逆解析を用いた空調吹き出し口の最適風向決定法の改良
213-108

長谷川翔也

１．はじめに 逆問題の解決手法に「随伴変数法」に基(吹き出し口 1cm、吹き出し口周辺 2cm 幅で解像)定常づく逆解析 1)がある。随伴変数法は局所最適解の発見にCFD 解析を行い、比較を行った。解析条件を表 2 に示す。

適するが、GA（遺伝的アルゴリズム）のように、大局最結果、本検討での格子では両者の差は縮まったが横長格適解の発見には不向きである。本研究では、逆解析を用子に若干の格子依存性が見られた(図 4 参照)。以降の検いて GA 等の全範囲探査を実施した場合と同等の「最適討では立方体格子を用いる。
表 2 CFD 解析条件風向」を導くことを目標とする。既報 2)では、空調の吹き出し口風向の最適化について、予め簡単な非定常解析

エアコンで大局最適解から遠くはないであろう初期風向を決定す

CFD 解析

ることで、全範囲探査を実施した場合と同等の「最適解」を導く可能性を提示した。ただし既報 2)では、上下の角度変化に限定した上、対応可能な角度は吹き出し面の法吹き出し風量10.08 ㎥/min

吹き出し角度30°

収束判定

10-5

格子数(立方体)

1,337,700 (x:65 y:196 z:105)

格子数(横長)1,041,180 (x:67 y:140 z:110)

線方向から 50°程度の範囲に限られる制限があった。
本卒業研究では、等温場条件において任意領域に到達する気流速度の向上を目標とした逆解析を実施し、従来方式に以下の点を改良することで提案手法の完成度向上を図る。

図 3 既報 2)での立方体格子(左)と横長格子(右)の速度分布

1）水平から真下まで 90°の角度変化を可能とするエアコン吹き出し口の構築
2）上下・左右の吹き出しを可能とした風向最適化
2．共通解析条件
本研究では、(株)アドバンスドナレッジ研究所の CFD
ソフト FlowDesigner13 を使用。解析条件を表 1 に示す。

図 4 本報での立方体格子(左)と横長格子(右)の速度分布

表 1 CFD 解析条件
乱流モデル

アルゴリズム標準 k-ε モデル

SIMPLEC 法

移流項差分スキーム
べき乗法(power)

3.3 斜め吹き出しの再現(解析条件は表 2 に準ずる)
吹き出し面がフラットな場合、メッシュ

風向が法線方向から約 50°を構造格子超えると明らかに不自然な結果

3．CFD 解析に関する事前検討となる。この場合、水平成分が3.1 解析概要最適化を行う上での解析条件を検討す多い場合と真下成分が多い場合る。室内モデルを図 1、エアコン近傍の様子を図 2 に示でエアコン吹き出しの仕様を変す。
0.7m

エアコン

0.25m

ZX
図 5 上下吹き出し角度える必要が生じてしまう。本検討では吹き出し口を階段形状で再現し、吹き出し角度 0°(吹き出し面を横面に配置)、90°(吹き出し面を下面に配置)で解析を行い、フラ0.3m ットの場合と比較して斜め吹き出し気流を再現できるか2.5m検証する。吹き出し風量は 2.4 ㎥/min とする。結果、吹1.5m5.0m

図 1 室内モデル

吹き出し口(1cm ごとの階段形状)

き出し角度 0°(図 6 参照)、90°(図省略)ともにほぼ等しい結果となり、斜め吹き出しを再現できた。

図 2 エアコン格子モデル

3.2 格子に関する検討(解析条件は表 2 に示す)
既報 2)では吹き出し口付近の格子の切り方が幾らか粗く、横長格子では立方体格子に比べて、格子の長手方向吹き出し口吹き出し口に流れが伝わりやすくなる格子依存性が見られた(図 3参照)。そこで、吹き出し口付近の格子の切り方を整えて

図 6 横吹き出し口(左)と本検討の吹き出し口(右)の速度分布

4. 上下・左右の最適風向決定法

エアコン
住宅のリビング 評価領域(0.3m 角)(中心高さ Z =1.65m)

4.1 解析概要

程度の居室を想定して評価領域風2.5m速の最大化を目指す風向最適化を試みる。室内モデルを図 7 に示す。
上下の変化では吹き出し口格子の3.5m

5.0m

4.3 障害物がある状態での風向最適化
障害物がある状態で風向最 評価領域(0.3m 角)適化を行う。1)初期風向を適 (中心高さ当に決めた場合と、2)非定常解析で初期風向を決定した場
合とでの最適化結果の比較をZ =1.65m)

エアコン
障害物
2.5m

5.0m
3.5m
図 11 室内モデル

図 7 室内モデル
格子の水平面には Z 方向成分の風速を定義して、これら行う。室内モデルを図 11 にの合成ベクトルを常に一定とさせながら、0°から 90°1) 解析条件を表 3 と同様にして解析を行う。最適化結果まで可変とする。左右の変化は吹き出し口格子の鉛直面、を図 12 に示す。最適風向は CFD 解析、逆解析を 3 回繰

水平面共に法線方向成分の風速を固定して、接線方向成り返した結果、上下風向角 40°、左右風向角 60°とな分のみを変えることで 180°全てに可変とする。風向最り、評価領域内平均風速は 0.080m/s となった。

適化手法の流れを図 8 に示す。

2) 非定常解析(表 5 参照)を行い、初期風向を決定する。

非定常解析

比較的粗いピッチ(上下左右 15°ずつ)で風向を段階的に鉛直面に X 方向成分、吹き出し口

新たな風速ベクトル値の算出

変え、評価領域内の風速が最大の結果(図省略)となった
CFD 解析

外部連携
Excel(VBA)※1
風向感度の算出

NO

逆解析
YES

終了判定※2示す。

最適化終了※1 風向感度(逆解析で 3 成分算出される)に応じて、次の風向を決定する。ただし、奇数回は上下方向、偶数回は左右方向の風向変化を行う。
※2 最適化終了の条件は次の 新
たな風速ベクトル値 を用いてCFD 解析を行い、評価領域内風速の変化率が 0.2%以下になった場合とする。

向最適化を行う。最適化結果を図 13 に示す。
最適風向は最適化 2 回目の上下風向角 25°、左右風向角 80 ° と い う 結 果 に な り 、 評 価 領 域 内 平 均 風 速 は0.173m/s となった。この結果より障害物がある状態での風向最適化は、非定常解析を用いて初期風向を決定する
ことにより、全範囲探査を実施した場合と同等の最適風

図 8 最適化のフローチャート
4.2 上下・左右方向の風向最適化

上下風向角 30°、左右風向角 75°を初期風向とし、風向を導くことができたと考えられる。

解析条件を表 3 に示す。初期変化は 5°とし、最適風向を超えたら 1 つ前に

上下風向角 40°
左右風向角 60°

上下風向角 25°
左右風向角 80°

障害物

障害物

評価領域
(0.080 m/s)

評価領域
(0.173 m/s)非定常解析 なし

非定常解析 あり戻り 3°、1°と変化させる。初期風向は上下風向角 45°、左右風向角 65°、評価領域内平均風速は 0.036m/s であった。最適化結果を図 9 に示す。最適風向は CFD 解析、逆解析を 11 回繰り返した結果、上下風向角 19°(図 5参照)、左右風向角 50°(図 10 参照)という結果になり、評価領域内平均風速は 0.456m/s となった。初期風向時よりも風速は格段に大きくなっている。
3.4 ㎥/min
上下:45°左右:65°
計算回数(上限)
2000 回CFD 解析
収束判定
10-4
計算回数(上限)
2000 回
逆解析
10-4
収束判定
評価領域内 目標風速
1.5m/s
格子数817,800(x:94 y:116 z:75)
エアコン

風量表
3 解析条件初期風向

上下風向角 19°
左右風向角 50°

図 12 最適化結果(Z =1.15m) 図 13 最適化結果(Z =1.15m)
表 5 解析条件
吹き出し風速1.0m/s

経時変化(刻み時間 0.2 秒)

3min ごとに風向変化

5. まとめ

吹き出し可能範囲の拡大を可能とする吹き出し面の構築を行い、風向最適化手法の風向可変範囲を左右方向へ拡張させた。また、障害物がある状態での風向最適化手法を提案し、解析例を提示した。今後は、放射解析を含めた温度場の解析を検討する。

評価領域(0.456 m/s)

XY
図 9 最適化結果(Z =1.65m) 図 10 左右方向吹き出し角度

参考文献1) 桃瀬一成, 池島薫、感度解析に基づく熱対流場設計支援システムの開発（変分法に基づく感度解析）、空気調和衛生工学会大会 E-11 ,P.403-406, 2006.92) 長谷川翔也,河野良坪ら：逆解析を用いた空調吹き出し口の最適風向決定法の確立,日本建築学会学術講演梗概
集,NO.40509, 2016.8（河野研究室）