(57)【要約】【課題】流体の流速をＸ，Ｙ，Ｚ方向のベクトルに分解し、これらの流速を境界条件として設定することにより、精度よく流体の解析を行う。【解決手段】入力部と、ＣＰＵと、出力部を備え、入力部により、流体の流速、および解析領域内への流体の流入方向をＸ，Ｙ，Ｚ方向の３次元でとらえたときの流体の流入角度を入力し、ＣＰＵにより、入力された流体の流速を、入力された流体の流入角度に基づいて、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向のベクトルに分解してＸ，Ｙ，Ｚ方向の各流速を算出し、これを流体の流入境界条件として設定し、設定した流体の流入境界条件に基づいて流体解析の演算を実行し、演算した結果を出力部から出力させる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ファンを含んだモデルをシミュレーションする流体解析装置であって、
少なくとも流体の流速、および解析領域内への流体の流入方向をＸ，Ｙ，Ｚ方向の３次元でとらえたときの流体の流入角度を入力するための入力部と、
入力部によって入力された流体の流速を、入力部によって入力された流体の流入角度に基づいて、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向のベクトルに分解してＸ，Ｙ，Ｚ方向の各流速を算出し、これを流体の流入境界条件として設定する流速設定処理部と、
流速設定処理部によって設定された流体の流入境界条件に基づいて流体解析の演算を実行する演算処理部と、
演算処理部によって演算された結果を出力する出力部を備えてなる流体解析装置。
【請求項２】
ファンを含んだモデルをシミュレーションする流体解析装置であって、
少なくともファンをモデル化するための位置データ、流体の流量、および解析領域内への流体の流入方向をＸ，Ｙ，Ｚ方向の３次元でとらえたときの流体の流入角度を入力するための入力部と、
入力部によって入力されたファンをモデル化するための位置データからファンによって解析領域内に流入される流体の流入断面積を求め、この流入断面積と入力部によって入力された流体の流量から流体の流速を算出するシミュレーション前処理部と、
シミュレーション前処理部によって算出された流体の流速を、入力部によって入力された流体の流入角度に基づいて、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向のベクトルに分解してＸ，Ｙ，Ｚ方向の各流速を算出し、これを流体の流入境界条件として設定する流速設定処理部と、
流速設定処理部によって設定された流体の流入境界条件に基づいて流体解析の演算を実行する演算処理部と、
演算処理部によって演算された結果を出力する出力部を備えてなる流体解析装置。
【請求項３】
ファンを含んだモデルをシミュレーションする流体解析装置であって、
少なくともファンをモデル化するための位置データ、ファンの静圧、および解析領域内への流体の流入方向をＸ，Ｙ，Ｚ方向の３次元でとらえたときの流体の流入角度を入力するための入力部と、
入力部によって入力されたファンをモデル化するための位置データからファンによって解析領域内に流入される流体の流入断面積を求めるとともに、入力部によって入力されたファンの静圧から流体の流量を求め、この流入断面積と流体の流量から流体の流速を算出するシミュレーション前処理部と、
シミュレーション前処理部によって算出された流体の流速を、入力部によって入力された流体の流入角度に基づいて、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向のベクトルに分解してＸ，Ｙ，Ｚ方向の各流速を算出し、これを流体の流入境界条件として設定する流速設定処理部と、
流速設定処理部によって設定された流体の流入境界条件に基づいて流体解析の演算を実行する演算処理部と、
演算処理部によって演算された結果を出力する出力部を備えてなる流体解析装置。
【請求項４】
ファンの静圧と風量との関係を記憶したファン特性データ記憶部をさらに備え、演算処理部が演算結果として少なくともファンの静圧を出力し、シミュレーション前処理部が、ファン特性データ記憶部に記憶されたファンの静圧と風量との関係に基づいて、演算処理部の演算結果から得られたファンの静圧から風量を取得し、この風量を流体の流量として流体の流速を算出する請求項２または３記載の流体解析装置。
【請求項５】
ファンによって生ずる流体の流速とファンの吹出し角度との関係を記憶したファン風向角度データ記憶部をさらに備え、流速設定処理部が、このファン風向角度データ記憶部に記憶された流体の流速とファンの吹出し角度との関係に基づいて、シミュレーション前処理部で算出された流体の流速からファンの吹出し角度を取得し、このファンの吹出し角度を流体の流入角度としてＸ，Ｙ，Ｚ方向の各流速を算出する請求項２または３記載の流体解析装置。
【請求項６】
入力部によって入力される流体の流入角度がファンの吹出し角度であり、そのファンの吹き出し角度が、第１吹出し角度と第２吹出し角度からなり、第１吹出し角度が、ファンの風速ベクトルをＸ，Ｙ平面に投影したときのＸ軸に対する角度であり、第２吹出し角度が、ファンの風速ベクトルをＸ，Ｚ平面に投影したときのＺ軸に対する角度である請求項１〜３のいずれか１つに記載の流体解析装置。
【請求項７】
流速設定処理部が、ファンによって解析領域内に流入される流体の流入断面を複数の領域に分割し、それぞれの領域におけるＸ，Ｙ，Ｚ方向の各流速を算出する請求項１〜３のいずれか１つに記載の流体解析装置。
【請求項８】
ファンを含んだモデルをシミュレーションする流体解析方法であって、
入力部によって入力された少なくとも流体の流速、および解析領域内への流体の流入方向をＸ，Ｙ，Ｚ方向の３次元でとらえたときの流体の流入角度をメモリーに記憶し、
入力された流体の流速を、入力された流体の流入角度に基づいて、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向のベクトルに分解してＸ，Ｙ，Ｚ方向の各流速を算出し、これを流体の流入境界条件として設定し、
設定した流体の流入境界条件に基づいて流体解析の演算を実行し、その演算した結果を出力することからなる流体解析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ファンを含んだモデルをシミュレーションする流体解析装置及び流体解析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ファンを含んだモデルの流体解析を行う場合、ファンの静圧Ｐと風量Ｑの関係を示したファンのＰＱ特性データから求めた流量を境界条件として設定することにより計算時間を短縮する技術が開示されている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−１０８６４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１では、「ファン動作流量Ｑをファン要素両端のノードＡ，Ｂに境界条件として与える。この場合、ファン吐出し口側には＋Ｑの風量が、吸込み口側には−Ｑの風量が付与される。」ことが示されている。
【０００５】
この時、流速は流量Ｑ／境界条件を設定する面（ファン部分）の面積で求められるが、方向成分を持たないため、境界条件を設定する面に対し垂直方向にのみの流速設定となり、実際にファンが回転した場合の風の流れとは異なるため、シミュレーション結果の精度が悪くなる。
【０００６】
本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、流体の流速をＸ，Ｙ，Ｚ方向のベクトルに分解し、これらの流速を境界条件として設定することにより、精度よく流体の解析を行うことを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、ファンを含んだモデルをシミュレーションする流体解析装置であって、少なくとも流体の流速、および解析領域内への流体の流入方向をＸ，Ｙ，Ｚ方向の３次元でとらえたときの流体の流入角度を入力するための入力部と、入力部によって入力された流体の流速を、入力部によって入力された流体の流入角度に基づいて、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向のベクトルに分解してＸ，Ｙ，Ｚ方向の各流速を算出し、これを流体の流入境界条件として設定する流速設定処理部と、流速設定処理部によって設定された流体の流入境界条件に基づいて流体解析の演算を実行する演算処理部と、演算処理部によって演算された結果を出力する出力部を備えてなる流体解析装置である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、流体の流速をＸ，Ｙ，Ｚ方向のベクトルに分解することでＸ，Ｙ，Ｚ方向の各流速を算出する。このように、ファンが旋回する事により外側へ広がる流体の流れを考慮した流速設定を行うので、現実に近い流体の流れが模擬され、シミュレーションの精度が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明において、流体としては、空気、ガス、イオン、水等の各種の流体を適用することができる。
【００１０】
本発明の流体解析装置は、たとえば、電子機器の発熱防止のために電子機器の筐体に設置された冷却用ファンを用いた放熱設計などに適用することができる。この場合、筐体内における空気の流れを解析する場合には、ファン前面の空気吐出口を流体の流入点とみなし、筐体の空気出口を流体の流出点とみなして解析を行う。筐体に空気出口が設けられておらず、筐体内を空気が循環する場合には、ファン前面の空気吐出口を流体の流入点とみなし、ファン背面の空気吸入口を流体の流出点とみなして解析を行う。
【００１１】
本発明において、入力部は、外部からデータを入力する機能と、出力部によって出力されたデータを自動的にフィードバックして流速設定処理部、または後述するシミュレーション前処理部に入力する機能を有するものである。外部からデータを入力する機能を果たす装置としては、キーボード、マウスなどの各種の入力装置を用いることができる。
【００１２】
入力部によって流体の流速を入力することに代えて、ファンをモデル化するための位置データと、流体の流量を入力するようにしてもよい。この場合には、シミュレーション前処理部を設け、このシミュレーション前処理部により、入力されたファンをモデル化するための位置データからファンによって解析領域内に流入される流体の流入断面積を求め、この流入断面積と入力された流体の流量から流体の流速を算出し、このデータを流速設定処理部に与える。
【００１３】
あるいは、入力部によって流体の流速を入力することに代えて、ファンをモデル化するための位置データと、ファンの静圧を入力するようにしてもよい。この場合にも、シミュレーション前処理部を設け、このシミュレーション前処理部により、入力されたファンをモデル化するための位置データからファンによって解析領域内に流入される流体の流入断面積を求めるとともに、入力されたファンの静圧から流体の流量を求め、この流入断面積と流体の流量から流体の流速を算出し、このデータを流速設定処理部に与える。
【００１４】
シミュレーション前処理部、流速設定処理部、および演算処理部としては、ＣＰＵ、ＲＯＭ，ＲＡＭ，Ｉ／Ｏポートからなる各種のプロセッサを適用することができる。
【００１５】
出力部は、外部にデータを出力する機能と、流速設定処理部、またはシミュレーション前処理部にデータを自動的にフィードバックする機能を有するものである。外部にデータを出力する機能を果たす装置としては、ＣＲＴディスプレイ、液晶ディスプレイなどの各種の表示装置や、各種のプリンターなどを適用することができる。
【００１６】
本発明においては、ファンの静圧と風量との関係を記憶したファン特性データ記憶部を設け、演算処理部により演算結果として少なくともファンの静圧を出力させ、シミュレーション前処理部により、ファン特性データ記憶部に記憶されたファンの静圧と風量との関係に基づいて、演算処理部の演算結果から得られたファンの静圧から風量を取得させ、この風量を流体の流量として流体の流速を算出させる構成とすることが望ましい。
【００１７】
また、ファンによって生ずる流体の流速とファンの吹出し角度との関係を記憶したファン風向角度データ記憶部を設け、流速設定処理部により、このファン風向角度データ記憶部に記憶された流体の流速とファンの吹出し角度との関係に基づいて、算出手段で算出された流体の流速からファンの吹出し角度を取得させ、このファンの吹出し角度を流体の流入角度としてＸ，Ｙ，Ｚ方向の各流速を算出させる構成とすることが望ましい。
【００１８】
流体の流入角度としては、ファンの吹出し角度を入力してもよい。この場合、ファンの吹き出し角度を、第１吹出し角度と第２吹出し角度とで構成し、第１吹出し角度を、ファンの風速ベクトルをＸ，Ｙ平面に投影したときのＸ軸に対する角度とし、第２吹出し角度を、ファンの風速ベクトルをＸ，Ｚ平面に投影したときのＺ軸に対する角度として入力することが望ましい。
【００１９】
また、流速設定処理部により、ファンによって解析領域内に流入される流体の流入断面を複数の領域に分割し、それぞれの領域におけるＸ，Ｙ，Ｚ方向の各流速を算出するようにしてもよい。
【００２０】
本発明は、また、ファンを含んだモデルをシミュレーションする流体解析方法であって、入力部によって少なくとも流体の流速、および解析領域内への流体の流入方向をＸ，Ｙ，Ｚ方向の３次元でとらえたときの流体の流入角度が入力されたときには、これらをメモリーに記憶し、入力された流体の流速を、入力された流体の流入角度に基づいて、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向のベクトルに分解してＸ，Ｙ，Ｚ方向の各流速を算出し、これを流体の流入境界条件として設定し、設定した流体の流入境界条件に基づいて流体解析の演算を実行し、その演算した結果を出力することからなる流体解析方法である。
【００２１】
以下、図面に示す実施の形態に基づいて本発明を詳述する。なお、本発明はこれによって限定されるものではなく、各種の変形が可能である。
【００２２】
図１は本発明による流体解析装置の一実施形態の構成を示すブロック図である。本発明の流体解析装置の概略、構成について、図１を用いて説明する。
流体解析装置１は、流体解析に必要なデータを入力し、解析結果から得た情報を出力する入出力手段２と、入力した情報を処理するデータ処理手段３と、ＣＡＤ形状・材料物性・ファンＰＱ特性・ファン風向角度の各データを蓄積する記憶手段４からなる。
【００２３】
入出力手段２は、キーボードやマウス等からなる入力部２１と、モニター等の表示部２２と、プリンター等の出力部２３からなる。
入力部１からは、解析形状データ、ファンをモデル化するための位置データ、流体の流量、流体の流速、ファンの静圧、解析領域内への流体の流入方向をＸ，Ｙ，Ｚ方向の３次元でとらえたときの流体の流入角度などが入力される。
【００２４】
データ処理手段３は、形状データ処理部３１と、シミュレーション前処理部３２と、流速設定処理部３３と、演算処理部３４と、シミュレーション後処理部３５からなる。
【００２５】
形状データ処理部３１は、入力部２１から入力された解析形状データ、ファンをモデル化するための位置データを取り込む。この解析形状データ、ファンをモデル化するための位置データは、ＣＡＤ形状データベース４１から読み込むようにしてもよい。解析形状データ、ファンをモデル化するための位置データは、入力部２１から修正が可能である。
【００２６】
シミュレーション前処理部３２は、空気の流入出位置や初期温度等の境界条件や物性値を、入力部２１から入力されたデータから読み込んで設定するか、あるいは材料物性データベース４２から読み込んで設定し、メッシュの生成等を行う。
【００２７】
流速設定処理部３３は、角度に基づいて、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向のベクトルに分解してＸ，Ｙ，Ｚ方向の各流速を算出し、これを流体の流入境界条件として設定する。すなわち、ファンＰＱ特性データベース４３とファン風向角度データベース４４から読み込んだデータからファン部分に旋回を考慮した流速の設定を行う。
【００２８】
演算処理部３４は、各メッシュまたはメッシュを構成する節点での静圧、流速、温度等を計算する。
シミュレーション後処理部３５は、シミュレーション結果の出力用データ変換等を行う。
【００２９】
記憶手段４は、ＣＡＤ形状データベース４１と、材料物性データベース４２と、ファンＰＱ特性データベース（ファン特性データ記憶部）４３と、ファン風向角度データベース（ファン風向角度データ記憶部）４４からなる。
【００３０】
ＣＡＤ形状データベース４１には、図８に示すような部品やアセンブリの形状が記憶されている。
材料物性データベース４２には、図９に示すような各材料の密度や比熱、熱伝導率等が記憶されている。
【００３１】
ファンＰＱ特性データベース４３には、図１０に示すようなファンの静圧と風量の関係が記憶されている。
ファン風向角度データベース４４には、図１１に示すようなファンの流速と吹出し角度の関係が記憶されている。
【００３２】
図２は上記流体解析装置１による流体解析方法の内容を示すフローチャートである。
ステップＳ１において、入力部２１から解析形状データの入力、あるいはＣＡＤ形状データベース４１からＣＡＤ形状データの読み込みを行い、形状データ処理部３１で解析形状データを作成する。
【００３３】
ステップＳ２では、材料物性データベース４２から物性値を選択し、流入流出等の境界条件、計算繰り返し回数等の解析条件といった各種条件設定を行う。
ステップＳ３では、メッシュ分割の設定を行い、解析領域内にメッシュを生成する。
【００３４】
ステップＳ４では、図３に示す流入境界条件として流速を設定するファンの領域を（以後ファン領域と記す）の半径寸法：Ｒ１［ｍ］（外半径）、Ｒ２［ｍ］（内半径）を入力部２１から数値入力、あるいはＣＡＤ形状データベース４１から読込む。
【００３５】
ステップＳ５では、ステップＳ４で読込んだＲ１、Ｒ２から流速を設定するファン領域面積：Ａ［ｍ2］を
Ａ＝（Ｒ１2−Ｒ２2）×π  …  （式１）
により算出する。
【００３６】
ステップＳ６で、ファン流量：Ｑ［ｍ3／ｓｅｃ］を数値入力、あるいはファンのＰＱ特性が保存されたファンＰＱ特性データベース４３から読込む。
ステップＳ７で、ファン領域面積：Ａとファン流量：Ｑからファン流速：Ｖ［ｍ／ｓｅｃ］を
Ｖ＝Ｑ／Ａ  …  （式２）
により算出する。
流入境界条件として、ファン流速：Ｖが固定されている場合は、ステップＳ７の処理は省略される。これらがシミュレーション前処理部３２での処理となる。
【００３７】
次に、ステップＳ８では、図５に示す吹出し角度：θ１［°］、及び図６に示す吹出し角度：θ２［°］を数値入力、あるいは風速風向測定実験やファンをモデル化しスライディングメッシュ手法等を利用し、実際にファンの回転を模擬したシミュレーション結果から得られた風向のデータが保存されたファン風向角度データベース４４から読込む処理を行う。ここでθ１はファン近傍の流速ベクトルをＸ，Ｙ平面に投影した時のＸ軸に対する角度、θ２はファン近傍の流速ベクトルをＸ，Ｚ平面に投影した時のＺ軸に対する角度である。
【００３８】
ステップＳ９では、メッシュの中心座標がファン領域内かを判定し、ファン領域内であれば図７に示す角度：θ３［°］を算出する。ここでθ３はＸ，Ｙ平面でのＹ軸に対する要素の中心座標角度である。
【００３９】
ステップＳ１０では、ファン流速：ＶをＸ，Ｙ，Ｚ方向にベクトル分解し、各方向の流速ＶＸ［ｍ／ｓｅｃ］、ＶＹ［ｍ／ｓｅｃ］、ＶＺ［ｍ／ｓｅｃ］を
ＶＸ＝Ｖ×ＴＡＮ（θ２）×ＣＯＳ（θ１−θ３）  …  （式３）
ＶＹ＝Ｖ×ＴＡＮ（θ２）×ＳＩＮ（θ１−θ３）  …  （式４）
ＶＺ＝Ｖ  …  （式５）
により算出し、流入境界条件として設定する。ステップＳ８からステップＳ１０が流速設定処理部３３の処理となる。
【００４０】
ファンの形状によってはファンの内側と外側で流速及び吹出し角度が違う場合があるが、その場合はファン領域を複数設定し、それぞれの領域でのファン風向角度データから各方向の流速を算出し設定することでより現実に近い風の流れが模擬される。
【００４１】
図４はファン領域を２つの領域に分けた場合の説明図である。図４のファン領域Ｂ、ファン領域Ｃを図３のファン領域Ａに、図４の外半径ＲＢ１、ＲＣ１を図３の外半径Ｒ１に、図４の内半径ＲＢ２、ＲＣ２を図３の内半径Ｒ２に置き換えることで、それぞれのファン領域Ｂ，Ｃで、前述した流速算出方法から流速を求め、境界条件として設定する。
ステップＳ１１において、前述のステップで設定された解析条件より、演算処理部３４を用いて流体解析の演算を実行する（シミュレーション実行）。
【００４２】
ステップＳ１２にて、シミュレーション結果の収束判定を行い、未収束であればＳ６からＳ１２の処理を再度実行する。
【００４３】
ステップＳ６におけるファン流量は、最初の演算時には適当な初期値を入力部２１から入力するが、２回目以降の演算の際には、ステップＳ１１のシミュレーションの実行によって得られた静圧から風量を取得することもできる。この取得は、ファンＰＱ特性データベース４３を参照することにより行う。
【００４４】
また、ステップ１２における吹出し角度は、最初の演算時には適当な初期値を入力部２１から入力するが、２回目以降の演算の際には、ステップＳ７で得られたファン流速からファン吹出し角度を取得することもできる。この取得は、ファン風向角度データベース４４を参照することにより行う。
【００４５】
ステップＳ１２にて、収束あるいはＳ２で設定された計算繰り返し回数に達していればＳ１３に進み、シミュレーション後処理部３５で結果表示用データ変換等を行い、表示部２２および出力部２３へ結果を出力する。
【００４６】
このようにして、ファンＰＱ特性データから得た流量と流速設定を行うファン部分の面の面積から流速（流量／面積）を求める。次に風向測定実験や、ファンをモデル化しスライディングメッシュ手法によるシミュレーション等を利用し、実際にファンの回転を模擬したシミュレーション結果から風向を確認し、その角度を入力する事で流速をＸ，Ｙ，Ｚ方向にベクトル分解する。ベクトル分解した流速を境界条件として設定することにより、ファンの旋回を考慮した風向が模擬され、短時間で精度よく解析を行う事が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明の流体解析装置は、たとえば、電子機器の発熱防止のために電子機器の筐体に設置された冷却用ファンを用いた放熱設計や、冷蔵庫など電気機器の熱設計などに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明による流体解析装置の一実施形態の構成を示すブロック図。
【図２】流体解析装置による流体解析方法の内容を示すフローチャート。
【図３】ファン領域を示す説明図。
【図４】ファン領域を複数の領域に分けた場合を示す説明図。
【図５】平面状態の吹出し角度（θ１）を示す説明図。
【図６】側面状態の吹出し角度（θ２）を示す説明図。
【図７】要素中心座標角度（θ３）を示す説明図。
【図８】ＣＡＤ形状データベースに記憶された内容を示す説明図。
【図９】材料物性データベースに記憶された内容を示す説明図。
【図１０】ファンＰＱ特性データベースに記憶された内容を示す説明図。
【図１１】ファン風向角度データベースに記憶された内容を示す説明図。
【符号の説明】
【００４９】
１  流体解析装置
２  入出力手段
３  データ処理手段
４  記憶手段
２１  入力部
２２  表示部
２３  出力部
３１  形状データ処理部
３２  シミュレーション前処理部
３３  流速設定処理部
３４  演算処理部
３５  シミュレーション後処理部
４１  ＣＡＤ形状データベース
４２  材料物性データベース
４３  ファンＰＱ特性データベース
４４  ファン風向角度データベース
【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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