）で記載したように誤差が大きくなってしまう。そこで、まず、炉壁１０を厚みを考慮して微小体積要素２２に分割する。図４は、炉壁１０を微小体積要素２２に分割した様子の概略を示す説明図である。そして、炉壁１０のうち気体２０に接している面である内側面２１をｘ＝０とし、内側面２１に垂直な方向にｘ軸、内側面２１に平行な方向にｙ軸およびｚ軸を配置する。炉壁１０の内側面２１は、実際には曲面であるが、各微小体積要素２２はごく小さいので、部分的には平面で近似できる。
【００２３】
ここで、非定常状態における炉壁１０の内部での熱移動は、炉壁１０の厚み方向成分（ｘ軸方向成分）が支配的であり、面内方向成分（ｙ軸方向成分およびｚ軸方向成分）はわずかであることが分かっている。そこで、例えば、内側面２１ｄを含む微小体積要素２２ｄからの熱移動は、微小体積要素２２ｅの方向へのみ行われることとし、微小体積要素２２ｆまたは微小体積要素２２ｇ等への方向成分は無視する。このことと、炉壁１０内部への蓄熱量を考慮すると、炉壁１０内の熱伝導は、以下の数１に示した１次元非定常熱伝導方程式で表される。この数１では、炉壁１０の物性値の１つであり温度Ｔに依存する温度伝導率ａ（ｍ２／ｓ）を使用している。
【００２４】
【数１】
2004127153.tif 000004
【００２５】
この方程式を解けば、あるタイムステップにおける炉壁１０の温度分布から、次のタイムステップでの温度分布を算出することができる。これと、各タイムステップごとに熱流体解析ソフトウェアで気体２０を解析した結果である壁面熱流束Ｑｗとを用いて、次のタイムステップにおける炉壁内側面温度Ｔｗを近似的に算出するプログラムが、壁面条件算出プログラムである。
【００２６】
数１の方程式の近似解を得る方法はいくつか知られており、例えば、ＤｕＦｏｒｔ−Ｆｒａｎｋｅｌ法で差分化することができる。そして、この数値解析のタイムステップの幅をΔｔ（ｓ）、微小体積要素２２のｘ軸方向の大きさをΔｘ（ｍ）として、ｎタイムステップ後の炉壁１０の各微小体積要素２２の温度Ｔｎ（ｉ，ｊ）を近似する。ここで、（ｉ，ｊ）は微小体積要素２２の要素番号を表す。ｉは内側面２１からのｘ軸方向の要素位置であり、内側面２１を含む微小体積要素２２ではｉ＝１であり、炉壁１０の外側面ではｉ＝ｉｗとする。また、ｊは面内方向の要素番号を表す。
【００２７】
ここで必要となる炉壁１０の各種物性値としては、前述の温度伝導率ａの他、密度ρ（ｋｇ／ｍ３）と比熱Ｃｐ（ｋＪ／ｋｇ・Ｋ）とがある。いずれも温度Ｔに依存する。内側面２１における各微小体積要素２２の温度Ｔｎ（１，ｊ）は、気体２０からの壁面熱流束Ｑｗ（ｊ）を使用して、以下の数２で近似される。
【００２８】
【数２】
2004127153.tif 000005
【００２９】
炉壁１０の内部にある１＜ｉ＜ｉｗの範囲の微小体積要素２２については、以下の数３で近似される。
【００３０】
【数３】
2004127153.tif 000006
【００３１】
最後に、外側面（ｉ＝ｉｗ）では、炉壁１０外部の影響を考慮する必要がある。ここでは、外部の雰囲気温度Ｔｏ（Ｋ）と熱伝導率λ（Ｗ／ｍＫ）とで、炉壁１０外部の影響である熱抵抗を与えている。それにより、外壁面位置（ｉ＝ｉｗ）における微小体積要素２２については、以下の数４で近似される。
【００３２】
【数４】
2004127153.tif 000007
【００３３】
これらの数２〜数４に、気体２０の熱流体解析によって得られたタイムステップｎにおける壁面熱流束Ｑｗと、タイムステップｎ−１，ｎにおける炉壁内側面温度Ｔｎ−１，Ｔｎを与えることで、タイムステップｎ＋１における炉壁内側面温度Ｔｎ＋１を算出することができる。
【００３４】
次に、本実施の形態の熱流体解析プログラムの動作を、図５のフローチャートを利用して説明する。熱流体解析プログラムの実行は、熱流体解析ソフトウェアと上記の壁面条件算出プログラムとを交互に実行させて、それぞれの結果を互いに渡すことで実行される。この熱流体解析プログラムを実行する際には、予め、燃焼炉１の形状や各物性値等のデータを入力しておく。また、燃焼開始（スタート状態）から何秒後の温度分布を結果として出力させるかに相当する解析経過時間も、使用者が予め設定しておく。
【００３５】
この熱流体解析プログラムを実行するときにはコンピュータは、まず、熱流体解析ソフトウェアを実行し、解析開始からΔｔ秒後の気体２０の状態を解析計算する（Ｓ１０１）。この解析開始からΔｔ秒後の状態がタイムステップ１の状態に相当する。ここでは、常温状態の燃焼炉１を加熱するところから解析開始するので、実行開始時には炉壁１０の内側面２１は常温であるとして境界条件に使用する。そして、Ｓ１０１の結果から、Δｔ秒間での炉壁１０の内側面２１における壁面熱流束Ｑｗを得る（Ｓ１０２）。具体的には、Ｓ１０１の結果のうち、Δｔ秒後の炉壁１０の近傍における炉内雰囲気流速Ｖと炉内雰囲気温度Ｔｇ１とを用いる。これらと、初期の炉壁１０の内側面２１の温度である炉壁内側面温度Ｔ１とから、壁面熱流束Ｑｗが得られるのである。
【００３６】
次に、Ｓ１０２で得られた壁面熱流束Ｑｗが、炉壁１０の内側面２１に加えられたとして、壁面条件算出プログラムを実行する。すなわち、数２〜数４を解くことで次のタイムステップ（ここでは、タイムステップ２）における炉壁内側面温度Ｔ２を算出する（Ｓ１０３）。次に、Ｓ１０３で算出した炉壁内側面温度Ｔ２を熱流体解析ソフトウェアに代入する（Ｓ１０４）。
【００３７】
次に、コンピュータは、はじめに使用者によって選択された解析経過時間と、ここまで実行したタイムステップ（ここでは、タイムステップ２）とを比較し、指定された解析経過時間分の解析が終了したかどうかを判断する（Ｓ１０５）。
【００３８】
終了していない場合は（Ｓ１０５：ＮＯ）、Ｓ１０１へ戻る。そして、熱流体解析ソフトウェアを実行して（Ｓ１０１）、そのΔｔ秒後の壁面熱流束Ｑｗを算出する（Ｓ１０２）。続いて、この壁面熱流束Ｑｗを利用して壁面条件算出プログラムを実行し、次のタイムステップでの炉壁内側面温度Ｔｎ＋１を算出する（Ｓ１０３）。Ｓ１０１が実行される毎にタイムステップが１加算されていき、タイムステップｎでは、Ｓ１０３で次のタイムステップでの炉壁内側面温度Ｔｎ＋１が算出される。Ｓ１０３で算出された炉壁内側面温度Ｔｎ＋１は、熱流体解析ソフトウェアに代入される（Ｓ１０４）。
【００３９】
使用者によって指定された解析経過時間分の解析が終了するまで、コンピュータはＳ１０１〜Ｓ１０５の実行を繰り返し、終了したら（Ｓ１０５：ＹＥＳ）、解析結果を出力し（Ｓ１０６）、熱流体解析プログラムの実行を終了する。
【００４０】
このようにして本実施の形態の熱流体解析プログラムを実際に実行して、その解析所要時間を従来の（第１の方法）と比較した。ここでは、壁面条件算出プログラム以外の熱流体解析ソフトウェアは、同じものを使用した。また、炉壁１０の内側面２１は２００個の微小体積要素２２に分割して解析した。解析所要時間はタイムステップ数に比例するので、１００タイムステップ分の計算を実行して、その所要時間を比較した。その結果、本実施の形態の熱流体解析プログラムでは、１００タイムステップ分の解析の所要時間は１０分１３秒であった。それに対して、従来の（第１の方法）によって１００タイムステップ分の解析を行うには、１２分３９秒を要していた。従って、約２０％の解析所要時間が短縮されたことになる。
【００４１】
上記の比較では、炉壁１０の内側面２１は２００個の微小体積要素２２に分割して解析したが、炉壁１０内部の状態の変化はそれほど大きくないので、炉壁１０は気体２０に比べて粗い要素に分割しても大きな誤差は発生しない。そこで、これらの微小体積要素２２を複数個まとめてグループ化することで、解析計算をさらに簡略化できる。このように、壁の複数の微小体積要素２２を中体積要素２３とすることで、内側面２１の複数の微小面積要素を中面積要素としてまとめることになり、コンピュータをグループ化手段として機能させる。
【００４２】
グループ化の方法としては、例えば、計算開始時に隣接する微小体積要素２２を複数個まとめて１つのグループとし、その各グループを各中体積要素２３として微小体積要素２２の代わりに用いて解析計算をする。例えば、図４に示したように、○をつけた微小体積要素２２を１０個まとめ、また、△をつけた微小体積要素２２を１０個まとめるというように、すべての微小体積要素２２を１０個ずつまとめてそれぞれ中体積要素２３として、解析計算をすることができる。グループ化する際には、熱伝達状態が近い微小体積要素２２を同じ中体積要素２３としてまとめるようにすればよい。
【００４３】
このように、１０個の微小体積要素２２を１つの中体積要素２３にグループ化して本実施の形態の熱流体解析プログラムを実行したところ、１００タイムステップ分の解析の所要時間は８分１９秒であった。従って、従来の（第１の方法）と比較して約３５％の計算時間短縮となった。
【００４４】
次に、本実施の形態の熱流体解析プログラムを実行した解析結果を、従来の（第１の方法）で解析した結果と比較してグラフにして示す。図６，７は、解析経過時間２分後の気体２０の温度分布の概略を図２のＡ−Ａ断面について示したものである。図６は、本実施の形態の熱解析プログラムで解析した結果である。一方、図７は、従来の（第１の方法）で解析した結果である。
【００４５】
図６，７において、それぞれの領域の温度範囲は以下の通りである。領域Ｆ１，Ｇ１はバーナ１３の吹き出し口の近傍であり、１５００〜１６００℃と最も高温となっている。領域Ｆ２，Ｇ２は１４００〜１５００℃であり、領域Ｆ３，Ｇ３は１３００〜１４００℃である。領域Ｆ４，Ｇ４，Ｆ１１，Ｇ１１は１２００〜１３００℃、領域Ｆ５，Ｇ５，Ｆ１２，Ｇ１２は１１００〜１２００℃、領域Ｆ６，Ｇ６，Ｆ１３，Ｇ１３は１０００〜１１００℃、領域Ｆ７，Ｇ７，Ｆ１４，Ｇ１４は９００〜１０００℃である。それ以外の領域は、９００℃以下となっている。図６，７に示すように、いくらかの差はあるものの全体としてはよく似た分布になっていることが分かる。
【００４６】
さらに、解析経過時間３０分後の気体２０の温度分布を解析した結果について、グループ化した場合と合わせて図８，９のグラフに示す。図８，９では、図２のＡ−Ａ断面で炉壁１０の左右の内側面２１から内側へ１００ｍｍの位置における温度分布を示している。横軸は、燃焼炉１の上端からの距離であり、図中左が燃焼炉１の上部、図中右が燃焼炉１の下部に相当する。縦軸は気体２０の温度である。図８は図２中で右側の解析点についての結果であり、バーナ１３の吹き出し口に当たる燃焼炉１の下部に温度の特に高い部分がある。図９は図２中で左側の解析点についての結果であり、比較的なだらかな温度分布を示す。
【００４７】
図８，９において、実線Ｌ１，Ｌ４は、従来の（第１の方法）による解析結果である。そして、破線Ｌ２，Ｌ５は、グループ化せずに炉壁１０の内側面２１を２００個の微小体積要素２２に分割して解析した結果である。また、一点鎖線Ｌ３，Ｌ６は、微小体積要素２２を１０個ずつグループ化して解析した結果である。いずれも、その差は大きいところで２０〜３０℃程度であり、十分に実用となることが分かった。
【００４８】
ところで、本実施の形態の熱流体解析プログラムを実行するにあたっては、炉壁１０の温度伝導率や比熱等の物性値、および炉壁１０の厚さ等の燃焼炉１についての各種のデータが必要となる。これらの数値はある程度予め用意できるので、データベース化しておき、使用者の使い勝手を向上させることができる。例えば、炉壁１０の形状や物性値は、燃焼炉１の名称や材質名とともにデータとしてコンピュータに記憶させておき、解析実行前にその名称を一覧表として表示画面に表示させる。この熱流体解析プログラムを実行する使用者は、解析する燃焼炉１の名称や材質名を一覧表から選択して入力する。その入力に従って、コンピュータは記憶している各物性値を読み出して解析に使用する。コンピュータにこれらの動作をさせることで、記憶手段および指定手段として機能させる。
【００４９】
このようにすれば、解析実行のたびに１つ１つの物性値を入力する必要はなく、また、同じ形状であれば３次元ＣＡＤを操作したり、微小体積要素を作成したりする必要もない。従って、専門知識がない使用者でも容易に使用できる。データベースに記憶されていない形状の燃焼炉１を解析する場合や、あるいは、記憶されていない材質を使用する場合は、それぞれの物性値等のデータを入力することで、新たにデータベースに加えることができる。
【００５０】
次に，さらに別の解析実行例を説明する。この例は，図１０に示した交番燃焼炉２について解析したものである。交番燃焼炉２は，図１に示した燃焼炉１と同様の形状であるが，排気口１４に代えて第２バーナ１６が設けられている。第１バーナ１３と第２バーナ１６とは同様の構成である。各バーナはそれぞれ，供給する燃料を調整することで，パイロット燃焼のみの休止期間とメインバーナが燃焼する燃焼期間とを設けることができる。
【００５１】
この交番燃焼炉２は，炉内が十分に加熱され均熱状態に達すると，炉内温度を保持するために例えば図１１に示すような燃焼パターンで周期的に交番燃焼させるものである。すなわち，１５秒間隔でＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの４期間を順に繰り返すのである。ここで，Ａ期間は，第１バーナ１３が燃焼期間で第２バーナ１４が休止期間である。Ｂ期間は，両バーナ１３，１４が休止期間である。Ｃ期間は，第１バーナ１３が休止期間で第２バーナ１４が燃焼期間である。Ｄ期間は，両バーナ１３，１４が休止期間である。
【００５２】
この交番燃焼炉２の炉内伝熱解析を，本実施の形態の熱流体解析プログラムによって解析した結果を図１２に示す。前記の例と同様に炉壁１０のうち，気体２０に接している炉内側の内側面をｘ＝０とし，内側面に垂直な方向にｘ軸，内側面に平行な方向にｙ軸およびｚ軸を配置した。図１２において，実線Ｍ１は，図１１に示した燃焼パターンのうち，Ｃ期間の終期における炉壁内部各位置における温度分布を解析した結果である。破線Ｍ２は，図１１に示した燃焼パターンのうち，Ｄ期間の終期における炉壁内部各位置における温度分布を解析した結果である。燃焼状態が変化することにより，炉壁のうち内側面に近い部分の温度分布のみが変化することがよくわかる結果が得られた。
【００５３】
一方，この交番燃焼炉２の炉内伝熱解析を，従来の３次元熱伝導解析方法で行うとすると，必要となる記憶容量が膨大となり，所要時間も現実的でないものとなる。そこで，本実施の形態で設定したメッシュ数の１／５０程度のメッシュ数で，従来の３次元熱伝導解析方法を実施した。この程度のメッシュ数であれば，実用的なレベルで実施できるからである。その解析結果を図１３に示す。図１３は，従来手法によって，図１のＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ各燃焼パターンにおける定常計算を行い，各パターンの炉壁内部温度を平均して求めた温度分布である。
【００５４】
図１３に示すように，この従来の方法では，炉壁内部の温度分布が非線形的に変化したものとなった。炉壁の材質は均一であるので，このような温度分布は生じないはずである。このような結果となった理由としては，メッシュ数を減らしたためであると考えられる。すなわち，実用レベルのメッシュ数に減らせばその影響で不本意な結果となり，より正確な温度分布を算出するためには現実的でない計算時間を要することとなる。このため，このような交番燃焼炉２の解析には，従来の手法は使用できないことが分かった。これに対して，本実施の形態の方法によれば，現実的な計算時間でより現実的な結果が得られたこととなり，実用的であるといえる。
【００５５】
以上詳細に説明したように、この実施の形態の熱流体解析プログラムによれば、炉壁１０の内側面２１における境界条件を算出するための壁面条件算出プログラムを有している。この壁面条件算出プログラムは、炉壁１０の厚み方向（ｘ軸方向）への１次元熱伝導と炉壁１０内部の蓄熱量とから、内側面２１における境界条件を数２〜数４によって算出するので、壁面内部の伝熱状態を解析する場合にに比べて計算時間が約２０％短縮された。また、その解析結果は、非定常状態においても十分に実用になるものであった。
【００５６】
さらに、複数の微小体積要素２２をグループ化して中体積要素２３としたので、炉壁１０の内側面２１に関する体積要素の数を減少させることができる。従って、炉壁１０の解析に係る計算時間をさらに短縮することができる。例えば、１０個の微小体積要素２２を１個の中体積要素２３とした場合は、従来に比べて計算時間が約３５％短縮された。
【００５７】
また、コンピュータの記憶装置に炉壁１０の温度伝導率や比熱等の物性値、および炉壁１０の厚さ等の燃焼炉１についての各種のデータを記憶させておき、データベース化したので、使用者は、この熱流体解析プログラムを実行するにあたって、解析する燃焼炉１の名称や材質名を選択するだけでよい。従って、専門知識が不要で、さらに使い勝手のよいものとなった。
【００５８】
尚、この発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で変更して実施することができる。
例えば、上記実施の形態では、１０個の微小体積要素２２を中体積要素２３としたが、１０個に限らず、まとめやすい個数の微小体積要素２２をまとめて中体積要素２３としてもよい。
【００５９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように本発明によれば、専門知識が不要で計算時間が短く、かつ、非定常状態の解析が可能な熱流体解析プログラムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態の熱流体解析プログラムによる解析対象の例である燃焼炉の概略構成を示す外観図である。
【図２】燃焼炉の横断面図である。
【図３】燃焼炉の縦断面図である。
【図４】炉壁を微小体積要素に分割した様子の概略を示す説明図である。
【図５】本実施の形態の熱流体解析プログラムのフローチャート図である。
【図６】本実施の形態の熱解析プログラムで解析した経過時間２分後の気体の温度分布の概略を示した図である。
【図７】従来の（第１の方法）で解析した経過時間２分後の気体の温度分布の概略を示した図である。
【図８】解析経過時間３０分後の気体の温度分布を解析した結果のグラフ図である。
【図９】解析経過時間３０分後の気体の温度分布を解析した結果のグラフ図である。
【図１０】別の解析実行例の対象である交番燃焼炉の概略構成を示す外観図である。
【図１１】交番燃焼炉の燃焼パターンを示す説明図である。
【図１２】交番燃焼炉について本実施の形態の熱解析プログラムで解析した結果の炉壁内部各位置における温度分布を示したグラフ図である。
【図１３】交番燃焼炉について従来の（第１の方法）で解析した結果の炉壁内温度分布を示したグラフ図である。
【符号の説明】
１　　燃焼炉
１０　炉壁
２０　気体
２１　内側面
２２　微小体積要素
２３　中体積要素
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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