(57)【要約】  【課題】既存の空力解析用のメッシュモデルを用いて、天空放射を計算に入れた熱流れ解析を行うことができるようにする。  【解決手段】既存の空力解析用のメッシュモデルの計算空間Ａに解析対象となる車両１０２の形状モデルを対応付けして設定すると共に、計算空間Ａの上空と左右の壁面境界層１０３，１０４Ｌ．１０４Ｒをノースリップ条件として、入口速度と同一の移動速度Ｓを設定すると共に、天空放射に相当する温度及び熱流束から成る熱境界条件を設定する。こうすることで、壁面境界層１０３，１０４Ｌ．１０４Ｒの各計算格子毎に熱境界条件を設定する必要がなくなり、既存の空力解析用のメッシュモデルを用いて、天空放射を計算に入れた熱流れ解析を行うことができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
解析対象物の形状モデルに対する熱流れ解析を行うために、該解析対象物の形状モデルを設置する流れ場の計算空間を設定し、該計算空間に設定する各設定条件に基づいて上記解析対象物の熱流れ解析を行う熱流体解析支援装置において、
上記計算空間に上記解析対象物の環境条件を設定し、
上記計算空間の上空側壁面境界層及び左右壁面境界層をノースリップ条件とすると共に、
上記各壁面境界層に天空放射に相当する熱境界条件を設定する
ことを特徴とする熱流体解析支援装置。
【請求項２】
上記環境条件の１つは上記計算空間の入口側に設定する入口速度であり、
上記上空側壁面境界層及び上記左右壁面境界層に上記入口速度と等しい移動速度を設定する
ことを特徴とする請求項１記載の熱流体解析支援装置。
【請求項３】
上記上空側壁面境界層を上記左右壁面境界層側に湾曲形成したことを特徴とする請求項１或いは２記載の熱流体解析支援装置。
【請求項４】
上記計算空間は上記左右壁面境界層に連続する地面境界層を有し、
上記地面境界層上に速度境界層を設定すると共に、
上記速度境界層をフリースリップ条件とする
ことを特徴とする熱流体解析支援装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、天空放射を計算に入れた熱流れ解析を行う熱流体解析支援装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば走行中における車両の室内やエンジンルーム内の冷却性能及び熱害状況をコンピュータ上の熱流れ解析によって予測、評価する技術として、数値流体力学（CFD：Computational Fluid Dynamics）を用いた流体解析システム（ＣＦＤ解析システム）が知られている。例えば特開２０００３−１７８０９９号公報には、計算メッシュ、環境条件等、解析に必要なデータを入力すると、設計領域内のメッシュの各計算セルの流れ解析を行い、予め設定した領域内の流動抵抗を最も低減させる物体形状を求める技術が開示されている。
【０００３】
ところで、車両の室内やエンジンルーム内の熱環境をＣＦＤ解析するに際しては、熱環境として最も過酷な夏季高温状態を想定した計算を行うことが好ましい。夏季高温状態における数値シュミレーションは、天空放射（大気中の空気分子やその他の微粒物質によって散乱され、天空全体からの熱放射となって地表に到達する熱放射）を考慮する必要がある。
【０００４】
エンジンルーム内の熱環境をＣＦＤ解析するために、天空放射を考慮した熱流れ解析を行うに際し、市販の空力解析用のメッシュモデルを用いて行う場合がある。空力解析用のメッシュモデルは、対象とする領域を空間的、時間的に有限の大きさを有するメッシュモデルに近似させてＣＦＤ解析するものである。
【０００５】
図１１に空力解析用のメッシュモデルの概略図を示す。同図においては、車両１０２の形状モデルを対応付けした直方体の流れ場を有する計算空間Ａを生成し、この計算空間Ａに、車両１０２の環境条件を設定する。環境条件は、例えば、計算空間Ａの入口側に入口速度（車速に相当する値）、出口側に出口圧を設定することで行う。計算空間Ａは計算格子（例えば、境界適合格子(BFC)）で構成されており、各計算格子の流れをシミュレーションすることで、車両１０２の室内やエンジンルーム内の熱流れ解析を行う。
【特許文献１】特開２０００３−１７８０９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、エンジンルーム内の熱環境をＣＦＤ解析する場合、計算空間Ａの領域が狭いため壁面境界層ａ’をフリースリップ条件とし、この壁面境界層ａ’に天空放射条件を入力する必要がある。しかし、壁面境界層ａ’をフリースリップ条件とした場合、壁面境界層ａ’を生成する計算格子毎に、熱境界条件を設定して流体の移動を計算しなければならないので、計算が複雑化してしまう。
【０００７】
これに対処するに、図１２に示すように、壁面境界層ａ’をノースリップ条件とすることのできる位置まで拡大することで、解析することも考えられるが、、壁面境界層ａ’を拡大した分、計算領域が拡大されるため、計算格子数が大幅に増大し、計算時間が長くなる不都合がある。
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑み、壁面境界層の計算格子毎に熱境界条件を設定することなく、既存の空力解析用のメッシュモデルを用いて、天空放射を計算に入れた熱流れ解析を行うことのできる熱流体解析支援装置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】
上記目的を達成するため本発明は、解析対象物の形状モデルに対する熱流れ解析を行うために、該解析対象物の形状モデルを設置する流れ場の計算空間を設定し、該計算空間に設定する各設定条件に基づいて上記解析対象物の熱流れ解析を行う熱流体解析支援装置において、上記計算空間に上記解析対象物の環境条件を設定し、上記計算空間の上空側壁面境界層及び左右壁面境界層をノースリップ条件とすると共に、上記各壁面境界層に天空放射に相当する熱境界条件を設定することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、壁面境界層の計算格子毎に熱境界条件を設定することなく、既存の空力解析用のメッシュモデルを用いて、天空放射を計算に入れた熱流れ解析を行うことができる等の効果を奏することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面に基づいて本発明の一形態を説明する。図１〜図６に本発明の第１形態を示す。図１は熱流体解析支援装置の機能ブロック図である。
【００１２】
熱流体解析支援装置１は、ＲＯＭ，ＲＡＭ等のメモリ及びＣＰＵを有するマイクロコンピュータ等のコンピュータで構成されており、後述する各処理部１１，１２，１４の機能を実現するためのプログラムをメモリにロードして実行することにより熱流れ解析処理が実行される。
【００１３】
図１に示すように、熱流体解析支援装置１は、入力側にキーボード、マウス等を含む入力装置２が接続され、出力側に液晶モニタ等の表示装置３が接続されている。又、熱流体解析支援装置１は、解析モデル設定処理部１１、モデル解析処理部１２、解析モデルデータベース１３、及び表示処理部１４を備えている。
【００１４】
解析モデル設定処理部１１は、予め空力解析用のメッシュソフトを用いて生成した直方体状の流れ場を有する計算空間（解析モデル）Ａに、解析対象物である車両（以下「対象車両」と称する）１０２の形状モデルが対応付けして設定されている。尚、計算空間Ａは計算格子（例えば、境界適合格子(BFC)）で構成されている。又、対象車両１０２の形状モデルデータは、設計者自身が作成し、或いは予め作成されているＣＡＤデータ等に基づいて自動作成されたものであり、入力装置２を介して入力し、或いは図示しないＬＡＮ等の通信手段を介して外部記憶装置（図示せず）から読込まれる。
【００１５】
モデル解析処理部１２は、解析モデル設定処理部１１で対象車両１０２との対応付けが行われた解析モデルを用い、入力された境界条件等の解析条件に従って、対象車両１０２の室内内やエンジンルーム内の温度分布を求める熱流れ解析を実行する。尚、モデル解析処理部１２で実行される熱流れ解析処理については後述する。
【００１６】
解析モデルデータベース１３は、解析モデルを記録するデータベースであり、ハードディスク装置や光磁気ディスク装置、フラッシュメモリ等の書き込み可能な不揮発性記録媒体で構成されている。解析モデル設定処理部１１は、解析モデルデータベース１３から未設定の解析モデルを読込み、解析モデルの構成要素に対して、対象車両１０２の構成要素との対応付けを行い、解析モデルデータベース１３へ再度記録する。モデル解析処理部１２は、解析モデルデータベース１３に記録された、解析モデル設定処理部１１での設定済の解析モデルを取得して熱流れ解析を行う。
【００１７】
表示処理部１４は、熱流れ解析処理を実行している際の制御画像や作業画像等の表示画像を表示装置３へ出力する。尚、制御画像には、解析モデル設定処理部１１で実行可能な設定機能のメニュー表示部と、モデル解析処理部１２で実行可能な解析機能のメニュー表示部とが含まれる。作業画像には、各メニュー表示部において選択された内容の条件設定画像を作成して表示する。表示処理部１４は、モデル解析処理部１２で実行した熱流れ解析により取得した計算空間Ａ、及び対象車両１０２の車室内或いはエンジンルーム内の温度分布を温度毎に色分けして表示装置３に表示させる。
【００１８】
尚、解析モデル設定処理部１１、モデル解析処理部１２、表示処理部１４は、コンピュータによって処理される必要はなく、それぞれ専用のハードウェアにより実現されるものであってもよい。
【００１９】
上述したモデル解析処理部１２で実行される熱流れ解析は、具体的には、図２に示す熱流れ解析ルーチンに従って処理される。
【００２０】
このルーチンでは、先ず、ステップＳ１で、解析モデル設定処理部１１で対象車両１０２との対応付けが行われた解析モデルを読込む。図３〜図５に示すように、解析モデルは地面境界層１０１と、上空側及び左右に設定された天空境界層１０３，１０４Ｌ，１０４Ｒとで区画された計算空間Ａを有し、この計算空間Ａ内が計算適合格子(BFC)等の計算格子で構成されている。尚、各境界層１０１，１０３，１０４Ｌ，１０４Ｒはノースリップ条件に設定されている。
【００２１】
更に、計算空間Ａに対象車両１０２の形状モデルデータが入力されている。尚、本形態では左右の壁面境界層も天空境界層１０４Ｌ，１０４Ｒと見なすことで、より高い解析精度を得ることができるようにしている。
【００２２】
次いで、ステップＳ２で、対象車両１０２の環境条件を設定する。環境条件は、例えば計算領域Ａの入口側の境界層に入口速度を設定し、出口側の境界層に出口圧を設定することで代用する。
【００２３】
その後、ステップＳ３へ進み、上空側天空境界層１０３に熱境界条件を設定する。熱境界条件は、天空放射に相当する温度及び熱流束である。天空放射は天空全体からの熱放射であるため、上空側天空境界層１０３に対してほぼ均一に設定することができる。尚、この温度、及び熱流束として、例えば夏季の典型的な夏日における日中の平均温度、及び平均熱流束を設定することで、熱環境として最も過酷な夏季高温時の熱流れ解析を行うことができる。
【００２４】
この場合、上空側天空境界層１０３に設定した熱境界条件を左右天空境界層１０４Ｌ，１０４Ｒにも設定する。左右天空境界層１０４Ｌ，１０４Ｒにも熱環境条件を設定することで、対象車両１０２に対する天空放射をほぼ均一化させることができ、より高い解析精度を得ることができる。但し、左右天空境界層１０４Ｌ，１０４Ｒに対しては異なる熱境界条件を設定するようにしても良い。
【００２５】
次いで、ステップＳ４で、各天空境界層１０３、１０４Ｌ，１０４Ｒに移動速度Ｓを設定する。この移動速度Ｓは入口速度と方向及び速度が同一である。従って、ステップＳ２で入口速度を設定したとき、同時に、移動速度Ｓを設定することができる。ステップＳ２で移動速度Ｓが自動的に設定される場合、このステップＳ４を省略することができる。この場合、入口速度（移動速度Ｓ）が対象車両１０２の車速に相当する逆方向への速度であるため、対象車両１０２の車速は相対的に０となり、計算を簡素化することができる。
【００２６】
天空放射は天空全体からのほぼ均一な熱放射であるため、車両の移動に際しては、天空全体が逆方向へ均一に相対移動すると考えることができる。従って、各天空境界層１０３、１０４Ｌ，１０４Ｒを対象車両１０２の車速と逆方向へ移動速度Ｓで相対移動させることで、実車状態とほぼ同一の熱環境、すなわち、空気の移動速度によって生じる冷却と温度及び熱流束による放射とを設定することができる。
【００２７】
そして、ステップＳ５へ進み、設定されたデータに基づいて、対象車両１０２の車室内或いはエンジンルーム内の熱流れ解析を行い、ルーチンを終了する。
【００２８】
この解析結果は、表示処理部１４を介して表示装置３に表示される。表示装置３には、計算空間Ａ、及び車室内或いはエンジンルーム内の温度分布が温度毎に色分けして表示される。
【００２９】
このように、本形態では、各天空境界層１０３、１０４Ｌ，１０４Ｒをノースリップ条件とし、各天空境界層１０３、１０４Ｌ，１０４Ｒ全体を移動速度Ｓで移動させるようにしたので、各天空境界層１０３、１０４Ｌ，１０４Ｒ全体に１つの熱境界条件を与えれば良くなり、計算空間Ａを拡大することなく、比較的狭い計算空間Ａであっても、天空放射を計算に入れた熱流れ解析を行うことができる。
【００３０】
その結果、天空境界層１０３、１０４Ｌ，１０４Ｒの計算格子毎に熱境界条件を設定する必要が無く、計算が容易となり、又、天空の計算領域を拡大する必要がないので、既存の空力解析用のメッシュモデルを用いて、天空放射を計算に入れた熱流れ解析を行うことができ、経済的である。
【００３１】
又、図７、図８に本発明の第２形態示す。上述した第１形態では、各天空境界層１０３、１０４Ｌ，１０４Ｒに移動速度Ｓを付与したので、図５、図６に示すように、左右天空境界層１０４Ｌ，１０４Ｒと、移動速度０の地面境界層１０１との境界部分に特異点１０５が形成されてしまう。その結果、熱収支バランス上、この特異点１０５から地面境界層１０１側へ熱移動があるような計算が成されてしまい、高い解析精度を得ることができない。
【００３２】
そこで、図７に示すように、本形態では地面境界層１０１上に速度境界層１０６を設定し、この速度境界層１０６にフリースリップ条件を設定したものである。
【００３３】
従って、図８に示す熱流れ解析ルーチンでは、ステップＳ１〜Ｓ５までは、第１形態の熱流れ解析ルーチンと同様の処理を行い、次いで、ステップＳ１１へ進むと、地面境界層１０１上の速度境界層１０６にフリースリップ条件を設定し、ステップＳ１２へ進み、設定されたデータに基づいて、対象車両１０２の車室内或いはエンジンルーム内の熱流れ解析を行い、ルーチンを終了する。
【００３４】
本形態では、左右天空境界層１０４Ｌ，１０４Ｒと地面境界層１０１との間の速度境界層１０６にフリースリップ条件を設定したので、その分計算が複雑化するため、第１の形態に比し、計算時間が若干長くなるが、地面境界層１０１を速度境界層１０６により上空側からで分離することができるため、上空側から地面境界層１０１への熱移動が遮断され、熱流れをより高精度に解析することができる。地面境界層１０１を上空から分離したので、熱移動が遮断され、地面境界層１０１の温度を高精度に予測することができる。
【００３５】
又、図９、図１０に本発明の第３形態を示す。上述した第１形態では、計算空間Ａを直方体状としているが、本形態では、上空側天空境界層１０３を湾曲させ、天空境界層１０３の一部を左右天空境界層１０４Ｌ，１０４Ｒの領域まで延長させて、上空側が湾曲した計算空間Ｂを生成したものである。
【００３６】
図１０に示すように、本形態による計算空間Ｂは上空側が湾曲されている分、第１形態による直方体形状の計算空間Ａに比し、ハッチングで示す部分の計算格子を削除することができ、その分、計算速度を速めることができる。
【００３７】
又、この場合、湾曲させた上空側天空境界層１０３にて、左右天空境界層１０４Ｌ，１０４Ｒを兼用させることも可能である。上空側天空境界層１０３にて、左右天空境界層１０４Ｌ，１０４Ｒを兼用させることで、計算空間Ｂを上空側天空境界層１０３と地面境界層１０１とで形成することができ、上空側天空境界層１０３にのみ移動速度Ｓを付与すれば良くなり、計算が容易になる。
【００３８】
尚、本発明は上述した各形態に限るものではなく、例えば解析対象物は車両に限らず航空機、船舶、タイヤ等、あらゆる移動体に適用することができ、これらの形状モデルを空力解析用のメッシュモデルに対応付けすることで、各形状モデルに対し天空放射を計算に入れた熱流れ解析を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】第１形態による熱流体解析支援装置の機能ブロック図
【図２】同、熱流れ解析ルーチンを示すフローチャート
【図３】同、熱流れ解析の計算空間を示す概略側面図
【図４】同、熱流れ解析の計算空間を示す概略斜視図
【図５】同、熱流れ解析の計算空間を示す概略正面図
【図６】同、図４のVI部拡大図
【図７】第２形態による図６相当の部分拡大図
【図８】同、熱流れ解析ルーチンを示すフローチャート
【図９】第３形態による熱流れ解析の計算空間を示す概略斜視図
【図１０】同、熱流れ解析の計算空間を示す概略正面図
【図１１】従来の空力解析用のメッシュモデルの概略図
【図１２】従来の空力解析用のメッシュモデルを用いて熱流れ解析の計算空間を生成する場合の説明図
【符号の説明】
【００４０】
１…熱流体解析支援装置、２…入力装置、３…表示装置、１１…解析モデル設定処理部、１２…モデル解析処理部、１３…解析モデルデータベース、１４…表示処理部、１０１…地面境界層、１０２…対象車両、１０３…上空側天空境界層、１０４Ｌ，１０４Ｒ…左右天空境界層、１０５…特異点、１０６…速度境界層、Ａ，Ｂ…計算空間、ａ’…壁面境界層、Ｓ…移動速度
代理人    弁理士    伊  藤    進
【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】
2005352998.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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