(57)【要約】 【課題】  精度を落とすことなくシミュレーション計算の計算時間短縮を可能にする熱流体シミュレーション方法を提供する。【解決手段】  シミュレーション計算に用いられる計算条件を入力し（Ｓ１）、入力された計算条件を用いて初期状態での流れ場および温度場をシミュレーション計算し（Ｓ２）、移動物体の表面に接する流体の速度（表面流体速度）の計算を行い境界条件として設定し（Ｓ３）、移動物体の移動方向と移動速度に基づいて補正熱伝導率を計算し（Ｓ４）、表面流体速度と補正熱伝導率とを用いて流れ場および温度場をシミュレーション計算し（Ｓ５）、流れ場および温度場の釣合い計算が収束に達したか否かを判断し（Ｓ６）、収束していないときには、釣合い計算が収束に達するまで手順Ｓ５〜Ｓ６を繰返す。【選択図】      図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動する物体を含む系内で移動物体および該物体まわりの流れ場と温度場とを複数に設定されるステップの各ステップごとにシミュレーション計算する熱流体シミュレーション装置において、
シミュレーション計算に用いられる計算条件を供給する計算条件供給手段と、
計算条件供給手段から供給される計算条件を用いて移動物体および該物体まわりの初期状態での流れ場および温度場をシミュレーション計算するとともに、初期状態以外のステップでは、移動物体の熱伝導率を補正した補正熱伝導率と移動物体の表面に接する流体の移動速度とを用いて移動物体および該物体まわりの流れ場および温度場をシミュレーション計算するシミュレーション計算手段と、
移動物体の移動方向および移動速度に基づいて、移動物体の熱伝導率に補正係数を乗算して補正熱伝導率を求めるとともに、該補正熱伝導率をシミュレーション計算手段に与える熱伝導率補正係数計算手段と、
移動物体の移動方向および移動速度に基づいて、移動物体の表面に接する流体の移動速度である表面流体速度を求め、該表面流体速度を、移動物体と流体との境界条件として設定するとともに、シミュレーション計算手段に与える流体速度計算手段と、
計算条件供給手段、シミュレーション計算手段、熱伝導率補正係数計算手段、流体速度計算手段の動作を制御する制御手段と、
シミュレーション計算手段によるシミュレーション計算結果を格納する記憶部と、
シミュレーション計算手段によるシミュレーション計算結果を表示する表示手段とを含むことを特徴とする熱流体シミュレーション装置。
【請求項２】
表面流体速度を補正するために実験的または経験的に求められた値または手法が格納される境界条件補正データ記憶部を含み、
流体速度計算手段は、
移動物体の表面特性に応じ、移動物体の表面特性に対応して境界条件補正データ記憶部に格納される値または手法に基づいて、境界条件として設定する表面流体速度を補正することを特徴とする請求項１記載の熱流体シミュレーション装置。
【請求項３】
移動する物体を含む系内で移動物体および該物体まわりの流れ場と温度場とを複数に設定されるステップの各ステップごとにシミュレーション計算する熱流体シミュレーション方法において、
シミュレーション計算に用いられる計算条件を求める手順と、
求められた計算条件を用いて移動物体および該物体まわりの初期状態での流れ場および温度場をシミュレーション計算する手順と、
移動する物体の移動方向および移動速度に基づいて、移動物体の熱伝導率に補正係数を乗算して補正熱伝導率を求める手順と、
移動する物体の移動方向および移動速度に基づいて、移動物体の表面に接する流体の移動速度である表面流体速度を求める手順と、
表面流体速度と補正熱伝導率とを用いて移動物体および該物体まわりの流れ場および温度場をシミュレーション計算する手順とを含むことを特徴とする熱流体シミュレーション方法。
【請求項４】
移動する物体を含む系内で移動物体および該物体まわりの流れ場と温度場とを複数に設定されるステップの各ステップごとにシミュレーション計算することに用いられる熱流体シミュレーションプログラムであって、
シミュレーション計算に用いられる計算条件を求める手順と、
求められた計算条件を用いて移動物体および該物体まわりの初期状態での流れ場および温度場をシミュレーション計算する手順と、
移動する物体の移動方向および移動速度に基づいて、移動物体の熱伝導率に補正係数を乗算して補正熱伝導率を求める手順と、
移動する物体の移動方向および移動速度に基づいて、移動物体の表面に接する流体の移動速度である表面流体速度を求める手順と、
表面流体速度と補正熱伝導率とを用いて移動物体および該物体まわりの流れ場および温度場をシミュレーション計算する手順とを、コンピュータに実行させるための熱流体シミュレーションプログラム。
【請求項５】
前記請求項４記載の熱流体シミュレーションプログラムを記録したコンピュータ読取り可能な記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工学的シミュレーション分野に属し、移動する物体を含む系における熱流体シミュレーション装置および熱流体シミュレーション方法ならびに熱流体シミュレーションプログラムおよびそれを記録した記録媒体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、回転または直線移動する物体を含む系内で移動物体および該物体まわりの流れ場および温度場をシミュレーション計算する熱流体シミュレーションにおいては、物体を表現するための単一の計算メッシュ（以後、単にメッシュと呼ぶ）を使用し、物体の移動に伴う計算ステップごとに、メッシュを作成しなおす方法がとられている。
【０００３】
図８は、従来の熱流体シミュレーション方法を説明する図である。図８では、平面形状が円形の物体１が回転移動し、回転移動物体１および該物体１まわりに形成した単一のメッシュを使用する場合について例示する。図８の例では、回転移動物体１と外部とを区切る境界２の外側は気体である。メッシュは、回転移動物体１およびそのまわりにも及んで形成され、メッシュを構成する個々の要素には、各要素を識別するための要素番号が割当てられる。図８では、要素番号を丸囲い数字で表す。なお、要素番号は、メッシュを構成する個々の要素すべてに付されるけれども、図８では煩雑さを避けるために要素番号１〜１２までのみを表示する。
【０００４】
一般的に、熱流体シミュレーションでは、ある時間ステップを定めそのステップごとに計算を進める時系列シミュレーションが行われる。図８も時系列シミュレーションを示し、図８（ａ）では、ある時刻ステップｎにおける状態を示し、図８（ｂ）では図８（ａ）の時刻から予め定める時間だけ経過した次の時刻ステップｎ＋１における状態を示す。
【０００５】
図８の例において予め定める時間とは、回転移動物体１が矢符３で示す時計まわり方向にメッシュの構成要素１つ分だけ回転移動するのに要する時間である。したがって、予め定める時間が経過して、図８（ａ）の状態から図８（ｂ）の状態へ移行したとき、すなわち計算ステップが１つ進んだとき、回転移動物体１に形成されるメッシュのみが、１要素分だけ時計まわり方向にずれたメッシュとなる。これは、各要素間の接続状態が変わる新たなメッシュであることを意味し、シミュレーション計算には、新たなメッシュの作成とそれに対応する新たな方程式を解くことが必要となる。
【０００６】
したがって、従来の方法では、シミュレーション計算の各ステップにおいて、メッシュすなわち状態を表す釣合い方程式をその都度作り直さなければならないので、多大な計算量が必要になるという問題がある。さらに、シミュレーションの対象とする系の時間を細かい時間ステップに刻み、各ステップにおける流れ場および温度場の釣合い計算を行う過渡応答解析となるので、最終的な系が安定した状態を求めるためには、途中経過のすべてを計算しなければならず、膨大な計算時間を必要とするという問題がある。
【０００７】
また熱流体シミュレーションの他の従来技術に、複数のメッシュを使用し、移動物体まわりのメッシュを他のメッシュとは独立して移動させ、各計算ステップごとに、各メッシュ系の接続境界節点で流れ場の情報を交換しあいながら計算するシミュレーション方法が  ある。しかしながら、この従来技術では、接続境界節点において各メッシュが流れ場の情報を交換する際に必要となる接続境界節点の属する他のメッシュのメッシュセル（要素）検索に多大な計算時間を要し、物体が移動することによる計算量増大の問題がある。
【０００８】
このような問題を解決する従来技術に、新しい計算ステップにおいて、一方のメッシュの接続境界節点が属する他方のメッシュのメッシュセル番号の検索を、各メッシュ系において隣接するメッシュセルを参照するテーブルを予め作成しておき、前の計算ステップで接続境界節点が属していたメッシュセルおよびその隣接メッシュセルから行い、流れ場の情報を交換するものがある（特許文献１参照）。
【０００９】
特許文献１に開示される技術では、メッシュセルの検索に要する時間を短縮することができるけれども、検索されたメッシュセルを含む新たなメッシュにおいて、状態を表す釣合い方程式をその都度作成し、該方程式を解く計算量が必要であるという問題が残るので、計算量の低減および計算時間の短縮が未だ充分に達成されないという問題がある。
【００１０】
【特許文献１】特開平４−３１９７６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、精度を落とすことなくシミュレーション計算の計算時間短縮を可能にする熱流体シミュレーション装置および熱流体シミュレーション方法を提供することである。
【００１２】
また本発明のもう一つの目的は、上記熱流体シミュレーション方法をコンピュータが実行するための熱流体シミュレーションプログラムおよびそれを記録したコンピュータ読取り可能な記録媒体を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、移動する物体を含む系内で移動物体および該物体まわりの流れ場と温度場とを複数に設定されるステップの各ステップごとにシミュレーション計算する熱流体シミュレーション装置において、
シミュレーション計算に用いられる計算条件を供給する計算条件供給手段と、
計算条件供給手段から供給される計算条件を用いて移動物体および該物体まわりの初期状態での流れ場および温度場をシミュレーション計算するとともに、初期状態以外のステップでは、移動物体の熱伝導率を補正した補正熱伝導率と移動物体の表面に接する流体の移動速度とを用いて移動物体および該物体まわりの流れ場および温度場をシミュレーション計算するシミュレーション計算手段と、
移動物体の移動方向および移動速度に基づいて、移動物体の熱伝導率に補正係数を乗算して補正熱伝導率を求めるとともに、該補正熱伝導率をシミュレーション計算手段に与える熱伝導率補正係数計算手段と、
移動物体の移動方向および移動速度に基づいて、移動物体の表面に接する流体の移動速度である表面流体速度を求め、該表面流体速度を、移動物体と流体との境界条件として設定するとともに、シミュレーション計算手段に与える流体速度計算手段と、
計算条件供給手段、シミュレーション計算手段、熱伝導率補正係数計算手段、流体速度計算手段の動作を制御する制御手段と、
シミュレーション計算手段によるシミュレーション計算結果を格納する記憶部と、
シミュレーション計算手段によるシミュレーション計算結果を表示する表示手段とを含むことを特徴とする熱流体シミュレーション装置である。
【００１４】
また本発明は、表面流体速度を補正するために実験的または経験的に求められた値または手法が格納される境界条件補正データ記憶部を含み、
流体速度計算手段は、
移動物体の表面特性に応じ、移動物体の表面特性に対応して境界条件補正データ記憶部に格納される値または手法に基づいて、境界条件として設定する表面流体速度を補正することを特徴とする。
【００１５】
また本発明は、移動する物体を含む系内で移動物体および該物体まわりの流れ場と温度場とを複数に設定されるステップの各ステップごとにシミュレーション計算する熱流体シミュレーション方法において、
シミュレーション計算に用いられる計算条件を求める手順と、
求められた計算条件を用いて移動物体および該物体まわりの初期状態での流れ場および温度場をシミュレーション計算する手順と、
移動する物体の移動方向および移動速度に基づいて、移動物体の熱伝導率に補正係数を乗算して補正熱伝導率を求める手順と、
移動する物体の移動方向および移動速度に基づいて、移動物体の表面に接する流体の移動速度である表面流体速度を求める手順と、
表面流体速度と補正熱伝導率とを用いて移動物体および該物体まわりの流れ場および温度場をシミュレーション計算する手順とを含むことを特徴とする熱流体シミュレーション方法である。
【００１６】
また本発明は、移動する物体を含む系内で移動物体および該物体まわりの流れ場と温度場とを複数に設定されるステップの各ステップごとにシミュレーション計算することに用いられる熱流体シミュレーションプログラムであって、
シミュレーション計算に用いられる計算条件を求める手順と、
求められた計算条件を用いて移動物体および該物体まわりの初期状態での流れ場および温度場をシミュレーション計算する手順と、
移動する物体の移動方向および移動速度に基づいて、移動物体の熱伝導率に補正係数を乗算して補正熱伝導率を求める手順と、
移動する物体の移動方向および移動速度に基づいて、移動物体の表面に接する流体の移動速度である表面流体速度を求める手順と、
表面流体速度と補正熱伝導率とを用いて移動物体および該物体まわりの流れ場および温度場をシミュレーション計算する手順とを、コンピュータに実行させるための熱流体シミュレーションプログラムである。
【００１７】
また本発明は、前記の熱流体シミュレーションプログラムを記録したコンピュータ読取り可能な記録媒体である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、たとえば移動物体が均質で移動後も物体の構成が変化せず、物体移動が周期的なものである場合、移動物体および該物体まわりの流れ場および温度場をシミュレーション計算するに際し、物体の熱伝導率を物体の移動方向のみ移動速度に応じた補正係数を乗じて得られる補正熱伝導率を用いるとともに、移動物体表面の流体の移動速度である表面流体速度を求めて移動物体と流体との境界条件として設定する手段により流体の運動を考慮することによって、物体が移動するごとに新たなメッシュを作成することなく流れ場および温度場を高速かつ高精度にシミュレーション計算することができる。
【００１９】
また本発明によれば、表面流体速度を補正するために実験的または経験的に求められた値または手法が格納される境界条件補正データ記憶部を含み、流体速度計算手段は、移動物体の表面特性に応じ、移動物体の表面特性に対応して境界条件補正データ記憶部に格納される値または手法に基づいて、境界条件として設定する表面流体速度を補正する。ここで、移動物体の表面特性とは、移動物体の材料種、移動物体の表面構造種、移動の形態、移動速度などを含む意味である。移動物体の表面特性に応じて境界条件として設定する表面流体速度を補正することによって、極めて高精度にシミュレーション計算することが可能になる。
【００２０】
また本発明の熱流体シミュレーション方法によれば、物体の熱伝導率として物体の移動方向のみ移動速度に応じた補正係数を乗じて得られる補正熱伝導率を用いるとともに、移動物体表面の流体の移動速度である表面流体速度を求めて移動物体と流体との境界条件として用いることによって、物体が移動するごとに新たなメッシュを作成することなく流れ場および温度場を高速かつ高精度にシミュレーション計算することができる。
【００２１】
また本発明によれば、熱流体シミュレーション方法をコンピュータに実行させるための熱流体シミュレーションプログラムと該プログラムが記録されたコンピュータ読取り可能な記録媒体とが提供される。したがって、熱流体シミュレーション方法の汎用性が増し、熱流体シミュレーション方法をコンピュータによって容易に短時間で実行することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１は、本発明の実施の一形態である熱流体シミュレーション装置１０の構成を簡略化して示すブロック図である。熱流体シミュレーション装置１０は、大略、計算条件供給手段１１と、シミュレーション計算手段１２と、熱伝導率補正係数計算手段１３と、流体速度計算手段１４と、制御手段１５と、記憶部１６と、表示手段１７とを含んで構成される。この熱流体シミュレーション装置１０は、移動する物体を含む系内で移動物体および該物体まわりの流れ場と温度場とを複数に設定されるステップの各ステップごとにシミュレーション計算することに用いられる。
【００２３】
計算条件供給手段１１は、シミュレーション計算手段１２に対して、シミュレーション計算に用いられる計算条件を供給する。本実施の形態では、計算条件供給手段１１は、移動物体の形状およびシミュレーション領域ならびに物体の配置およびメッシュに関するデータが予め格納されている形状データ記憶部２１と、移動物体および移動物体まわりの物質に関する物性データである密度、比熱、熱伝導率等が予め格納されている物性データ記憶部２２と、たとえば、熱源の発熱量、物体の移動方向および移動速度、シミュレーション計算の適用可能な物体の移動速度範囲、シミュレーション計算を繰返し実行する時間間隔などの計算条件データが、予め格納されている計算条件データ記憶部２３と、移動物体の表面特性である移動物体の材料種、移動物体の表面構造種、移動の形態、移動速度などに応じて後述する表面流体速度を補正するための実験的または経験的に求められたデータまたは手法が格納されている境界条件補正データ記憶部２４と、上記の各データを入力することができる入力部２５とを含んで構成される。
【００２４】
形状データ記憶部２１、物性データ記憶部２２、計算条件データ記憶部２３、境界条件補正データ記憶部２４は、たとえばランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）またはハードディスクドライブ（ＨＤＤ）などによって実現されるメモリ装置である。形状データ記憶部２１、物性データ記憶部２２、計算条件データ記憶部２３、境界条件補正データ記憶部２４のそれぞれに格納されるデータは、たとえば他のコンピュータから与えられてもよく、入力部２５から入力されてもよい。
【００２５】
入力部２５は、たとえばキーボードなどの入力装置である。前述の各データは、シミュレーション計算の機会に応じて入力部２５から直接シミュレーション計算手段１２へ入力されてもよく、また予め入力部２５または他のコンピュータから形状データ記憶部２１、物性データ記憶部２２、計算条件データ記憶部２３、境界条件補正データ記憶部２４の各部に入力しておき、シミュレーション計算の機会に応じて各部から読出されてもよい。
【００２６】
シミュレーション計算手段１２は、たとえば大規模集積回路（ＬＳＩ）などによって実現される演算回路であり、本実施の形態では、ナビエストークス方程式による流れ場を計算する流れ場計算部２６と、ポアソン方程式による温度場を計算する温度場計算部２７とを含む。
【００２７】
シミュレーション計算手段１２は、計算条件供給手段１１から供給される計算条件を用いて移動物体および該物体まわりの初期状態での流れ場および温度場をシミュレーション計算するとともに、初期状態以外のステップでは、計算条件供給手段１１から供給される物体の移動方向および移動速度に関するデータを、熱伝導率補正係数計算手段１３と流体速度計算手段１４とに対して出力するとともに、熱伝導率補正係数計算手段１３から得られる補正熱伝導率と、流体速度計算手段１４から得られる移動物体の表面に接する流体の移動速度である表面流体速度とを用いて、移動物体および移動物体まわりの流れ場および温度場をシミュレーション計算する。
【００２８】
熱伝導率補正係数計算手段１３は、ＬＳＩなどによって実現される演算回路であり、メモリ部１３ａを有する。メモリ部１３ａには、演算プログラムが予め格納される。この熱伝導率補正係数計算手段１３は、シミュレーション計算手段１２から移動物体の移動方向および移動速度に関するデータが与えられたとき、メモリ部１３ａから上記演算プログラムを読出し、該演算プログラムに従って、移動物体の移動方向の熱伝導率を補正する係数を設定し、移動物体の熱伝導率のうち、移動方向への熱伝導に関する熱伝導率に対してのみ、補正係数を乗算して補正熱伝導率を求める演算を行い、該演算結果をシミュレーション計算手段１２に与える。
【００２９】
以下、熱伝導率補正係数計算手段１３における補正熱伝導率の演算について説明する。まず移動する物体の熱伝導率を、座標系の各成分、たとえば並進であればＸ−Ｙ２軸座標系、回転であればＲ−θ極座標系に分解する。次に、移動物体の移動速度があらかじめ決められた範囲にあることを確認し、先の座標系において分解された移動方向の補正係数を設定する。設定された補正係数が、上記移動方向への熱伝導に関する熱伝導率に対してのみ乗算され、補正熱伝導率が計算される。
【００３０】
この補正された熱伝導率は、熱エネルギ移動の結果生じる物体の移動方向の温度の平均化に寄与する働きをする。したがって、熱伝導率に乗算される補正係数は、たとえば１００というように、１よりも充分大きい数であることが望ましい。
【００３１】
流体速度計算手段１４は、ＬＳＩなどによって実現される演算回路であり、メモリ部１４ａを有する。メモリ部１４ａには、演算プログラムが予め格納される。シミュレーション計算手段１２から物体の移動方向および移動速度に関するデータが与えられたとき、流体速度計算手段１４は、メモリ部１４ａから上記演算プログラムを読出し、該演算プログラムに従って、移動物体の移動方向および移動速度に基づいて、表面流体速度を求め、該表面流体速度を、移動物体と流体との境界条件として設定するとともに、シミュレーション計算手段１２に与える。
【００３２】
図２は、移動物体の回転と流体の速度との関係を説明する図である。移動物体の系の問題について、従来のようなメッシュを固定した手法でシミュレーション計算する方法を採用した場合、物体の移動という運動をなくして、熱伝導という問題に置き換えているので、移動する物体の流体への運動の影響が考慮されずに計算されることになる。
【００３３】
しかしながら、現実には、移動する物体は、その周囲の流体に対して、物体の運動による影響を与えている。図２に示すように、物体３１が矢符３２方向へ回転する場合、回転する物体３１の外周表面に接する流体は、回転する物体３１と同じ速度と方向で運動し、回転する物体３１の表面から離れるに従って、矢符３３ａ，３３ｂ，３３ｃと順次長さの減少で表すように流体の速度が遅くなる。図２では、回転する物体３１の表面に接する流体の移動速度である表面流体速度が、通常、回転する物体３１の運動速度となることを示している。
【００３４】
図３は流体速度計算手段１４における表面流体速度の演算方法を説明するフローチャートであり、図４は回転移動物体における表面流体速度の事例を示す図であり、図５はベルト移動物体における表面流体速度の事例を示す図である。
【００３５】
以下、図３〜図５を参照して表面流体速度の演算方法について説明する。スタートでは、熱流体シミュレーション装置１０の動作スイッチがオンにされ、各手段および各部が稼動状態にある。
【００３６】
手順ａ１では、流体速度計算手段１４が、移動物体の移動方向および移動速度をシミュレーション計算手段１２から読込む。手順ａ２では、移動物体に隣接する流体メッシュを選択する。移動物体に隣接する流体メッシュの選択は、たとえば、メッシュを作成する段階で移動物体に接するメッシュを、予めメッシュ番号などにより識別をしておくことにより可能である。図４に示す回転移動物体４１の事例について説明すると、回転移動物体４１の外周表面４１ａに接して形成される丸囲い番号７〜１６で表されるメッシュが、移動物体４１に接する流体メッシュである。なお、図４に示す事例では、移動物体４１に接する流体メッシュは、丸囲い番号７〜１６で表されるメッシュ以外にもあることが判るけれども、図４では煩雑化を避けるために省略している。
【００３７】
手順ａ３では、手順ａ２で選択した流体メッシュの移動物体に接する表面上の移動速度である表面流体速度を計算する。以下、回転移動物体４１における表面流体速度の計算と、ベルト移動物体４２における表面流体速度の計算とに分けて説明する。
【００３８】
まず、回転移動物体４１における表面流体速度の計算について説明する。移動物体４１の運動が回転であり、移動方向が回転方向の場合、表面流体速度は回転面に対する接線方向の速度として、式（１）または式（２）で計算される。
ｖ０・（ｒ１−ｒ２）／｜ｒ１−ｒ２｜                            …（１）
ｒω・（ｒ１−ｒ２）／｜ｒ１−ｒ２｜                            …（２）
【００３９】
ここで、ｖ０は回転移動物体４１の流体に接する外周表面４１ａの接線方向の速度であり、ｒ１とｒ２とは極座標での位置座標であり、ｒは回転中心からの距離であり、ωは角速度である。
【００４０】
次に、ベルト移動物体４２であり直進運動の場合における表面流体速度の計算について説明する。移動物体４２の運動がベルト移動であり、移動方向が直進方向の場合、表面流体速度は移動物体４２の進行方向の速度として、式（３）で計算される。式（３）において、ｖ０はベルト速度であり、ｐ１とｐ２とは位置座標である。なお、図５においても、流体メッシュを丸囲い番号５２〜６２で表すけれども、図が煩雑になるので必要な部分のメッシュ番号だけを記載している。
ｖ０・（ｐ１ｐ２）／｜ｐ１ｐ２｜                                …（３）
【００４１】
手順ａ４では、境界条件補正データ記憶部２４を検索し、熱流体シミュレーションに用いられている移動物体の材料種または移動物体の表面構造種等に該当するデータ（境界条件補正データと呼ぶ）があるか否かが判定される。判定結果が肯定で境界条件補正データがあるとき手順ａ５へ進む。一方、判定結果が否定で境界条件補正データが無いとき手順ａ６へ進み、表面流体速度を補正し境界条件として設定する。
【００４２】
手順ａ５では、流体速度計算手段１４が、境界条件補正データを読込む。境界条件補正データは、移動物体の材料種、移動物体の表面構造種、移動の形態（回転か直線かなど）、移動速度など、前述の移動物体の表面特性と総称するものに応じて、表面流体速度の補正をすることができるように、境界条件補正データ記憶部２４に予め格納されている実験的または経験的に求められた値または手法である。
【００４３】
ここで、実験的または経験的に求められた値または手法について１例を示すと以下のようである。たとえば、プラスチックのように表面が滑らかで摩擦抵抗が小さな物体からガムテープのように粘性が高い物質を表面に有する摩擦抵抗が大きな物体まで、物体表面の摩擦抵抗が種々異なる物体を移動物体として想定し、その表面に一定の流速で流体を流し、流体の流速を測定して摩擦抵抗が表面流体速度に及ぼす影響を確認し、境界条件補正データベースに登録する。
【００４４】
物体の移動速度によって影響を受け、表面流体速度が変わることが予想されるのであれば、流速を変化させた場合のデータも測定し、その影響度も境界条件補正データベースに登録する。このようにして得られる影響度は、たとえば、流速１０ｍ／秒の時の影響度０．９９５、流速１００ｍ／秒の時の影響度０．９８等である。
【００４５】
熱流体シミュレーションの対象とする移動物体の物質が選択された場合、当該物質の表面の摩擦抵抗および移動物体の移動速度に応じて、上記事例のような影響度を境界条件補正データとして表面流体速度を補正する。
【００４６】
手順ａ６では、流体速度計算手段１４が、境界条件補正データを用いて、表面流体速度を補正する。
【００４７】
手順ａ７では、表面流体速度を移動物体と流体との境界条件として設定する。なお、この設定された境界条件は、流体速度計算手段１４からシミュレーション計算手段１２に与えられる。
【００４８】
図１に戻って、制御手段１５は、たとえば中央処理装置（略称ＣＰＵ）を備える処理回路である。制御手段１５には、図示を省くが、熱流体シミュレーション装置１０全体の動作を制御するためのプログラムが予めストアされる記憶部が備えられる。記憶部は、たとえばリードオンリメモリ（ＲＯＭ）などによって実現される。制御手段１５は、記憶部から読出される前述のプログラムに従って、前述の計算条件供給手段１１、シミュレーション計算手段１２、熱伝導率補正係数計算手段１３および流体速度計算手段１４の動作を制御する。なお、本実施の形態では、制御手段１５は、計算条件供給手段１１、シミュレーション計算手段１２、熱伝導率補正係数計算手段１３および流体速度計算手段１４と一体的に形成される。
【００４９】
記憶部１６は、シミュレーション計算手段１２による熱流体シミュレーション計算結果を格納する計算結果記憶部１６であり、たとえばランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）またはハードディスクドライブ（ＨＤＤ）などによって実現されるメモリ装置である。
【００５０】
シミュレーション計算手段１２によるシミュレーション計算結果を表示する表示手段（表示部）１７は、たとえば陰極線管（ＣＲＴ）または液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）などの画像表示が可能な画面を有する表示装置である。なお、表示手段１７には、熱流体シミュレーション計算結果を、記録紙などに記録するためのプリンタなどが併設されてもよい。
【００５１】
図６は、図１に示す熱流体シミュレーション装置１０を用いて行われる熱流体シミュレーション方法を説明するフローチャートである。図６を参照して熱流体シミュレーション方法の実行に係る制御手段１５の動作について説明する。熱流体シミュレーションは、多くの場合３次元空間を対象として行われるけれども、ここでは説明を容易にするために、２次元空間の場合について説明を行う。シミュレーションの原理および効果は、２次元であるか３次元であるかに関係なく、同様である。
【００５２】
手順Ｓ０のスタートでは、熱流体シミュレーション装置１０の各スイッチがオンにされて動作可能な状態である。
【００５３】
手順Ｓ１では、熱流体のシミュレーション計算、すなわち移動物体および移動物体まわりの流れ場および温度場のシミュレーション計算に必要な諸条件が、入力部２５から入力される。入力される条件としては、たとえば、移動物体の形状モデル、移動物体の移動方向および移動速度、移動物体および移動物体まわりの物質の物性値、各種境界条件、熱源の発熱量等の発熱条件、収束条件、シミュレーション計算のステップ間隔などが挙げられる。なおこれらの計算条件は、入力部２５もしくは他の上位コンピュータなどから、形状データ記憶部２１、物性データ記憶部２２および計算条件データ記憶部２３に予め格納し、該格納データを読出すようにしてもよい。
【００５４】
手順Ｓ２では、入力された計算条件を用いて初期状態における流れ場および温度場のシミュレーション計算を行い、初期状態における場の釣合い結果を計算する。
【００５５】
手順Ｓ３では、シミュレーション計算手段１２から与えられる移動物体の移動方向および移動速度のデータに基づいて、流体速度計算手段１４が、上記の図３〜図５についての説明で述べたように、表面流体速度の計算を行う。また移動物体の表面特性に応じて境界条件補正データ記憶部２４に予め格納された境界条件補正データから表面流体速度の補正を行い、その計算結果を移動物体と流体との境界条件として設定する。この境界条件である表面流体速度は、シミュレーション計算手段１２に与えられる。
【００５６】
手順Ｓ４では、シミュレーション計算手段１２から与えられる移動物体の移動方向および移動速度のデータに基づいて、熱伝導率補正計算手段１３が補正係数を設定し、移動物体の移動方向に関する補正熱伝導率を演算する。演算された補正熱伝導率は、シミュレーション計算手段１２に与えられる。
【００５７】
手順Ｓ５では、表面流体速度と補正熱伝導率とを用いて、次のステップにおける流れ場および温度場の釣合い計算を行う。本手順におけるシミュレーション計算は、新たなメッシュを作成することなく、流体速度計算手段１４で境界条件として設定された表面流体速度を考慮することと、移動物体の移動方向に対する熱伝導に関して補正熱伝導率を用いること以外は、通常の熱流体シミュレーションであり、流れ場と温度場との釣合い方程式を計算する。
【００５８】
手順Ｓ６では、上記手順Ｓ５で実行された流れ場および温度場の計算が、収束したか否かが判断される。収束に達していない場合、手順Ｓ５へ戻り、流れ場および温度場の計算が収束するまで、以降の手順が繰返される。収束に達していると判断されると、手順Ｓ７のエンドへ進み、シミュレーション計算を終了する。
【００５９】
図７は、図６のフローチャートに示す熱流体シミュレーションの事例を示す図である。図７では、移動物体５１として、平面形状が円環形状を有し、円の中心まわりに、矢符５２方向に回転移動する物体について例示する。
【００６０】
移動物体５１の外方は大気空間であり、この大気空間には、移動物体５１を臨み、移動物体５１の外周に沿って２つの領域、すなわち加熱領域５３と放熱領域５４とが設けられる。加熱領域５３には、移動物体５１を臨んで加熱ヒータ５５が設けられる。移動物体５１が、矢符５２方向に回転移動し、この加熱領域５３を通過するとき、加熱ヒータ５５によって熱エネルギを与えられて加熱される。一方、放熱領域５４には加熱源が設けられておらず、移動物体５１の加熱領域５３で加熱された部位は、加熱領域５３を通り過ぎて放熱領域５４に達すると、大気中に放熱する。
【００６１】
図７に示すように、加熱領域５３の加熱ヒータ５５を臨む位置で、熱エネルギを吸収した移動物体５１の被加熱部位５１ａは、回転移動によって放熱領域５４まで移動し、その後再度加熱領域５３を臨む位置に達するまでの間、大気に熱エネルギを渡すことで放熱し温度が下がる。
【００６２】
移動物体５１が回転移動を継続し、先の被加熱部位５１ａが再度加熱領域５３に達すると、再び熱エネルギを吸収して昇温する。移動物体５１が、ある程度の回転速度で回っている場合、加熱領域５３で吸収した熱エネルギの全てを空気に放熱することはできず、加熱領域５３で加熱される前の温度に下がりきることなく、再度加熱領域５３で加熱されることになる。このように、前回の加熱領域５３を通過するときに吸収した熱エネルギの一部を残したまま再度熱エネルギを吸収することになるので、被加熱部位５１ａの総熱量は前回に比べて増加し、温度も前回の加熱時に比べてより高くなる。
【００６３】
移動物体５１が回転を継続することによって、熱エネルギが蓄積されて、着目している被加熱部位５１ａは一層高温になっていくけれども、被加熱部位５１ａから大気への放熱量は、被加熱部位５１ａの温度と大気との温度差に比例して大きくなる。したがって、被加熱部位５１ａの温度がある程度まで上がった時点で、加熱領域５３で加熱ヒータ５５から吸収する熱エネルギと、放熱領域５４で大気中に放熱する熱エネルギとが等しくなり、温度が変化しなくなる。大気中に放熱された熱エネルギは自然対流と物体５１の移動に伴う対流により熱移動を行い、周囲の温度と調和する。この、熱エネルギの入出力系が飽和した状態を、以後定常状態と呼ぶ。この定常状態に至る現象は、移動物体５１のどの部位においても同様に起こるので、回転する移動物体５１の温度は回転方向においては平均化されることになる。
【００６４】
本発明の熱流体シミュレーションでは、移動物体５１の矢符５２で示す回転移動方向への熱伝導に関する熱伝導率のみに、補正係数を乗算して大きくした補正熱伝導率を用いるので、回転方向の熱エネルギ移動が促進される。その結果、移動物体５１の温度分布は回転方向のみ平均化され、回転方向の熱エネルギ移動が促進されるという条件下で温度場の釣合いを計算する。流体速度計算により求めた表面流体速度と自然対流により流れの計算をすることで、実現象の定常状態を表すことが可能、すなわち定常解析によって系の飽和状態を求めることが可能になる。以下、釣合い計算を繰返し、最終的に釣合い計算が収束に達した時点で、シミュレーション計算が終了となる。
【００６５】
以上に述べたように本発明の熱流体シミュレーション装置および方法によれば、移動する物体を含む系において熱流体シミュレーション計算するに際し、メッシュを移動させることなくシミュレーション計算を行うことによって、各計算ステップにおける釣合い計算を不要にするとともに、移動物体に接する流体の速度である表面流体速度を境界条件として用い、移動物体に接する面の流体の影響を計算に組込むことによって、熱流体シミュレーション計算の時間短縮と精度の向上とが可能になる。
【００６６】
また本発明は、コンピュータを熱流体シミュレーション装置として動作させるための熱流体シミュレーションプログラム、すなわち前述の図６に示すフローチャートの手順をコンピュータに実行させるための熱流体シミュレーションプログラム、および熱流体シミュレーションプログラムを記録したコンピュータ読取り可能な記録媒体を提供する。
【００６７】
熱流体シミュレーションプログラムを記録する記録媒体としては、前述の制御手段１５に備えられるたとえばＲＯＭなどが挙げられる。また記録媒体は、外部装置としてプログラムの読取装置が設けられ、該読取装置に挿入されて読取られるものであってもよい。
【００６８】
外部で読取られるタイプの記録媒体が、本熱流体シミュレーション装置１０に用いられる場合、読取装置によって記録媒体から熱流体シミュレーションプログラムを読出し、読出された熱流体シミュレーションプログラムは、制御手段１５に備えられる不図示のプログラム記憶部にダウンロードされて、実行される。なおダウンロード用のプログラムは、制御手段１５の記憶部に予め格納されているものとする。
【００６９】
読取装置で読取られるタイプの記録媒体としては、カセットテープなどの磁気テープ、フレキシブルディスクなどの磁気ディスク、コンパクトディスク（ＣＤ）、デジタルバーサタイルディスク（ＤＶＤ）、ミニディスク（ＭＤ）、Magneto Optical Disk（ＭＯ）などの光もしくは光磁気記録媒体、Integral Circuit（ＩＣ）カード（メモリカードを含む）、光カード、半導体メモリを含めた固定的にプログラムを担持するマスクＲＯＭ、
Erasable Programmable Read Only Memory（ＥＰＲＯＭ）、Electrically Erasable
Programmable Read Only Memory（ＥＥＰＲＯＭ）、フラッシュＲＯＭなど挙げられる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の実施の一形態である熱流体シミュレーション装置１０の構成を簡略化して示すブロック図である。
【図２】移動物体の回転と流体の速度との関係を説明する図である。
【図３】流体速度計算手段１４における表面流体速度の演算方法を説明するフローチャートである。
【図４】回転移動物体における表面流体速度の事例を示す図である。
【図５】ベルト移動物体における表面流体速度の事例を示す図である。
【図６】図１に示す熱流体シミュレーション装置１０を用いて行われる熱流体シミュレーション方法を説明するフローチャートである。
【図７】図６のフローチャートに示す熱流体シミュレーションの事例を示す図である。
【図８】従来の熱流体シミュレーション方法を説明する図である。
【符号の説明】
【００７１】
１０  熱流体シミュレーション装置
１１  計算条件供給手段
１２  シミュレーション計算手段
１３  熱伝導率補正係数計算手段
１４  流体速度計算手段
１５  制御手段
１６  記憶部
１７  表示手段
２１  形状データ記憶部
２２  物性データ記憶部
２３  計算条件データ記憶部
２４  境界条件補正データ記憶部
２５  入力部
２６  流れ場計算部
２７  温度場計算部
【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】
2007179501.tif 000008
【図７】
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【図８】
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