解析事例 熱制御 : 高い精度が要求されるCFD解析事例 Application Brief

熱制御 : 高い精度が要求されるCFD解析事例

公開日:2017年9月

多くの製品およびプロセスでは、効率、信頼性、安全性、耐久性を向上するために熱制御が重要になります。たとえば、適温未満で化学反応装置を動作させると、製品の歩留まりが低下することがあります。一方で、温度が極端に高いと熱暴走の危険があります。シミュレーションを行うことで、エンジニアは伝熱問題の原因を把握してすぐに修正でき、また製品やプロセスの熱問題を改善できます。また、ほかの設計を幅広く評価することも現実的に可能になるため、さまざまな運用シナリオで設計を最適化して安全性を確保することができます。熱制御問題によっては、比較的簡単な物理モデルによるシングルフィジックス解析だけで対応できます。ただし、多くの熱制御事例は、簡単なモデルの使用前提条件から外れてしまいます。さらに、多くの熱制御事例では、複数の物理モデルが関係します。たとえば、熱が流体から固体構造へ伝達し、その後に空間に放熱されるようなケースは、シングルフィジックス解析では対応できません。

この事例では、熱制御の高精度シミュレーションにより、複数の製品および製造工程の設計候補を短期間で評価し、競争が激しく開発スピードが求められる環境で、効率、信頼性、安全性、耐久性を向上できることを説明します。ANSYSは、さらに広範囲の熱制御問題に対応する、より直観的なソリューションを提供しています。これは、より強力になったシングルフィジックスソルバーに加えて、複数のシングルフィジックスソルバーを接続する機能により可能になりました。これにより、実質的にどのような熱問題でも高精度の解析が可能です。熱制御は、高精度の解析が要求される、重要な数値流体力学 (CFD) 適用事例です。

目次
  1. 任意の解析レベルで伝熱能力を調査
  2. 流体 - 固体間の熱伝達問題を1つのソルバーで高速かつ高精度で解析
  3. Siemensでは熱モデリングにより風洞試験時間を50パーセント削減
  4. 熱解析結果をMechanicalのソルバーにリンクしてさらに高精度の熱解析を実現
  5. 片方向連成CFDと構造 - 伝熱シミュレーションで亀裂問題を解析
  6. 双方向連成FSIを使用して熱変形の影響を特定
  7. 排気マニホールドのCFDと構造伝熱シミュレーションの双方向連成
  8. ANSYS の流体および構造解析により、さらに高精度の熱解析を実現
  9. ハイパフォーマンスコンピューティング(HPC)により大規模な忠実度モデルの解析が可能に
  10. ANSYS の専門家が豊富な知識と経験でユーザーの熱制御問題の解析をサポート
  11. 高精度シミュレーションにより製品の伝熱能力の改善をサポート

任意の解析レベルで伝熱能力を調査

高温の放熱器のサーモグラフィ画像
高温の放熱器のサーモグラフィ画像

ほとんどの製品やプロセスには、適温範囲(動作効率が最も高くなる温度範囲)があります。適温範囲外では、重要コンポーネントの故障、熱的/機械的ストレスによる初期故障といった問題が発生することがあります。開発段階で熱的効果を調査するのは、条件が増えてくるにつれ、複雑な熱シナリオを再現するための時間やコストが大きくなるため、実質的に難しくなります。

設計段階の初期に製品の伝熱能力のシミュレーションを実行すれば、最初から熱制御を考慮してプロトタイプを設計することができます。別のプロトタイプを用意して熱問題を調査して修正する必要がなくなるため、時間と費用を大幅に節約することができます。流体の伝熱などの熱問題を解析するには、簡単な数値流体力学(CFD)ソフトウェアを使用できます。ただし多くの事例では、固体と構造の両方で熱伝達が発生して複数の熱伝達メカニズムが関係するなど、問題がより複雑になります。熱流に関係する流体と構造が密接に連成されていて、構造の熱変形が流体の流れに影響する事例なども、解析が難しくなります。多くの場合、特定の条件下での製品やプロセスの動作を理解するために、多数の異なるメカニズムが関係する複雑に相互接続されたシステムでの伝熱を把握する必要があります。

ANSYSは、流体、熱特性、構造、電磁気に対応したクラス最高のソルバーを提供しており、こうした問題を非常に簡単に解析できます。各ソルバーは最新、最先端の物理モデルに対応し、最小限の仮定値で厳密解を得ることができます。また、ソルバーを簡単に相互接続して、異なる物理領域向けに作成したメッシュ間で、高速、高精度の自動データ交換を実行することができます。これにより、熱の発生箇所から伝達先までの経路を追跡して、単純なシングルフィジックスソルバーよりも格段に幅広い問題でより高精度の解析を実行することができます。これらのツールはANSYS Workbench環境内でシームレスに統合されているため、ごく単純な問題から非常に複雑な問題までの幅広い熱制御問題のシミュレーションと診断を、これまでより高い忠実度でより早く実行することができます。

流体 - 固体間の熱伝達問題を1つのソルバーで高速かつ高精度で解析

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