(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物に対する遮蔽板の影響をシミュレーションする数値シミュレーション方法であって、
少なくとも流体の流入流速を含む初期条件を記憶する記憶手段と、
前記遮蔽板が配置される場の前記流体の流れを乱流解析する解析手段と、
前記解析手段によって、解析された前記流体の流入位置からの流れの様子を出力する出力手段とを備え、
前記解析手段は、前記遮蔽板を所与の透過率を有する無限に薄い仮想板として解析し、
前記所与の透過率は、前記遮蔽板の計算領域全体における流体に対する空隙の面積割合であり、
前記解析手段は、差分計算の時間進行後の前記流体の速度がゼロとなるような仮想流体力を基礎式に加え、
前記仮想流体力は、前記遮蔽板が全て空隙の場合はゼロであり、前記遮蔽板に空隙が存在する場合の仮想流体力は面積割合に関する線形補間値であることを特徴とする数値シミュレーション方法。
【請求項２】
請求項１に記載の数値シミュレーション方法において、
前記解析手段は、直交格子法を用いて解析され、等間隔に配置した計算格子を用いることを特徴とする数値シミュレーション方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体の数値シミュレーション方法に関し、特に、対象物への流体の影響を軽減する遮蔽板の効果を解析する流体の数値シミュレーション方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、強風時の車両の走行安全性を実現するために、道路や線路上を走行する自動車や鉄道車両の横風に対する空力特性を把握することが必要であり、この空力特性は、一般的に車両周辺の構造物の影響を受けることが知られており、その詳細を調べるために車両周辺の構造物により変化を受ける横風の風速分布を把握することが行われている。
【０００３】
一般的に、横風に起因する主な現象は、自動車では横転，鉄道車両では脱線や転覆などが挙げられ，いずれも大事故を引き起こす恐れがあるため、これを防止するために防風柵などの遮蔽板が道路や線路近傍に設置されている。風荷重を低減するために、防風柵及び遮蔽板は、格子状にしたり空隙を開けたりして、単位面積あたりの空隙率を０以上にしている。
【０００４】
また、このような線路構造物や防風壁などの遮蔽板による風速分布を調べる方法は種々の方法が知られており、例えば、特許文献１に記載された防風壁の高さの設計方法は、飛散塵埃発生箇所周囲の３次元的局所風速と塵埃飛散計算とをコンピュータを用いた障害物を含む３次元物理領域内の流体解析装置を用いて一貫して行うという構成を備えている。
【０００５】
このようなシミュレーション方法によれば、局所の風速予測を風洞実験で行うことなく、コンピュータを用いたシミュレーションによって解析することができるので、多くの手間とコストを削減することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２９３３２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、従来のシミュレーション方法では、遮蔽板が網状、格子状又は柵状といった空隙を有する形状である場合、空隙を有する遮蔽板周囲の非定常流れ場の数値シュミレーションとしては、遮蔽板の影響を乱流モデルに取り込んだラージエディシミュレーション（Ｌａｒｇｅ  Ｅｄｄｙ  Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ＬＥＳ）や、ｋ−ε乱流モデルを用いた数値シミュレーションによる計算方法が行われていたが、この遮蔽板の詳細な形状を計算格子で解析することは、空隙の詳細を解析するために該空隙よりも細かい計算格子を作成して解析を行う必要があり、コンピュータの計算能力の向上を考慮しても、コンピュータに対する負荷が大きく、これを実現することは難しいという問題があった。
【０００８】
そこで、本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、横風などの流体の流れが遮蔽板によって自動車や鉄道車両などの対象物にどのような影響を与えるかを解析するために、遮蔽板の詳細形状を計算格子で再現することなくコンピュータの計算負荷を低減させると共に、遮蔽板による減風効果を簡便に模擬できる数値シミュレーション方法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】
【０００９】
本発明に係る数値シミュレーション方法は、対象物に対する遮蔽板の影響をシミュレーションする数値シミュレーション方法であって、少なくとも流体の流入流速を含む初期条件を記憶する記憶手段と、前記遮蔽板が配置される場の前記流体の流れを乱流解析する解析手段と、前記解析手段によって、解析された前記流体の流入位置からの流れの様子を出力する出力手段とを備え、前記解析手段は、前記遮蔽板を所与の透過率を有する無限に薄い仮想板として解析し、前記所与の透過率は、前記遮蔽板の計算領域全体における流体に対する空隙の面積割合であり、前記解析手段は、差分計算の時間進行後の前記流体の速度がゼロとなるような仮想流体力を基礎式に加え、前記仮想流体力は、前記遮蔽板が全て空隙の場合はゼロであり、前記遮蔽板に空隙が存在する場合の仮想流体力は面積割合に関する線形補間値であることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る数値シミュレーション方法において、前記解析手段は、直交格子法を用いて解析され、等間隔に配置した計算格子を用いると好適である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る数値シミュレーション方法によれば、遮蔽板の詳細な形状を計算格子で再現することなく、所与の透過率を有する無限に薄い仮想板として解析するので、コンピュータの計算負荷を低減して解析を容易に行うことができると共に、遮蔽板による減風効果を簡便に模擬することができる数値シミュレーション方法を構築することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態に数値シミュレーション方法のフロー図。
【図２】本発明の実施形態に係る数値シミュレーション方法の解析結果（α＝０．６）。
【図３】本発明の実施形態に係る数値シミュレーション方法の解析結果のうち、主流方向の平均速度分布（α＝０．６、防風柵の幅方向中心断面）を示す図。
【図４】本発明の実施形態に係る数値シミュレーション方法の解析結果のうち、主流方向の平均速度分布（防風柵モデル中心軸の主流方向分布）を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための好適な実施形態について、図面を用いて説明する。なお、以下の実施形態は、各請求項に係る発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００１６】
図１は、本発明の実施形態に数値シミュレーション方法のフロー図であり、図２は、本発明の実施形態に係る数値シミュレーション方法の解析結果（α＝０．６）であり、図３は、本発明の実施形態に係る数値シミュレーション方法の解析結果のうち、主流方向の平均速度分布（α＝０．６、防風柵の幅方向中心断面）を示す図であり、図４は、本発明の実施形態に係る数値シミュレーション方法の解析結果のうち、主流方向の平均速度分布（防風柵モデル中心軸の主流方向分布）を示すグラフである。
【００１７】
図１に示すように、本実施形態に係る数値シミュレーション方法は、少なくとも流体の流入流速を含む初期条件を記憶する記憶手段Ｓ１０１と、前記遮蔽板２０が配置される場の前記流体の流れを乱流解析する解析手段Ｓ１０２と、前記解析手段Ｓ１０２によって、解析された前記流体の流入位置からの流れの様子を出力する出力手段Ｓ１０３とを備えている。
【００１８】
解析手段Ｓ１０２では、まず、遮蔽板２０の面積全体に対する遮蔽体の面積割合αを遮蔽板２０に相当する領域全体に分布させて遮蔽板２０を表現する。面積割合αは、流体が全て透過する場合はα＝０，全て遮蔽される場合はα＝１とし、遮蔽板に空隙が存在する場合にはα＝０〜１の任意の数値に設定される。即ち、遮蔽板２０は、所定割合（１−α）で流体が透過する無限に薄い仮想的な板又は膜であるとする計算モデルによって解析を行う。
【００１９】
そして、速度ゼロの境界条件として遮蔽体部分を流体計算に導入するのではなく、差分計算の時間進行後の速度がゼロとなるような仮想流体力を基礎式に加えることで、流体中の遮蔽体の効果を計算に導入する。この仮想流体力は遮蔽板が全て空隙（α＝０）の場合はゼロであり、遮蔽板に空隙が存在する場合の仮想流体力は面積割合（１−α）に関する線形補間値とする。なお、解析手段Ｓ１０２での解析は、等間隔に配置した計算格子を用いた直交格子法を用いると好適である。
【００２０】
このように、本実施形態に係る数値シミュレーション方法によれば、遮蔽板２０を無限に薄い仮想的な板であるとする計算モデルによって解析を行うので、遮蔽板２０の詳細な形状を計算格子で計算するための計算格子を細かく設定する必要がなく、遮蔽板２０の減風効果を簡便に模擬することができる。これにより流入する流体が対象物に与える影響を簡便に解析することが可能となる。
【実施例】
【００２１】
次に、本実施形態に係る数値シミュレーション方法の計算方法について、遮蔽板２０の数値計算モデルによる計算例を用いて説明を行う。計算領域は、主流方向が９ｍ，高さ方向が３ｍ，幅方向が５ｍとし、流入境界面から３ｍ下流の床面に遮蔽板２０を設置した。遮蔽板２０は、高さが０．５ｍ，幅０．８ｍに設定した。
【００２２】
計算格子は、０．０１ｍの等間隔格子とし、流入風速は１０ｍ／ｓとし、ＬＥＳ（サブグリッドスケールモデル：コヒーレント構造スマゴリンスキーモデル）による乱流解析を行った。なお、遮蔽板２０の数値計算モデルのパラメータである面積割合αは、遮蔽板２０の位置ではα＝０〜１の任意の値を一様に分布させ、その他の領域を面積割合α＝０として計算を行った。
【００２３】
図２は、面積割合α＝０．６としたときの流れの解析結果であり、遮蔽板２０を過ぎる流れを定性的に再現する渦構造が観察される。図３は、遮蔽板２０の幅方向中心断面について時間平均の主流方向速度分布を示した解析結果であり、遮蔽板２０を通過する流れは、逆流領域を含み風速が低減されていることが観察される。このように、遮蔽板２０の減風効果を解析結果から確認することができるので、遮蔽板２０の下流に位置する対象物に対する横風の影響をシミュレートすることができることが確認できた。
【００２４】
次に、図４に示すように、面積割合αをα＝０．１〜０．８のいくつかの値について計算した結果をまとめて検討すると、面積割合αの増大とともに、風速の低減量が大きくなる様子が確認でき、また面積割合αが小さい場合は、遮蔽板２０の下流側の長い距離にわたって風速低減効果が見られることが確認できる。
【００２５】
このように、面積割合αの値を調整することによって、種々の遮蔽板２０を通過する流体の流れを計算することができる。なお、面積割合αの物理的な意味は、一定の空間における固定の占める割合なので、実際の遮蔽板２０では、その所与の透過率の値を参考に設定すると好適である。
【００２６】
本実施形態に係る数値シミュレーション方法では、まず風洞実験によって遮蔽板を通過する風速測定値を得ることで、その風速測定値を実現する面積割合αを数値シミュレーションによって決定することで、実際の遮蔽板への適用が可能となる。
【００２７】
以上説明した本実施形態に係る数値シミュレーション方法は、遮蔽板の詳細な形状を計算格子で再現することなく、所与の透過率を有する無限に薄い仮想板として解析するので、コンピュータの計算負荷を低減して解析を容易に行うことができると共に、遮蔽板による減風効果を簡便に模擬することができる数値シミュレーション方法を構築することができる。
【００２８】
なお、本実施形態に係る数値シミュレーション方法は、これらのデータ処理をコンピュータで行うことができるようなプログラムを実行すると、データ処理の自動化を図ることができる。また、本実施形態における数値シミュレーション方法は、鉄道車両に与える横風の影響を解析する場合に用いる場合について説明を行ったが、例えば道路を走行する自動車に対する防風柵の影響を解析するために用いることも可能である。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれうることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【符号の説明】
【００２９】
２０  遮蔽板，    Ｓ１０１  記憶手段，    Ｓ１０２  解析手段，    Ｓ１０３  出力手段。
【図１】
0006424113.tif 000002
【図２】
0006424113.tif 000003
【図３】
0006424113.tif 000004
【図４】
0006424113.tif 000005