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FreeCAD OpenFOAM Workbenchセットアップと課題 [FreeCAD OpenFOAM Workben]


FreeCAD OpenFOAM Workbenchについて知る機会がありました。

FreeであるOpen SourceのFreeCADとOpenFOAM。

ついにCAD上で流体ソフトがOpen Sourceで動くとは、ムネアツです。


結論から言うと、色々課題があります。gmshやcfMeshが動かなかったり。

まだ単相流のみで、乱流モデルはk-ωSSTの一択であったり。

でもこれははじまりであり、うまく手の内化して日本人の手で作れる日を…

自分でも作れるようになれる日を…

期待しましょう!


現時点でのセットアップ方法などをまとめました。ご覧ください。




pdfファイルはこちらから。


一緒に取り組む方募集中!

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くさび効果定量評価(その1) [simpleFoam]



トライボロジーについて、この秋から調査を進めています。

結論から言えば、市販アプリで十分な定量評価ができています。

それをOpenFOAMで試してみようと思ったわけですが…。

結果は1000倍違っておりました。

この違いの仕方は単位換算でミスがあるパターンのような気がしますが。

(青がOpenFOAMの結果。オレンジがレイノルズ方程式の解)

1.PNG

圧力ピーク値も15%ほどズレがあります。


メッシュのトポロジーは悪くないと思います。解像度が足りないのか?

mesh.png

結果はそれっぽいのですが・・・

press.png


もう少し考えてみますか・・・orz



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相対速度の結果処理 [simpleFoam]



先日の相対速度を応用した解析で、結果処理をもっとお手軽にと悩んでおりましたが、

OpenFOAMのフォーラムに質問したところ、アドバイスを頂きました。


ParaViewのCalculatorを使います。

Calc2.png

拡大しましょう。

キャプチャ.PNG

計算式は以下の様になります。

(iHat*U_X-iHat*1)+jHat*U_Y+kHat*U_Z

iHat, jHat, kHat これはx,y,z方向の単位ベクトルです。

つまり、入力式はベクトル量ということですね…。

スカラーとベクトルでウィンドウを分けてくれると分かりやすいのですが。


結果はこんな感じです。

U_after.png

ベクトル表示

U_after2.png


ちなみの結果処理前。

U_before.png

U_before2.png

参考にした記事はこちら。(要登録)



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移動する物体周りの圧力と流れ [simpleFoam]



表題の解析をするに当たり。移動メッシュ適用を考えるが、結構ハードです。

スライド1.PNG

もっとお手軽にできないかと考えて、移動する側を壁面にしてみようと思いました。

ただ、このまま解析をしても速度分布は壁面が早い状態となってしまうので、

結果処理で空間の速度分布から壁面速度を差し引く事を考えました。

スライド2.PNG


結果はこんな感じになりました。

速度分布

vect.png

うーん…壁面に与える速度は逆方向にした方がよかったか。

これでは物体は左に移動する結果となってしまうな。今後の反省としよう。

とにかく…圧力分布。

pres.png

まぁ…それらしく見える。


最後に速度のY方向(縦方向)の分布

vmag_y.png

移動する物体が周りの物体を押しのけようとしている感じが、何となく出てると思う。


開放の境界条件は、以下の通りとしました。

速度勾配ゼロ(ノイマン条件)

圧力は0で固定(ディリクレ条件)


残差グラフ

resi.png


Excelに数列をコピペしてX方向の速度成分を処理しましたが、

Paraviewでもっと簡単に結果処理する方法はないものでしょうか??



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吹き出し流れと吸い込み流れ [simpleFoam]



とある機械にて。

吹き出し流れと吸い込み流れに関する相談を受けました。


基本的に吹き出し流れは指向性があり、吹き出し方向に沿って流れます。

一方、吸い込み流れは全体から流れ込むような特性があります。

それを簡単にモデル化して試してみました。


途中結果ですが、収束性がイマイチなので恐らく大勢は変わらないと思います。

streamline.png


吹き出し流れだけを取り出すと、こうなります。

blow_only.png


吸い込み流れだけを取り出すとこんな感じ。どこから吸い込んでいるか、

吸い込み口毎に流線に色を付けてみました。

suction.png

吹き出し流れの影響を受けておりますので、単純ではありませんが・・・

吸い込みの時とはずいぶん違いますね。


ちなみにメッシュと境界条件はこんな感じです。

mesh_all.png

流入境界条件付近。

mesh3.png

流出境界条件(吸込み口)近く。

mesh2.png

物質収支を取るための圧力境界。

mesh.png

可視化は理解を助け、説得力を増すことができますな。



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液膜へ液滴が衝突してできるクラウン [multiphaseInterFoam]


先日、自動車技術会 2017年春季大会学術講演会に参加してきました。

そこで下記の発表を聴講しました。


オイル油膜に対するディーゼル噴霧衝突挙動のモデリング(第2報)

臨界ウェーバ数の計測

溝渕 直人(同志社大学大学院)他5名


液膜にディーゼルインジェクタからの噴霧が衝突した時の挙動の報告で、

こんな感じになるそうです。

(同報告の予稿集より引用)

文献.PNG

ミルククラウンの様な挙動ですが、クラウンに含まれるのはベースの液か?液滴か?

結論から言うと、両方でしたが。

それで解析でも再現できるか否か。調べてみることにしました。


解析モデルはこんな感じです。

解析条件.png

本当は二次元軸対称で計算したかったのですが、うまく行かないので、

単純な2次元モデルにて、軸対称部分はslip境界を代用。

オレンジの球がオイル。水色の部分が水としております。

ただし、オイルと水の物性値は互いに同じ、水を使っております。


【物性値:水・オイル】

・密度:1000kg/m3

・動粘度:1e-6 m2/s

・表面張力:0.07N/m(水-オイル、水-空気、オイル-空気)

・液滴径:0.004m


まずは結果(動画)から。

drop_anime.gif


クラウンを形成する時の状態(断面に相当)はこんな感じ。

12.png

この盛り上がりの部分がクラウンに相当しますが、

確かに両方の物性が含まれております。


で、どうやってこうなったか?

静止画で追ってみるとこんな感じになります。

1.png


2.png

3.png

4.png

6.png

7.png

8.png

9.png

オイルの液滴が水の液膜で潰れながら広がり、重なるようにクラウンに盛り上がる様です。


ちなみに液滴が衝突する速度は約1.3m/s。

velocity.png

We(ウェーバー数)を試算してみると96.6くらいで、

同志社大学の実験条件と違いますが、だいたいの傾向は捉えているように思います。




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OpenLBのファイル構造 [OpenLB]


・ 


 


GWにOpenLBのチュートリアルファイル構成を調べてました。


詳しくはコチラからダウンロードしてみてください。(エクセル2016で作成)


それぞれのチュートリアルを比較しやすい様にしました。



構成は大体こんな感じです。


include群:2次元/3次元のモデルで使い分けが必要


namespase群:変数の宣言みたいなもの?


define群:倍精度の定義(すべてが倍精度)と、格子タイプの選択をしている。


simulation parameters群:緩和係数などの計算に関するパラメータの設定。


geometry群:形状や境界条件の設定などがされている。


Prepare Lattice群:格子に関する設定がある。


Boundary群:格子と境界条件の紐づけの設定の様だ。


Output群:出力に関する設定


ここまでが、OpenFOAMでのcontrolDictやfvSolutionなどに相当しそうだ。


プログラムの書き方としては、ここまでがサブルーチンのようなもの(だと思う)。


この先がメインプログラム。


// === 1st Step: Initialization ===


格子サイズや物性とかを規定している様だ。


// === 2nd Step: Prepare Geometry ===


stlファイルを読み込んだりする。


そうでない場合は、モデルの寸法を定義する。


// === 3rd Step: Prepare Lattice ===


格子の設定をする。詳しくはまだ未解読。


// === 4th Step: Main Loop with Timer ===


計算ループに関する記述が書かれている。どうループさせるか、いつ終わるか。


STEP4~7は同じループで回っている様だ。


// === 5th Step: Definition of Initial and Boundary Conditions ===


境界条件の反映をしている。


// === 6th Step: Collide and Stream Execution ===


衝突の計算(LBMは勉強中なのでよく分からないが)をしている。


// === 7th Step: Computation and Output of the Results ===


結果途中に行う結果出力。



OpenLBの活用の仕方としては、


OpenFOAM同様、チュートリアルをコピーしながら…となると思います。


メッシュ制御とか、少しずつ見えてきておりますので、バックステップ流れのような、


単純形状で試していこうかと思います。



・・・どなたか、一緒にやりませんか?


OpenLB.png



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ベナール対流(その3) [buoyantPimpleFoam]

・ 

ベナール対流がどこまで定量値と合っているかを、整理しました。

詳しくはこちらのスライドで確認してください。

定性評価・定量評価ともにまずまずの結果です。 

 

4月13日にOpenFOAM勉強会(岐阜)で報告します。

・ 

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ケースファイルはこちらから


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ベナール対流(その2) [buoyantPimpleFoam]

・ 

buyantPinpleFoamという、非定常ソルバーで動きを確認してみた。 

渦の形が変化していく様子が分かる。

温度分布も一緒に見ると、渦と共に変化している。 

 

当初、buoyantPimpleFoamで均一温度から計算したけど、

温度分布が発達しないので、定常計算で初期条件を求めてみたが、

定常計算でもまずまずの渦の発達は見えていた。

ただ、非定常計算の結果の方が妥当な気がする。

もっとカオス的に変化するかと思ったけど、ある時間以降で安定していく様子が、

この結果から分かる。

・ 

ケースファイルはこちらから


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ベナール対流(その1) [buoyantSimpleFoam]

・ 

平板内にある流体の熱移動の現象の一種である、ベナール対流について取り組んでみた。 

温度差が小さい、もしくは距離が小さい場合…

もう少し言えば、レイリー数が小さい場合は、熱伝導のみが起こる。 

ある点から対流が起こり始め、熱伝達係数が上昇する。

その対流が解析で再現するかどうかの確認。 

・ 

とりあえず、上面は60℃、下面を100℃にして計算。

空間サイズは幅方向は適当で100mm。高さ方向も20mm。

物性値は空気の物性値(温度依存性あり)で計算。

結論から言えば、それらしい結果は出ました。 

(温度分布)

temp.png

(速度分布)

vector.png

定常計算でもまずまず行けそうだな。

今は温度境界条件を固定にしているので、

温度移動量は決定されてしまうので評価はできなさそうだけど…。

工夫すれば理論解との検証もできそうだ。 

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