(57)【要約】【課題】解析条件の設定が非常に簡単で解析時間短縮を可能にした熱流体解析方法を提供する。【解決手段】固体を非粘性の擬似流体として取り扱い、固体の移動速度で固体領域内を擬似流体が流れるように設定することで、流体とその中を移動している固体との間の熱移動を解析することを特徴とする熱流体解析方法【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体と、前記流体中を移動している連続な固体との間の熱移動を、多数の微小要素で表現されるモデルを用いてコンピュータにより計算する熱流体解析方法であって、前記モデルとして、前記連続な固体が占める固体領域における固体領域内微小要素と、前記流体が占める流体領域における流体流域内微小要素との位置関係が時間的に固定されているものを用い、かつ、前記固体領域において、前記固体と同じ熱物性を有し、前記固体の移動速度で移動する非粘性疑似流体が存在する場合について解析した結果に基づいて前記流体と前記固体との間の熱移動を解析することを特徴とする熱流体解析方法。
【請求項２】
前記固体としてシートまたは糸条の場合を解析することを特徴とする請求項１に記載の解析方法。
【請求項３】
流体と、前記流体中を移動している連続な固体との間の熱移動を、多数の微小要素で表現されるモデルを用いて計算する熱流体解析装置であって、前記連続な固体が占める固体領域における固体領域内微小要素と前記流体が占める流体領域における流体流域内微小要素との位置関係が時間的に固定されている前記モデルを作成する解析モデル形成手段と、前記固体領域において、前記固体と同じ熱物性を有し、前記固体の移動速度で移動する非粘性疑似流体が存在する場合について解析する解析手段と、前記解析手段の解析結果を出力する結果出力手段とを有することを特徴とする熱流体解析装置。
【請求項４】
請求項１または２に記載の解析方法をコンピュータに実行させるためのプログラム。
【請求項５】
請求項４に記載のプログラムを記録したコンピュータ読みとり可能な記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体とこの流体中を移動している連続な固体との熱移動を解析するための熱流体解析方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
流れ場における流速や圧力や温度などを予測する手法として、有限体積法や差分法、境界要素法などの数値解析手法が知られている。これらの手法は、解析領域を四面体や六面体などの立体的な微小要素に分割し、前記微小要素に対して流量や圧力や温度などの境界条件、粘度や密度などの流体物性、比熱や熱伝導率などの熱物性を設定し、コンピュータを用いて解析することにより、微小要素における流速や圧力や温度などを求めるものである。
【０００３】
これらの数値解析手法を用いて移動物体周りの流れ場や温度を解析する場合、スライディングメッシュ法（非特許文献１）、重畳格子法（非特許文献２）などの手法が知られている。この中で、流れの支配方程式である運動量保存則や質量保存則といった方程式を高い精度で解くことができ、計算負荷が小さいことからスライディングメッシュ法が一般的によく使われている。
【０００４】
スライディングメッシュ法は、固体が占める固体領域における固体領域内微小要素と、固体が移動する通路上の流体が占める流体領域における流体領域内微小要素とを、固体の移動に合わせて移動させることにより、異なる領域におけるメッシュがお互いに相対的に動くことで、物体の移動現象をモデル化する手法である。
【０００５】
図２はスライディングメッシュ法における界面近傍の微小要素を表示したものである。固定領域１の微小要素は固定され、移動領域２の微小要素は移動物体の移動速度に合わせて移動している。境界面における微小要素は、時間の経過とともに変形しひずみ量が一定値を超えると、微小要素を構成する節点の定義を変更し界面において微小要素があたかもスライディングしているかのようにして流れ場を解析する手法である。
【０００６】
しかしながら、スライディングメッシュ法は、微小要素の移動に伴い時間毎に節点の位置を計算しメモリに記憶させておかなければならない。また、界面においては、微小要素を構成する節点番号の定義が時間毎に変わるため、メモリに記憶させなければならない。このように、スライディングメッシュ法は非常に多くの計算コストを必要とする手法である。
【０００７】
また、例えばシートや糸条のような連続な固体で直線運動をする場合、解析領域を一定に保つために移動する微小要素と解析領域との境界において、微小要素の追加と削除が必要となる。図３はシートがマイナスＸ方向に一定速度で移動しているときのＸＹ断面における固定領域と移動領域の相関を表したものである。シートが連続な固体の場合、解析前に解析終了までに追加が必要と予想される移動領域の微小要素をシートの解析領域への入口部３に予め定義して、メモリに記憶させておく必要がある。なお、シートの解析領域からの出口部４には、追加分を削除している。
【０００８】
図１２はスライディングメッシュ法の解析手順を示すフローチャートである。このフローチャートに沿って解析の手順を説明する。
【０００９】
手順s1では、流体領域、固体領域、追加領域の３つの解析領域を作成する。追加領域とは、固体領域の移動に伴い不足してくる領域に追加する領域のことである。解析が終了するまでに必要な追加領域を予め見積もり、作成する必要がある。
【００１０】
手順s2では、作成した解析領域を四面体や六面体などの立体的な微小要素に分割する。
【００１１】
手順s3では、密度、粘度、熱伝導率、比熱といった物性を流体、固体それぞれについて設定する。
【００１２】
手順s4では、流体、固体領域の温度や流速等の境界条件を設定する。
【００１３】
手順s5では、固体領域の微小要素が移動するよう、微小要素の位置と時間との関係を設定する。なお、微小要素の移動に伴い、各微小要素の構成節点番号が時間によって変わるためその設定も必要になる。位置や接点番号を時間や微小要素番号の関数として表さなくてはならないため非常に労力を要する。
【００１４】
手順s6では、時間毎に追加する微小要素と、削除する微小要素の設定を行う。この手順も手順s5と同様に、非常に労力を要する作業である。
【００１５】
手順s7では、解析を実施する時間、どのパラメータ(速度、圧力、温度)を出力させるか、といった計算条件の設定を行い、手順s8で解析を実行する。
【特許文献１】特開平１０−２５５０７７号公報
【非特許文献１】Rumsey C.L.[Computation of Acoustic Waves Through Sliding-Zone Interfaces Using an Euler Navier-Stokes Code],AIAA-96-1752,1996、p.1-3
【非特許文献２】Lohner R.,Sharov D.,Lou H.,Ramamurti R.,[Overlapping Unstructured Grid], AIAA-01-0439,2001,p.1-5
【非特許文献３】保原充、大宮司久明(1992)：数値流体力学、p.15-82
【非特許文献４】社団法人日本機会学会(1983)：技術資料 流体の熱物性値集、p.163-166  このように、他の手法と比較して計算負荷が小さいといわれているスライディングメッシュ法でも、多くの計算コストを必要とする。
【００１６】
また、市販されている熱流体解析ソフトを使用する場合、固体の移動に合わせて微小要素を移動させる設定や、微小要素の追加と削除の設定は、非常に複雑で労力を必要とする。
なお、重畳格子法を用いた場合でも、設定が困難であるという問題は同じである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明の目的は、上記の問題を解決し、計算コストを削減し、設定が容易な移動物体周りの熱流体解析方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記目的を達成するために本発明によれば、流体と、前記流体中を移動している連続な固体との間の熱移動を、多数の微小要素で表現されるモデルを用いてコンピュータにより計算する熱流体解析方法であって、前記モデルとして、前記連続な固体が占める固体領域における固体領域内微小要素と、前記流体が占める流体領域における流体流域内微小要素との位置関係が時間的に固定されているものを用い、かつ、前記固体領域において、前記固体と同じ熱物性を有し、前記固体の移動速度で移動する非粘性疑似流体が存在する場合について解析した結果に基づいて前記流体と前記固体との間の熱移動を解析する熱流体解析方法が提供される。
【００１９】
また、本発明の好ましい形態によれば、前記固体としてシートまたは糸条の場合を解析する解析方法が提供される。
【００２０】
また、本発明の別の形態によれば、流体と、前記流体中を移動している連続な固体との間の熱移動を、多数の微小要素で表現されるモデルを用いて計算する熱流体解析装置であって、前記連続な固体が占める固体領域における固体領域内微小要素と、前記流体が占める流体領域における流体流域内微小要素との位置関係が時間的に固定されている前記モデルを作成する解析モデル形成手段と、前記固体領域において、前記固体と同じ熱物性を有し、前記固体の移動速度で移動する非粘性疑似流体が存在する場合について解析する解析手段と、前記解析手段の解析結果を出力する結果出力手段とを有する熱流体解析装置が提供される。
【００２１】
また、本発明の別の形態によれば、前記解析方法をコンピュータに実行させるためのプログラムが提供される。
【００２２】
また、本発明の別の形態によれば、前記プログラムを記録したコンピュータ読みとり可能な記録媒体が提供される。
【００２３】
なお、本発明において「流体」とは、気体や液体のことで、例えば空気や水のようなもののことをいう。また、連続な固体とは、フィルムや布等のシート、糸や糸束等の糸条ことであり、これらは連続につながった状態でロールに巻き取られ生産されるのが一般的である。
【００２４】
また、本発明において「連続な固体が占める領域における固体領域内微小要素と、流体が占める領域における流体流域内微小要素との位置関係が時間的に固定」とは、解析の開始から終了まで固体領域内の微小要素が移動しないことをいう。
【００２５】
また、本発明において「固体の移動速度で移動する非粘性流体が存在する場合について解析した結果」とは、固体領域に粘性の無い粘度を０と仮定した非粘性擬似流体を固体領域に固体の移動速度で流して解析した結果のことをいう。
【００２６】
また、本発明において「結果出力手段」は、解析結果を出力するものであれば何でもよく、例えば、プリンタやディスプレイなどが挙げられる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、固体が占める領域における微小要素を移動させないため、微小要素の時間と位置の情報を計算する必要がないため計算コストを削減することができる。また、微小要素の追加、削除の必要がなくなることにより、設定に必要な時間も短縮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の最良の実施形態の例を図面を用いてさらに詳細に説明する。
【００２９】
まず、シートや糸条のような連続な固体が直線運動をする場合について本実施形態の適用事例を図４により説明する。図４はシートがマイナスＸ方向に一定速度で移動しているときのＸＹ断面を示したものである。空気の領域を表す流体領域５とシートの領域を表す固体領域６を作成する。
【００３０】
流体の領域には空気の流体物性を、固体領域にはシートの流体物性を設定する。固体領域に流体物性を定義する理由は、固体領域に擬似流体をシートの移動速度で流すことにより、シートの移動現象をモデル化するためである。流体物性とは密度、粘度、比熱、熱伝導率のことをいう。シートは固体であるため、粘性を持っていない。本実施形態では、シートの粘度には０を設定することで粘性の無い非粘性擬似流体として定義する。
【００３１】
熱流体解析において流体領域と固体領域の界面７は壁面と定義されるため、固体領域の擬似流体が粘性流体であると、壁面抵抗により壁面での流速は０となる。図５は図４の固体領域に粘性流体を定義した場合の、固体領域を流れる擬似流体の速度ベクトル図を拡大表示したものである。速度ベクトル図は矢印の向きが流れの向きを、矢印の大きさが速度の大きさを示す。固体は剛体であり固体領域内のどこをとっても一定速度で動いているはずなので、擬似流体を粘性流体で定義すると固体の移動を忠実にモデル化したことにはならない。そこで、固体領域の擬似流体は、粘度の設定値を０とし非粘性流体の定義をすることによって壁面抵抗を無視する。図６は図５の擬似流体を非粘性流体にした場合の速度ベクトル図を示す。この図からわかるように、擬似流体を非粘性流体と定義することにより固体が一定速度で動いている状態をモデル化することができる。
【００３２】
固体の解析領域への入口部３に固体の移動速度と等しい流入条件を設定し、固体の解析領域からの出口部４に流出条件を設定する。なお、流出条件も固体の移動速度である。次に、解析対象について説明する。図７はオーブン８内をシートが通過する様子を示した概略正面断面図であり、図８は図７におけるＡ−Ａ’断面図である。シート９はオーブンの外に設置されている２つのロール１０によって把持されている。２つのロール１０が一定速度で回転することによりシート９は図７の紙面の右側から左側の方向に一定速度で移動している。オーブン８は、上壁１１より一定速度で高温の熱風１３が下向きに供給されており、供給された熱風と同流量の熱風が下壁１２より排気１４されているものとする。オーブン８外の領域は室温とする。室温のシート９が熱風の流れるオーブン８に入ると、空気とシート９との熱伝達によりシート９の温度が上昇する。シート９はオーブン８内を移動しているため、徐々にその温度を上げてゆく。このようなモデルで、本実施形態を適用し、オーブン８内でのシート９の温度を解析するための手順を図１に示すフローチャートに沿って説明する。
【００３３】
手順s1では、解析を実施する空気の領域に流体領域、シートの領域に固体領域を作成する。
【００３４】
手順s2では、流体、固体それぞれの領域を四面体や六面体などの立体的な微小要素に分割する。メッシュ方法としては、特許文献１に記載されているような一般的な方法を用いることができる。流体領域は空気、固体領域はシートの領域である。
【００３５】
手順s3では、流体、固体それぞれの物性を定義する。空気、シート９それぞれに密度、粘度、比熱、熱伝導率を設定する。なお、本実施形態では固体を擬似流体として取り扱う。固体の移動速度で固体領域の擬似流体を流動させることにより、固体の移動をモデル化するためである。なお、固体の粘度には０を設定することで粘性の無い非粘性擬似流体として定義する。
【００３６】
手順s4では、空気の境界条件を流体領域に、シート９の境界条件を固体領域に設定する。空気の境界条件は、上壁１１に熱風の供給流速と温度を、下壁１２に熱風の排気流量を設定する。シート９の境界条件は、シート９の移動速度を定義するための条件であり、入口部にシート９の移動速度での擬似流体の流入流速と温度(室温)を、出口部にシートの移動速度での擬似流体の流出速度を設定する。
【００３７】
手順s7では、解析を実施する時間、どのパラメータ(速度、圧力、温度等)を出力させるか、といった計算条件の設定を行い、手順s8で解析を実行する。
【実施例】
【００３８】
図１に示す解析手順で解析を行ったので、その一例を以下に示す。
【００３９】
図９は図７のオーブンを解析モデル化したときの解析領域の正面断面図であり、オーブン８内を通過するシート９をモデル化したものを示す。図１０は図９におけるＢ−Ｂ’断面図である。シート９は図９の紙面の右側から左側の方向に一定速度で移動している。オーブン８は、上壁１１より一定速度で高温の熱風１３が下向きに供給されており、供給された熱風と同流量の熱風が下壁１２より排気１４されているものとする。オーブン８と、オーブン８外の室温領域１５とは仕切り壁１６によって仕切られている。仕切り壁１６は、シート９の近傍のみに開口部を持った板である。実施例は図９，１０のように構成された空間の構成を、市販の汎用流体解析ソフト(株式会社シー・ディー・アダプコの“ＳＴＡＲ−ＣＤ”)により解析を行うことで算出した。本ソフトは流体の運動方程式であるナヴィエ・ストークス方程式を有限体積法（非特許文献３）により解析するものである。
【００４０】
解析における解析条件は、オーブン８内の領域において上壁１１より２５５℃の空気を１.８m/secで供給１３し、下壁１２より上壁１１から供給された流量が排気１３する。オーブン８外の室温領域１５の破線で示される位置を２０℃の大気圧と仮定した。なお、空気の密度は実測値(非特許文献４)のデータをもとに温度の関数として表した。温度毎に密度が変わる設定にすることによって、浮力を考慮することができる。シート９は、厚さ３mm、密度７５０kg/m3、比熱１３００J/kgK、熱伝導率１０W/mKでオーブン８内を０.１１m/secで移動する。解析モデルは図１０に示す中心線を対称面とする１／２モデルで実施した。なお、解析を実施したコンピュータのＣＰＵは、米国インテル社製“Intel Pentium（登録商標）”4 3.2GHzである。
［実施例１］
本解析手法で前記モデルの解析を実施した。微小要素数は35840で計算時間は615秒であった。
［比較例１］
従来のスライディングメッシュ法で前記モデルの解析を実施した。解析条件は実施例１と同じである。解析領域内における微小要素の数、形状も実施例１と同じであるが、スライディングメッシュ法では微小要素の追加が必要となるため設定した微小要素の総数は55420で計算時間は1028秒であった。
【００４１】
実施例１、比較例１のいずれも解析結果として、流速、圧力、温度等さまざまな流れのデータを得ることができるが、シートの温度分布により両解析手法の比較検証を行うことにする。図１１に比較例１および実施例１のオーブン８内におけるシート９の温度分布を示す。横軸はオーブン８内における位置を、縦軸はシート９の温度を示している。なお、シート９の温度は、厚さ方向、幅方向ともに中心での温度である。実施例１は比較例1と比較して計算時間が短いにもかかわらず、ほぼ同等の温度分布結果を得ることができている。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明の熱流体解析方法は、一定速度で移動しているシートや糸条の温度分布を熱流体解析により予測したい場合などに利用できるが、その応用範囲はこれらに限られるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の一実施形態における熱伝導解析方法の概略手順を示したフローチャートである。
【図２】スライディングメッシュ法における界面近傍の微小要素を表示した図である。
【図３】従来手法におけるシートがマイナスＸ方向に一定速度で移動しているときのＸＹ断面における固定領域と移動領域の相関を表した図である。
【図４】本発明の一実施形態におけるシートがマイナスＸ方向に一定速度で移動しているときのＸＹ断面における流体領域と固体領域の相関を表した図である。
【図５】固体領域に粘性流体を定義した場合の固体領域を流れる擬似流体の速度ベクトル図である。
【図６】固体領域に非粘性流体を定義した場合の固体領域を流れる擬似流体の速度ベクトル図である。
【図７】オーブン内を通過するシート概略正面断面図である。
【図８】図４のＡ−Ａ’断面を示す断面図である。
【図９】解析領域の正面断面図である。
【図１０】図６のＢ−Ｂ’断面を示す断面図である。
【図１１】比較例１および実施例１のオーブン内におけるシートの温度分布を表す図である。
【図１２】スライディングメッシュ法の概略手順を示したフローチャートである。
【符号の説明】
【００４４】
１：固定領域
２：移動領域
３：解析領域への入口部
４：解析領域からの出口部
５：流体領域
６：固体領域
７：流体領域と固体領域も界面
８：オーブン
９：シート
１０：ロール
１１：上壁
１２：下壁
１３：流入熱風
１４：流出熱風
１５：オーブン外の室温領域
１６：仕切り板
【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】
2007257245.tif 000012
【図１１】
2007257245.tif 000013
【図１２】
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