(57)【要約】  【課題】地表面からの照り返しを計算に入れた熱流れ解析を行うことで、解析精度の向上を図る。  【解決手段】メッシュモデルの計算領域Ａに、解析対象となる車両１０２の形状モデルを対応付けした空間計算領域Ｂと地中内計算領域Ｃとを設定し、地中内計算領域Ｃの地中境界層１０５を地中内部の温度変化の少ない深さδに設定する。そして地中境界層１０５に設定した地中境界条件（地中温度）と、地中内計算領域Ｃに設定した各計算格子のデータとに基づいて地中の伝導熱移動量を算出し、又熱収支式（熱放射量＝対流放射量＋熱伝導量）から、地中への熱伝導量を算出し、この熱伝導量と地中の伝導熱移動量とに基づき地表面境界層１０１の温度分布を算出する。そしてこの温度分布に基づいて、地表面境界層１０１の照り返しを算出し、この照り返しを解析対象となる車両１０２の熱流れ解析に反映させる。【選択図】図３
2005352999.tif 000002
【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領域を設定し、該計算領域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、
上記計算領域を空間計算領域と該空間計算領域の境界層下部に設定する内部計算領域とで構成し、
上記空間計算領域に上記解析対象物の環境条件を設定し、
上記内部計算領域を温度変化の少ない深さまでモデル化して伝導熱移動を算出する計算格子を生成する
ことを特徴とする熱流体解析支援装置。
【請求項２】
上記内部計算領域は上記空間計算領域の下面境界層に生成した薄い計算格子で構成すると共に、
上記内部計算領域を温度変化の少ない深さまで仮想的に設定する
ことを特徴とする請求項１記載の流体解析支援装置。
【請求項３】
上記内部計算領域の内部境界層には境界条件として一定温度が設定されていることを特徴とする請求項１或いは２記載の流体解析支援装置。
【請求項４】
上記空間計算領域の壁面境界層をノースリップ条件とすると共に、
上記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
ことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の流体解析支援装置。
【請求項５】
上記環境条件の１つは上記空間計算領域の入口側に設定する入口速度であり、
上記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４記載の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、照り返し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。
【０００３】
図６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領域Ａを生成し、この空間計算領域Ｂに、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。計算領域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、地表面境界層１０１上に設けた車両１０２の室内やエンジンルーム内の熱流れ解析を行う。尚、例えば特開２０００３−１７８０９９号公報には、計算領域Ａ内の各計算格子の流れ解析を行うことで、流動抵抗を最も低減させる車両１０２の車体形状を求める技術が開示されている。
【０００４】
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、日射や熱放射による地表面からの照り返しを考慮した計算を行う必要があるが、照り返しを精度良く計算するためには、地表面温度を高精度に予測する必要がある。
【０００５】
地表面温度は、地表面の熱収支から予測することができる。図７に地表面の熱収支を概念的に示す。地表面境界層１０１における熱収支は、天空からの日射及び熱放射等による熱放射量ｑradと、大気への対流放射量（顕熱及び潜熱）ｑconvと、地中への熱伝導量ｑcondとのバランスで成り立っている。  
ｑrad＝ｑconv＋ｑcond
【０００６】
図６に示す空力解析用のメッシュモデルにおいては、地表面境界層１０１の熱境界条件計算を以下のように設定している。
【０００７】
（１）熱境界条件を断熱条件、すなわち、地中への熱伝導量ｑcondをゼロに設定する。
【０００８】
（２）熱境界条件を温度指定条件、すなわち、予め一定温度を設定する。
【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】
【０００９】
しかし、（１）地表面境界層１０１の熱境界条件を断熱条件（ｑcond＝０）とすることは、断熱性の高い地表面被覆が形成されている場合にのみ適用が可能であり、通常の地表面には適用できないため、地表面からの照り返しを正確に計算することができない。
【００１０】
（２）一方、地表面境界層１０１の熱境界条件を温度指定条件とした場合、実際には熱放射量ｑradと大気への対流放射量ｑconvとが変化しているにも拘わらず、地表面温度は常に一定温度に設定されるので、この場合も、地表面からの照り返しを正確に計算することができない。
【００１１】
本発明は、上記事情に鑑み、地表面からの照り返しを正確に計算し、その結果を計算領域内の熱流れに反映させて、高精度な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】
【００１２】
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領域を設定し、該計算領域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、上記計算領域を空間計算領域と該空間計算領域の境界層下部に設定する内部計算領域とで構成し、上記空間計算領域に上記解析対象物の環境条件を設定し、上記内部計算領域を温度変化の少ない深さまでモデル化して伝導熱移動を算出する計算格子を生成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、地表面からの照り返しを正確に計算することができ、この結果を計算領域内の熱流れに反映させて、解析対象物の熱流れ解析を高精度に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面に基づいて本発明の一形態を説明する。図１〜図３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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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領域（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、計算領域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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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領域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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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に示すように、解析モデルは、下面境界層としての地表面境界層１０１と天空壁面境界層１０３と図示しない左右壁面境界層とで区画された直方体状の流れ場を有する空間計算領域Ｂに対象車両１０２の形状モデルデータが入力されている。
【００２４】
次いで、ステップＳ２で、解析モデルの地表面境界層１０１の下方に、多数の計算格子で構成された内部計算領域としての地中内計算領域Ｃを設定する。尚、空間計算領域Ｂと地中内計算領域Ｃとで計算領域Ａが形成されている。
【００２５】
図３に示すように、地中内計算領域Ｃは地中内部の温度変化の少ない地中深さδまてモデル化する。従って、内部境界層としての地中境界層１０５は、地中深さδに設定される。この地中深さδとしては、日変化の少ない深さ（例えばδ≒１[m]）と、年変化の少ない深さ（例えばδ≒５[m]）等があり、何れを設定しても良い。
【００２６】
そして、この地中内計算領域Ｃを構成する計算格子に、地層を構成する物質、例えば地表面境界層１０１側から地表面被覆材であるアスファルト或いはコンクリート、砂利、及び粘度層等の土壌に応じた密度、熱伝導率等の各熱物性データを入力する。
【００２７】
次いで、ステップＳ３へ進み、地中境界層１０５に地中境界条件を設定する。この地中境界条件は地中温度であり、地中温度としては一定温度が設定されている。尚、図３に示すように、地層は地表面から鉛直方向へ変化し、水平方向ではほぼ一定と考えられるため、地中内計算領域Ｃを構成する各計算格子は直交格子で生成することができる。
【００２８】
その後、ステップＳ４へ進み、対象車両１０２の環境条件を設定する。環境条件は、例えば空間計算領域Ｂ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行う。
【００２９】
次いで、ステップＳ５で、天空壁面境界層１０３をフリースリップ条件とすると共に、この天空壁面境界層１０３に熱境界条件を設定する。この熱境界条件として、本形態では天空からの日射及び放射に相当する温度及び熱流束を設定する。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。
【００３０】
そして、ステップＳ６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。
【００３１】
ステップＳ６において実行される熱流れ解析では、空間計算領域Ｂを伝達して地表面境界層１０１に到達する天空からの熱放射量ｑradが計算される。更に、空間計算領域Ｂに設定した入口速度から、地表面境界層１０１の大気への対流放射量（主に顕熱）ｑconvが算出される。その結果、前述した熱収支式（ｑrad＝ｑconv＋ｑcond）から、地中への熱伝導量ｑcondが算出される。
【００３２】
そして、地中境界層１０５に設定した地中境界条件（地中温度）と、地中内計算領域Ｃに設定した各計算格子のデータとに基づいて地中の伝導熱移動量を算出し、この伝導熱移動量と熱伝導量ｑcondとに基づき地表面境界層１０１の温度分布（地表面温度分布）を算出する。尚、このときの計算式は、例えば周知の地中熱伝導方程式を用いると良い。
【００３３】
そして、この地表面温度分布に基づいて、地表面境界層１０１からの照り返しを算出する。この場合、例えば、対象車両１０２により日陰となる地表面境界層１０１に対しては、天空からの熱放射量ｑradが到達しないため、ｑrad＝０となり、従って、当該地表面境界層１０１からの照り返しもゼロとなり、この地表面境界層１０１の温度は、地表面境界層１０１上を流れる空気に依存して設定される。
【００３４】
そして、算出された照り返しを空間計算領域Ｂの各計算格子に反映させて、対象車両１０２の室内やエンジンルーム内の熱流れ解析を行う。
【００３５】
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、空間計算領域Ｂ、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。
【００３６】
このように、本形態では、対象車両１０２の熱流れ解析を行うに際して、地表面境界層１０１からの照り返しが算出されているので、対象車両１０２の車室内或いはエンジンルーム内の熱流れを高精度に解析することができる。
【００３７】
又、図４に本発明の第２形態を示す。上述した第１形態では、地中内計算領域Ｃを構成する計算格子を地中内部の温度変化の少ない地中深さδまで生成したが、本形態では土壌を１層と仮定し、地中深さδｖを、１層の土壌の温度変化の少ない深さに設定したものである。この地中深さδｖとしては、第１形態と同様、日変化の少ない深さ（例えばδｖ≒１[m]）と、年変化の少ない深さ（例えばδｖ≒５[m]）等があり、何れを設定しても良い。
【００３８】
図４に示すように、本形態では、地中を１層としたので、地中内部が均一と仮定されるため、各計算格子に入力する密度、熱伝導率等の熱物性データは１種類となる。その結果、地中内部の計算格子が不要となり、地中深さδｖは仮想的に設定するのみで、実際には地表面境界層１０１のみに薄い計算格子を生成すれば良いことになる。尚、この場合、計算格子に設定する熱物性データとしては、地中内部の構造に基づく平均的な値で設定するようにしても良い。
【００３９】
このように、本形態では地中を１層とし、地表面境界層１０１のみに薄い計算格子を生成すれば良いので、既存の空力解析用のメッシュモデルをそのまま使用することができるばかりでなく、計算時間を短縮することができ、第１形態に比し、熱流れ解析を行う計算を簡便化することができる。
【００４０】
又、図５に本発明の第３形態を示す。上述した第１形態では天空壁面境界層１０３をフリースリップ条件としたが、本形態では天空壁面境界層１０３をノースリップ条件とし、この天空壁面境界層１０３に天空放射（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）に対応する熱境界条件を設定すると共に、この天空壁面境界層１０３に入口速度と同一方向に同一の移動速度Ｓを設定したものである。
【００４１】
すなわち、図５に示す熱流れ解析ルーチンでは、先ず、ステップＳ１１〜Ｓ１４においては、前述した図２のステップＳ１〜Ｓ４と同一の処理を行う。そして、ステップＳ１５へ進むと、天空壁面境界層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、天空壁面境界層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。
【００４２】
次いで、ステップＳ１６へ進み、天空壁面境界層１０３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Ｓ１４で入口速度を設定したとき、同時に、移動速度Ｓを設定するようにしても良い。ステップＳ１４で移動速度Ｓを自動的に設定した場合、このステップＳ１６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、その結果、計算を簡素化することができる。
【００４３】
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、天空壁面境界層１０３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。
【００４４】
そして、ステップＳ１７へ進み、設定されたデータに基づいて、上述した図２のステップＳ６と同様、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。
【００４５】
このように、本形態では、天空壁面境界層１０３をノースリップ条件とし、天空壁面境界層１０３全体を移動速度Ｓで移動させるようにしたので、天空壁面境界層１０３全体に１つの熱境界条件を与えるだけで、地表面境界層１０１からの照り返しと、天空放射との双方を計算に入れた熱流れ解析を簡単に実行することができる。
【００４６】
その結果、天空壁面境界層１０３の計算格子毎に熱境界条件を設定する必要が無く、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、天空放射を考慮した熱流れ解析を実行することができる。
【００４７】
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タイヤ等、路面を走行するものであればあらゆる移動体に適用することができる。又、船舶に適用することもできる。船舶の場合、内部計算領域は水中となり、下面境界層としての水面境界層からの深さδは水中の温度変化の少ない位置に設定する。そして、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考慮した熱流れ解析を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【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、熱流れ解析の計算領域を示す概略側面図
【図４】第２形態による熱流れ解析の計算領域を示す概略側面図
【図５】第３形態による熱流れ解析ルーチンを示すフローチャート
【図６】従来の空力解析用のメッシュモデルの概略図
【図７】地表面での熱収支を示す説明図
【符号の説明】
【００４９】
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、δ，δｖ…地中深さ、１０１…地表面境界層、１０２…対象車両、１０３…天空壁面境界層、１０５…地中境界層、Ａ…計算領域、Ｂ…空間計算領域、Ｃ…地中内計算領域、ｑcond…熱伝導量、ｑconv…対流放射量、ｑrad…熱放射量
代理人    弁理士    伊  藤    進
【図１】
2005352999.tif 000003
【図２】
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【図３】
2005352999.tif 000005
【図４】
2005352999.tif 000006
【図５】
2005352999.tif 000007
【図６】
2005352999.tif 000008
【図７】
2005352999.tif 000009