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OpenFOAMにおける相変化解析
- 1. 山本卓也 OpenFOAMにおける相変化解析 東北大学大学院 工学研究科 金属フロンティア工学専攻 環境科学研究科 先端環境創成学専攻 1
- 2. 本日の内容 1. OpenFOAMによる相変化解析の基礎 2. OpenFOAMによる相変化解析の設定例と演習 • OpenFOAMとは？ • OpenFOAMにおける相変化問題 • OpenFOAMにおける溶融凝固問題 • solidificationMeltingSourceの説明 • Galliumの溶融問題 • 補足 Q & A 4
- 3. 本日の内容 1. OpenFOAMによる相変化解析の基礎 2. OpenFOAMによる相変化解析の設定例と演習 • OpenFOAMとは？ • OpenFOAMにおける相変化問題 • OpenFOAMにおける溶融凝固問題 • solidificationMeltingSourceの説明 • Galliumの溶融問題 • 補足 Q & A 5
- 4. OpenFOAMとは？ Open Field Operation And Manipulation Imperial college Londonの研究室（Gosman研）でスタートしたCFDパッケージ 特徴: オープンソースである 汎用的なオブジェクト指向で書かれている 流動、伝熱だけでなく、化学反応、燃焼、電磁場、粒子解析も 複雑形状に対応可能(任意格子形状) 世界中にユーザーがいて、互助会がある デベロッパーだけでなく、ユーザー側からの更新も可能 Linux (Unix)のコマンドで実行 （Windows, mac上で環境構築可能） 6
- 5. OpenFOAMの守備範囲 解析できる対象 • 非圧縮性流体(ニュートン性流体、非ニュートン性流体、随伴解析、乱 流モデル、・・・) • 圧縮性流体(圧縮性流体、音速流) • 気液混相流(VOF法、Euler-Euler法、相変化、キャビテーションモデル) • 熱流体解析(固液領域連成、輻射解析、熱対流、溶融凝固) • 電磁場解析(静電場解析、MHD解析) • 応力解析 • 離散的な解析(離散要素法、流体-粒子連成解析、燃焼モデル) • 金融(Black-Scholes方程式) 基礎的な解析はほとんど可能 7
- 6. OpenFOAMの歴史 ~2003 Imperial college Londonで開発、商用ソフト(FOAM)として販売 2004~ OpenCFD社がOpenFOAMをオープンソースとして公開 2011 OpenFOAM Foundation Inc.が設立し、OpenCFD社をSGI社が買収 2012 OpenCFD社がESI社が買収 2016 OpenFOAM Foundation版とESI-OpenCFD社版に分裂 OpenFOAM Foundation版 OpenFOAM ESI-OpenCFD版 OpenFOAM-v3.0+, OpenFOAM-v1606+, OpenFOAM-v1612+, OpenFOAM-v1706, … 現在の最新VersionはOpenFOAM-v2106 年2度更新(6月、12月) 2020年6月更新はv2006、2018年12月更新はv1812という命名方法 OpenFOAM-4.0, OpenFOAM-4.1, OpenFOAM-5, OpenFOAM-6, … 現在の最新VersionはOpenFOAM-9 年1度更新(7月) OpenFOAM-devとして開発版も存在する 8
- 7. 本日の内容 1. OpenFOAMによる相変化解析の基礎 2. OpenFOAMによる相変化解析の設定例と演習 • OpenFOAMとは？ • OpenFOAMにおける相変化問題 • OpenFOAMにおける溶融凝固問題 • solidificationMeltingSourceの説明 • Galliumの溶融問題 • 補足 Q & A 9
- 8. OpenFOAMにおける相変化問題 10 • 溶融凝固 (固液) fvOptions/solidificationMeltingSource ver. 2.3 (2014年)以降利用可 Foundation版ではver. 9以降名前が変更 • キャビテーション発生 (気液) interPhaseChangeFoam Foundation版ではver. 8まで利用可能 ESI版では利用可能 cavitatingFoam ver. 1.6(2009年)以降このsolver名に • 凝縮、蒸発(気液) interCondensatingEvaporatingFoam ESI版OpenFOAM-v1606+以降 Foundation版は利用不可 • 反応(固気液) icoReactingMultiphaseInterFoam ESI版OpenFOAM v1806以降 Foundation版は利用不可
- 13. OpenFOAMにおける相変化問題 15 ESI版, Foundation版の両方で 利用可能な溶融凝固問題の 使い方を説明する • 溶融凝固 (固液) fvOptions/solidificationMeltingSource ver. 2.3 (2014年)以降利用可 Foundation版ではver. 9以降名前が変更 • キャビテーション発生 (気液) interPhaseChangeFoam Foundation版ではver. 8まで利用可能 ESI版では利用可能 cavitatingFoam ver. 1.6(2009年)以降このsolver名に • 凝縮、蒸発(気液) interCondensatingEvaporatingFoam ESI版OpenFOAM-v1606+以降 Foundation版は利用不可 • 反応(気液) icoReactingMultiphaseInterFoam ESI版OpenFOAM v1806以降 Foundation版は利用不可
- 14. 本日の内容 1. OpenFOAMによる相変化解析の基礎 2. OpenFOAMによる相変化解析の設定例と演習 • OpenFOAMとは？ • OpenFOAMにおける相変化問題 • OpenFOAMにおける溶融凝固問題 • solidificationMeltingSourceの説明 • Galliumの溶融問題 • 補足 Q & A 16
- 15. OpenFOAMにおける溶融凝固問題 fvOptionによって利用可能 fvOptionのtype: solidificationMeltingSource OpenFOAM-2.3から実装 (2014年以降) 以下のsolverで利用可能 chtMultiRegionFoam, buoyantPimpleFoam, buoyantBoussinesq PimpleFoam(ESI版のみ)等の熱対流用solver 以下のtutorialでsolidificationMeltingSourceが利用されている heatTransfer/chtMultiRegionFoam/windshieldDefrost (ESI版) Voller and Prakash (1987)によって開発されたEnthalpy-Porosity法 を利用 17 V. R. Voller and C. Prakash, Int. J. Heat Mass Transfer 30 (1987) 1709-1719
- 18. Enthalpy-Porosity法 Enthalpy-Porosity法概略図 20 • 固体部分、液体部 分、共存部分をそ の液体率aで表現 • 固体部分、共存部 分で流体抵抗を加 えることで、固体 液体共存系を表現 • 温度に依存して液 体率を変化させ、 液体率の変化に 応じて潜熱の発生 も数式に導入
- 19. Enthalpy収支式からのモデル導出 Enthalpy収支式 21 𝜕 𝜌ℎ 𝜕𝑡 + ∇ ⋅ 𝜌𝒖ℎ = ∇ ⋅ 𝑘∇𝑇 h: エンタルピー 𝜌: 密度 𝑡: 時間 𝒖: 速度 𝑘: 熱伝導率 𝑐𝑝: 比熱 𝐿: 潜熱 𝛼𝑠: 固体体積分率 𝑇𝑙: 液相線温度 𝑇𝑠: 固相線温度 エンタルピーを潜熱Δ𝐻、顕熱ℎ𝑠で表現する ℎ = ℎ𝑠 + Δ𝐻 ℎ = 𝑐𝑝𝑇 + 𝑓 𝑇 𝑓 𝑇 = 𝐿 𝐿 1 − 𝛼𝑠 0 𝑇 ≥ 𝑇𝑙 𝑇𝑙 > 𝑇 ≥ 𝑇𝑠 𝑇 < 𝑇𝑠 液相線温度、固相線温度とは？ V. R. Voller and C. Prakash, Int. J. Heat Mass Transfer 30 (1987) 1709-1719
- 21. 純物質でのエンタルピーの定義 23 エンタルピーを潜熱Δ𝐻、顕熱ℎ𝑠で表現する ℎ = ℎ𝑠 + Δ𝐻 ℎ = 𝑐𝑝𝑇 + 𝑓 𝑇 𝑓 𝑇 = 𝐿 𝐿 1 − 𝛼𝑠 0 𝑇 ≥ 𝜖 𝜖 > 𝑇 ≥ −𝜖 𝑇 < −𝜖 f(T) 𝛼𝑠 𝜖 −𝜖 L 𝛼𝑠 = 0 𝜖 − 𝑇 /2𝜖 1 𝑇 ≥ 𝜖 𝜖 > 𝑇 ≥ −𝜖 𝑇 < −𝜖 注: OpenFOAMに標準実装されているのは純物質での相変化のみ V. R. Voller and C. Prakash, Int. J. Heat Mass Transfer 30 (1987) 1709-1719
- 22. Enthalpy収支式からのモデル導出 Enthalpy収支式 24 h: エンタルピー 𝜌: 密度 𝑡: 時間 𝒖: 速度 𝑘: 熱伝導率 𝑐𝑝: 比熱 𝐿: 潜熱 𝛼𝑠: 固体体積分率 𝑇𝑙: 液相線温度 𝑇𝑠: 固相線温度 エンタルピーを潜熱Δ𝐻、顕熱𝑐𝑝𝑇で表現する ℎ = 𝑐𝑝𝑇 + Δ𝐻 代入 𝜕 𝜌ℎ 𝜕𝑡 + ∇ ⋅ 𝜌𝒖ℎ = ∇ ⋅ 𝑘∇𝑇 𝜕 𝜌𝑐𝑝𝑇 𝜕𝑡 + ∇ ⋅ 𝜌𝑐𝑝𝒖𝑇 = ∇ ⋅ 𝑘∇𝑇 − 𝜕 𝜌Δ𝐻 𝜕𝑡 − ∇ ⋅ 𝜌𝒖Δ𝐻 Energy式 (通常の熱対流用solver) 追加項 (fvOptions) V. R. Voller and C. Prakash, Int. J. Heat Mass Transfer 30 (1987) 1709-1719
- 23. Energy式の追加項 Energy式の追加項Sh 25 h: エンタルピー 𝜌: 密度 𝑡: 時間 𝒖: 速度 𝑘: 熱伝導率 𝑐𝑝: 比熱 𝐿: 潜熱 𝛼𝑠: 固体体積分率 𝑇𝑙: 液相線温度 𝑇𝑠: 固相線温度 𝑆ℎ = 𝜕 𝜌Δ𝐻 𝜕𝑡 + ∇ ⋅ 𝜌𝒖Δ𝐻 Δ𝐻 = 𝑓 𝑇 = 𝐿 𝐿 1 − 𝛼𝑠 0 𝑇 ≥ 𝜖 𝜖 > 𝑇 ≥ −𝜖 𝑇 < −𝜖 𝛼𝑠 = 0 𝜖 − 𝑇 /2𝜖 1 𝑇 ≥ 𝜖 𝜖 > 𝑇 ≥ −𝜖 𝑇 < −𝜖 注: OpenFOAMに標準実装されているものでは時間変化項のみ 時間変化項 移流項 V. R. Voller and C. Prakash, Int. J. Heat Mass Transfer 30 (1987) 1709-1719
- 24. 体積分率の更新(OpenFOAM) 26 𝛼𝐿 𝑛 = 𝛼𝐿 𝑜𝑙𝑑 + 𝑎relax 𝑐𝑝 𝐿 𝑇 − 𝑇melt 𝛼𝑠 = 0 𝜖 − 𝑇 /2𝜖 1 𝑇 ≥ 𝜖 𝜖 > 𝑇 ≥ −𝜖 𝑇 < −𝜖 V. R. Voller and C. Prakash, Int. J. Heat Mass Transfer 30 (1987) 1709-1719 𝜖を利用しないようにモデル化 𝜕 𝜌𝑐𝑝𝑇 𝜕𝑡 + ∇ ⋅ 𝜌𝑐𝑝𝒖𝑇 = ∇ ⋅ 𝑘∇𝑇 − 𝜕 𝜌Δ𝐻 𝜕𝑡 − ∇ ⋅ 𝜌𝒖Δ𝐻 この方程式から導出可能
- 25. porosity項のモデル 27 p: 圧力 𝐶′: 抵抗係数 𝛼𝑙: 液体体積分率 𝑞: 安定化係数 Carman-Koseny式 ∇𝑝 = −𝐶′ 1 − 𝛼𝑙 2 𝛼𝑙 3 + 𝑞 C：抵抗係数は晶出物形態によって変化 (例えば、晶出物径小で抵抗係数大へ変化) q: 安定化するためなので、小さい方が原理的には正確 Carman-Koseny式は元々 充填層や濾過時の圧力抵抗を説明する 固液共存(Mushy)領域における 流体抵抗に応用 V. R. Voller and C. Prakash, Int. J. Heat Mass Transfer 30 (1987) 1709-1719
- 26. porosity項のモデル 28 p: 圧力 𝐾: 透過率 𝜇: 粘度 𝒖: 速度 Darcy則 𝒖 = − 𝐾 𝜇 ∇𝑝 多孔体における圧力損失と速度の関係性に関する経験則 Navier-Stokes式への追加項 Carman-Koseny式とDarcy則を利用する 𝑺 = −𝐴𝒖 𝐴 = −𝐶 1 − 𝛼𝑙 2 𝛼𝑙 3 + 𝑞 S: 追加項 A: 係数 𝐶: 抵抗係数 𝒖: 速度 𝛼𝑙: 液体体積分率 𝑞: 安定化係数 V. R. Voller and C. Prakash, Int. J. Heat Mass Transfer 30 (1987) 1709-1719
- 27. 支配方程式全体 29 V. R. Voller and C. Prakash, Int. J. Heat Mass Transfer 30 (1987) 1709-1719 𝜕 𝜌𝑐𝑝𝑇 𝜕𝑡 + ∇ ⋅ 𝜌𝑐𝑝𝒖𝑇 = ∇ ⋅ 𝑘∇𝑇 − 𝜕 𝜌Δ𝐻 𝜕𝑡 − ∇ ⋅ 𝜌𝒖Δ𝐻 𝜕 𝜌𝒖 𝜕𝑡 + ∇ ⋅ 𝜌𝒖𝒖 = −∇𝑝 + ∇ ⋅ 𝜇∇𝒖 + 𝑺𝑢 − 𝐴𝒖 運動量保存式 Enthalpy保存式 上記の追加項を加えるだけ fvOptionsで後から追加するのみで様々なsolverで利用可能
- 28. 文献上の数値モデル 30 溶融凝固+物質移動（マクロ偏析） 溶融凝固+気液界面 数理モデル W. D. Bennon and F. P. Incropera, Int. J. Heat Mass Trans. 30 (1987) 2161-2170. C. Prakash and V. Voller, Num. Heat Tr. B, 15 (1989) 171-189. ベンチマーク問題 M. Bellet et al., Int. J. Them. Sci., 48 (2009) 2013-2016. H. Combeau et al., IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng., 33 (2012) 012086. 数理モデル S. Bounds et al., Metall. Mater. Trans. B, 31 (2000) 515-527. 解析事例 T. Yamamoto et al., Proc. of the 13th OpenFOAM workshop (2018) 134-136. 興味があれば論文を読んで 是非挑戦してみてください
- 29. 文献上の数値モデル 31 計算安定化手法 数理モデル F. Rösler and D. Brüggemann, Heat Mass Transfer, 47 (2011) 1027-1033. 誤差関数法 誤差関数による体積分率の数値モデル化 潜熱項を陰的に解くことが可能 溶融凝固+物質移動（マクロ偏析）+動的格子+スラリー流動 数理モデル T. Yamamoto et al., Metall. Mater, Trans. B (in press). T. Yamamoto et al., JOM (in press).
- 30. 本日の内容 1. OpenFOAMによる相変化解析の基礎 2. OpenFOAMによる相変化解析の設定例と演習 • OpenFOAMとは？ • OpenFOAMにおける相変化問題 • OpenFOAMにおける溶融凝固問題 • solidificationMeltingSourceの説明 • Galliumの溶融問題 • 補足 Q & A 32
- 31. 本日の内容 1. OpenFOAMによる相変化解析の基礎 2. OpenFOAMによる相変化解析の設定例と演習 • OpenFOAMとは？ • OpenFOAMにおける相変化問題 • OpenFOAMにおける溶融凝固問題 • solidificationMeltingSourceの説明 • Galliumの溶融問題 • 補足 Q & A 33
- 32. solidificationMeltingSourceの設定 34 fvOptions/solidificationMeltingSource ver. 2.3 (2014年)以降利用可 Foundation版ではver. 9以降名前が変更 fvModels/solidificationMeltingSource 基本的に設定は同じ
- 34. solidificationMeltingSourceの設定 36 $FOAM_SRC/fvOptions/sources/derived/solidificationMeltingSource/solidificationMeltingSource.H // Mandatory entries (unmodifiable) 記入必須 type solidificationMeltingSource; // Mandatory entries (runtime modifiable) 記入必須 Tmelt 273; 融点 [K] L 334000; 潜熱 [J/kg] thermoMode <thermoModeName>; 物性指定方法(lookup or thermo) rhoRef 800; 参照密度[kg/m3] beta 5e-6; 体膨張係数[/K] // Optional entries (runtime modifiable) オプション設定 relax 0.9; 緩和係数 T <Tname>; 温度場の変数名 rho <rhoName>; 密度の変数名 U <Uname>; 速度の変数名 phi <phiName>; 流量の変数名 Cu 1e5; 抵抗係数(標準値1x105) q 1e-2; 多孔体モデルに利用する安定化係数(標準値1x10-3) 𝑺 = −𝐴𝒖 𝐴 = −𝐶 1 − 𝛼𝑙 2 𝛼𝑙 3 + 𝑞
- 35. 本日の内容 1. OpenFOAMによる相変化解析の基礎 2. OpenFOAMによる相変化解析の設定例と演習 • OpenFOAMとは？ • OpenFOAMにおける相変化問題 • OpenFOAMにおける溶融凝固問題 • solidificationMeltingSourceの説明 • Galliumの溶融問題 • 補足 Q & A 37
- 36. 問題設定 38 ガリウムの溶融過程 C. Gau and R. Viskanta, J. Heat Transf., 108, 174-181 (1986). Gau and Viskantaの実験モデル
- 38. 溶融凝固解析手順 40 1. 熱対流用と同様にcase directoryを作成 2. fvOptions無しで計算実行 3. fvOptionsをsystem内に配置 4. 計算実行
- 39. 溶融凝固解析手順 41 1. 熱対流用と同様にcase directoryを作成 2. fvOptions無しで計算実行 3. fvOptionsをsystem内に配置 4. 計算実行
- 41. ケースディレクトリのダウンロード 43 $ git clone git@bitbucket.org:nunuma/opencae2021training.git https://bitbucket.org/nunuma/opencae2021training/src/master/ Gitユーザー その他の方
- 42. ケースディレクトリの移動 44 $ mv GalliumMelting $FOAM_RUN ケースディレクトリの移動 カレントディレクトリの変更 $ run $ cd GalliumMelting ディレクトリ内のファイルの確認 $ ls ここで、0, constant, systemと表示されるのを確認してください
- 43. ケースのコピー 45 $ cd $FOAM_RUN runに移動 コピー $ cp –r GalliumMelting GalliumWoMelting fvOptionsを利用する場合としない場合の２種類で計算を行います。 GalliumMeltingはfvOptionsを利用し、GalliumWoMeltingは fvOptionsを利用しない場合になります。 カレントディレクトリの変更 $ cd GalliumWoMelting
- 44. ケースディレクトリの構造 ケースディレクトリ ケース名 (GalliumWoMelting) 0 constant system T, U, p_rgh, p 各種変数の初期条件、境界条件の設定ディレクトリ 物性値、乱流モデルの設定ディレクトリ 計算スキーム、ユーティリティー等の設定ディレクトリ ケースディレクトリ内で計算を実行 46
- 45. 0ディレクトリの構造 各種変数の初期条件、境界条件の設定用フォルダ U T p p_rgh 速度 圧力(動圧) 温度 0 圧力(動圧+静圧) 47 0ディレクトリ内のファイルの確認 $ ls 0
- 46. 境界条件 boundaryName { type fixedValue; value uniform (*x *y *z); } • fixedValue 固定値(Dirichlet境界条件) (x成分 y成分 z成分) • zeroGradient boundaryName { type zeroGradient; } 境界条件指定 境界の法線方向に勾配ゼロ 48 0ディレクトリ内のファイルの確認 $ cat 0/T U, p, p_rghも同様に確認
- 47. 境界条件 • noSlip boundaryName { type noSlip; } 境界条件指定 滑りなし（壁面）条件 49 • calculated boundaryName { type calculated; value *; } 境界条件指定 初期値 他の計算によって決定される境界条件
- 48. 境界条件 • fixedFluxPressure boundaryName { type fixedFluxPressure; rho rhok; value uniform 0; } 境界条件指定 速度境界で指定した流束になるよう 圧力修正する境界条件 参照する密度の変数 初期値 50 • empty boundaryName { type empty; } 境界条件指定 二次元計算をする場合に、 使用しない方向に対する境界条件
- 49. 境界条件 境界 圧力 速度 温度 壁面 fixedFluxPressure fixedValue noSlip fixedValue zeroGradient 2次元面 empty empty empty 51
- 52. controlDict application buoyantPimpleFoam; startFrom startTime; startTime 0; stopAt endTime; endTime 1020; deltaT 5e-2; writeControl runTime; writeInterval 60; purgeWrite 0; writeFormat ascii; writePrecision 6; writeCompression off; timeFormat general; timePrecision 6; runTimeModifiable true; adjustTimeStep no; maxCo 0.5; solver名 計算開始設定方法 計算開始時刻 計算終了設定方法 計算終了時刻 時間刻み幅 出力設定方法 出力間隔 計算結果を保存する数 出力フォーマット 出力桁数 出力ファイル圧縮の可否 時間の出力フォーマット設定 時間桁数 計算途中に計算条件を変えられるかどうか 時間刻みを最大Courant数で制御するかどうか 最大Courant数 (adjustableの場合有効) 54 $ cat system/controlDict
- 53. controlDict application buoyantPimpleFoam; startFrom startTime; startTime 0; stopAt endTime; endTime 1020; deltaT 5e-2; writeControl runTime; writeInterval 60; solver名(必須ではなく、書かれなくても実行する) 計算開始設定方法(firstTime: 最初の(最も古い)時間ステップから/ startTime startTime:で設定した時刻から/latestTime: 最新データから開始) 計算開始時刻 計算終了設定方法(endTime/writeNow/noWriteNow/nextWrite) 計算終了時刻 時間刻み幅 出力設定方法(timeStep: 時間刻み数指定/runTime: 解析上の時間指定 /adjustableRunTime: /cpuTime: cpu時間指定/clockTime: 現時刻指定) 出力間隔(writeControlに合わせた出力間隔を入力) 55
- 54. controlDict 計算結果を保存する数(0なら全て保存、1なら現在の最終出力のみ保存、 2なら最終出力とその前の出力を保存) 出力フォーマット(ascii: ASCII形式/binary: Binary形式) 出力桁数(計算データの6桁まで出力) 出力ファイル圧縮の可否(onなら出力データはgzipになる) 時間の出力フォーマット設定(例. fixed: 0.003/scientific: 0.0e-03/ general: fixedとscientificを切り替え) 時間桁数(デフォルトでは6桁) 計算途中に計算条件を変えられるかどうかの可否 時間刻みを最大Courant数で制御するかどうか Courant数制御する場合の最大Courant数 purgeWrite 0; writeFormat ascii; writePrecision 6; writeCompression off; timeFormat general; timePrecision 6; runTimeModifiable true; adjustTimeStep no; maxCo 0.5; 56
- 55. 溶融凝固解析手順 57 1. 熱対流用と同様にcase directoryを作成 2. fvOptions無しで計算実行 3. fvOptionsをsystem内に配置 4. 計算実行
- 56. 計算の実行 (fvOptionsなし) 58 $ blockMesh 計算格子の作成 計算の実行 $ buoyantPimpleFoam PCスペックによりますが、10分以内には計算が終了すると思います。 (私の環境では約1分半) 可視化 $ paraFoam
- 58. 溶融凝固解析手順 60 1. 熱対流用と同様にcase directoryを作成 2. fvOptions無しで計算実行 3. fvOptionsをsystem内に配置 4. 計算実行
- 59. fvOptionsの探索とコピー 61 $ find $FOAM_TUTORIALS –name fvOptions –type f | xargs grep solidificationMeltingSource solidificationMeltingSourceを利用しているtutorialの探索 /opt/OpenFOAM/OpenFOAM-v****/tutorials/heatTransfer/chtMultiRegionFoam /windshieldDefrost/system/ice/fvOptions fvOptionsのコピー $ cp /opt/OpenFOAM/OpenFOAM-v****/tutorials/heatTransfer/chtMultiRegionFoam/ windshieldDefrost/system/ice/fvOptions $FOAM_RUN/GalliumMelting/system 注意：このパスは環境によって異なります。表示されたものをコピーしてください カレントディレクトリの変更 $ cd $FOAM_RUN/GalliumMelting
- 60. system/fvOptionsの記述 62 前述のように設定を記入 今回は以下のように変更 iceZone { type solidificationMeltingSource; active on; solidificationMeltingSourceCoeffs { selectionMode all; Tmelt 303; L 80160; // enthalpy of fusion for water [J/kg] thermoMode thermo; // retrieve thermo properties from thermo model beta 1.2e-4; // thermal expansion coeff [1/K] rhoRef 6093; } }
- 61. 溶融凝固解析手順 63 1. 熱対流用と同様にcase directoryを作成 2. fvOptions無しで計算実行 3. fvOptionsをsystem内に配置 4. 計算実行
- 62. 計算の実行 (fvOptions有り) 64 $ blockMesh 計算格子の作成 計算の実行 $ buoyantPimpleFoam PCスペックによりますが、10分以内には計算が終了すると思います。 (私の環境では約1分半) 可視化 $ paraFoam
- 64. 溶融凝固解析手順 66 1. 熱対流用と同様にcase directoryを作成 2. fvOptions無しで計算実行 3. fvOptionsをsystem内に配置 4. 計算実行 自分で行いたい問題がある場合は、 本日説明した手順と同様にして計算実行が可能
- 65. 本日の内容 1. OpenFOAMによる相変化解析の基礎 2. OpenFOAMによる相変化解析の設定例と演習 • OpenFOAMとは？ • OpenFOAMにおける相変化問題 • OpenFOAMにおける溶融凝固問題 • solidificationMeltingSourceの説明 • Galliumの溶融問題 • 補足 Q & A 67
- 66. solidificationMeltingSourceを利用可能なsolver 68 圧縮性熱流体用solver 非圧縮性熱流体用solver buoyantBoussinesqPimpleFoam 非圧縮性熱流体非定常解析 buoyantBoussinesqSimpleFoam 非圧縮性熱流体定常解析 buoyantPimpleFoam 圧縮性熱流体非定常解析 buoyantSimpleFoam 圧縮性熱流体定常解析 chtMultiRegionFoam マルチリージョン圧縮性熱流体非定常解析 chtMultiRegionSimpleFoam マルチリージョン圧縮性熱流体定常解析 圧縮性、非圧縮性の違いに応じてsolidificationMeltingSourceの書き方が異なる
- 69. icoReactingMultiPhaseInterFoamを利用した 溶融凝固解析の実行 71 $ blockMesh 計算格子の作成 計算の実行 $ icoReactingMultiPhaseInterFoam 可視化 $ paraFoam $ cp -r $FOAM_TUTORIALS/multiphase/icoReactingMultiPhaseInterFoam/ solidMelting2D/ $FOAM_RUN チュートリアルのコピー $ cd $FOAM_RUN/solidMelting2D カレントディレクトリの変更
- 70. icoReactingMultiPhaseInterFoam 72 phasePropertiesに新しくMassTransferMultiPhaseSystemという機能を導入 固体、液体、気体の３相を同時に扱える 熱、物質移動、流動、凝固までを利用可能 • 利用できるphaseModel multiComponentMovingPhaseModel 物質移動あり、流体 pureMovingPhaseModel 物質移動なし、流体 pureStaticPhaseModel 物質移動なし、静止流体 pureStaticSolidPhaseModel 物質移動なし、固体 これを指定することで、各物質の相状態を決定
- 71. icoReactingMultiPhaseInterFoam 73 • 界面モデル interfacePorous VollerPrakashモデルが利用可能 solidificationMeltingSourceと同様 surfaceTension 表面張力モデルが利用可能 VOF法のCSFモデルを利用する 固液解析の場合にはinterfacePorousを指定 気液解析の場合にはsurfaceTensionを指定 固液気解析の場合には両方指定 各相間に上記界面モデルを指定する
- 72. icoReactingMultiPhaseInterFoam 74 • massTransferModels Lee Leeモデルに従う kineticGasEvaporation Hertz-Knudsen式が利用可能 蒸発、凝集に伴う質量流量を算出 注：icoReactingMultiPhaseInterFoamは溶融凝固解析は可能であるものの、 物質移動、マクロ偏析までを導入することは不可能 レーザー切断、金属3Dプリンティング等の純金属での解析は可能
- 73. 75
- 74. 76 • Copyright © 2021 The Open CAE Society of Japan • This work is licensed under a Creative Commons • Attribution-NonCommercial 4.0 International License. • http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/
- 75. 77