自然対流の解析条件について

[art.sugawara]

いつもお世話になっております。

 

自然対流の熱解析を始めようと、手始めに

OpenFOAM-2.2.x/tutorials/heatTransfer/buoyantBoussinesqSimpleFoam/hotRoom

を参考にして、閉領域内部に熱源を持つ2次元解析を行いました。

添付図がモデルと結果です。

 

これから流入口／流出口のあるモデルに変えて、自然換気をさせたいのですが教えてください。

 

１．流入／流出の境界条件はどうすればいいのでしょうか？

0フォルダには沢山の設定があってよく分かりません。

 

２．流入／流出があいまいな開口部はどのような設定にすればいいのでしょうか？

pressureInletOutletVelocityとか圧力規定条件は知っているのですが．．．

 

３．流入／流出のベクトルが不明な場合はどうすればいいのでしょうか？

立壁の開口部などは流れの方向も向きもちょっと見極めしにくいです。

 

元モデルの0フォルダのファイル群を添付させていただきました。

systemフォルダの方はチュートリアルそのままです。

よろしくお願いします。

 

[ohbuchi]

こんにちは。
速度が規定できないのであれば、圧力境界条件を使うしかないと思います。

排気口（z大）、吸気口（ｚ小）で下記の組合せにします。
　　p_rgh　　fixedValue
    p           calculated
　　U　　　　 zeroGradient　　　// パッチが大きく逆流が生じる場合はpressureInletOutletVelocityなどが良い
    k, epsilon, nut, kappat      zeroGradient

実験などで吸排気口の静圧がわかっているならその値を指定することでより現実的な計算が可能ですが、
わからない場合はp_rghを０に置くしかありません。
こうすると、排気口から吸気口への圧力損失が考慮されないため、換気流量は過大評価されます。

換気量がわかっているなら、吸排気口のどちらかにポーラスバッフルを適用して圧力損失を加えれば、
換気量の調節も可能だと思います。

より厳密には、建屋外部もモデリングして排気→吸気への経路も計算すると直接換気量を予測できるでしょう。

以上、ご参考まで。


2014年5月12日月曜日 19時37分32秒 UTC+9 art.sugawara:

[art.sugawara]

いつもお世話になっております。

ohbuchi 様、アドバイスありがとうございます。

それぞれの設定の物理的意味合いもよく理解できていないままで
恥ずかしい限りですが、条件を作ってみました。ケースディレクトリを
添付しました。

解析した結果がpositiveG.pngです。これは重力ベクトルが( 0 0 9.81 )
なのですが、最初は( 0 0 -9.81 )でやっていて、収束しなくて疑問に思い、
反転させたものです。-9.81で解析した結果はnegativeG.pngです。

重力を反転させたので結果ベクトルが逆になるだけと思ったら
まるで異なる結果で困惑しています。

よろしくお願いいたします。


2014年5月13日火曜日 11時19分21秒 UTC+9 ohbuchi:

[art.sugawara]

自己レス（補足）です。

仕事場のPC（DEXCS2012、OpenFOAM 2.2.x）でモデル作成していたのですが、
ケースディレクトリを自宅PC（Ubuntu 13.10、OpenFOAM 2.2.2）に持ってきて、
計算させたらエラーになりました。2.2.2のチュートリアルと比較したら、alphatの
dimensionも壁関数も違っていたので、2.2.2のチュートリアルに合わせたら計算は
進むようになったものです。

[ohbuchi]

こんにちは。
重力加速度の向きを変えると、流入流出パッチが入れ替わります。
スカラー量の境界条件を流入側でzeroGradientにすると、どんな値が
入ってくるかわからないので問題です。inletOutletを使うか、流入方向
を見てfixedValueに切り替える必要があります。
また、出入口ともp_rghを０固定にすると、重力加速度の符号により
物体周囲のp_rghの符号が反転するため、フローパターンが大きく
変わってしまうのではと思いました。
やはり、浮力の向きを見てｐ＿ｒｇｈの境界条件を
　流入側：　zeroGradient
  流出側：　fixedValue
にするのが一番安定な様です。私の2.2.xで試したところ、上記の変更によって、
ｇの符号を反転しても対称な結果が得られました。
OutletInletなども試しましたが、非対称なパターンが定着したりして対称な解が
得られませんでした。

出入口の差圧がほとんどなく、ちょっとしたバランスで大きくフローパターンが変わって
しまい、簡単な様でなかなか難しいと感じました。

以上、ご参考まで。




2014年5月14日水曜日 21時36分24秒 UTC+9 art.sugawara:

[art.sugawara]

ohbuchi 様　回答有難うございます。

いただいた回答を読んでヒントを得ました。
自然対流では熱源による浮力で流れが決まり、換気口の流れも連動するので
換気口の境界条件は流入／流出を固定化しない設定ができないかと考えました。
そこでinlet、outletの両方で同じ条件を設定しました。
　Tでは、
　　fixedValue;
　　uniform 300;

　Uでは、
　　pressureInletOutletVelocity;
　　uniform (0 0 0);

　p_rghでは、
　　fixedValue;
　　uniform 0;

というものです。同じ境界条件で重力を反転させても、ほぼ同じイタレーションで
速度ベクトルが反転しただけの結果が得られました。
ちなみに、T条件は流入では３００度固定条件ですが、流出する場合は作用なし
と考えていいものでしょうか？

この考え方と設定内容は妥当なのでしょうか？
アドバイスをおねがいします。

それからついでにお聞きします。
OpenFOAM 2.2.xとOpenFOAM 2.2.2の
buoyantBoussinesqSimpleFoam/hotRoom
を比較してみると、

system/fvSchemes
2.2.x：aplacian(kappaEff,T) Gauss linear corrected;
2.2.2：laplacian(alphaEff,T) Gauss linear corrected;

0/kappatが2.2.xにしかない。

0/alphat
2.2.x：
　　dimensions      [1 -1 -1 0 0 0 0];
　　壁関数がalphatWallFunction
2.2.2：
　　dimensions      [0 2 -1 0 0 0 0];
　　壁関数がalphatJayatillekeWallFunction

という違いがあります。
2.2.xのhotRoomを2.2.2で計算すると、「そんな壁関数は知らん」となるし、
2.2.2のhotRoomを2.2.xで計算すると、「kappatがないよ」となります。
バージョンの違うチュートリアルが流れないということはあるかと
思いますが、ディメンジョンが違うということは、別の物理量を同じalphat
と表記しているのかと思います。
2.2.2のalphatはディメンジョンから推定して温度拡散率ではと想像して
いますが、2.2.xのalphatははたして何者なのでしょうか？



2014年5月15日木曜日 11時19分43秒 UTC+9 ohbuchi:

[ohbuchi]

こんにちは。

妥当な解が得られた様で何よりです。

kappatからalphatへ変数名が変更されたのは2013年6月11日で

2.2.2がリリースされた10月よりも前ですから、2.2.xが6月以降

のバージョンなら同じになっている筈です。

この変更は単なる名称変更なので次元は同じです。

ソースコードの変更履歴は、GitリポジトリのHistory機能で確認

できます。

2014年5月16日金曜日 21時46分36秒 UTC+9 art.sugawara:

[art.sugawara]

ohbuchi 様

私が使っている2.2.xはオープンCAEワークショップ2013で配布されたもので、
2013年5月28日時点のものでした。kappatからalphatへの変更直前のよう
です。了解しました。

チュートリアルhotRoomには、kappatもalphatもあるのですが、alphatを削除
しても計算できたので、このalphatは使われていないようです。


2014年5月17日土曜日 7時56分06秒 UTC+9 ohbuchi: