伝熱解析ユーザーのための流体解析入門

伝熱解析と熱流体解析の対応分野について

伝熱解析で出来ること / 出来ないこと

推算式と熱流体解析による熱伝達係数

推算式と熱流体解析による熱伝達係数

• 推算式からは6.06[W/(m2K)]
• 熱流体解析からの平均熱伝達係数 : 6.23[W/(m2K)]
  ・2.7%ほどのずれ
• 精度は良い
  ・分布には注意

推算式と熱流体解析による熱伝達係数

推算式と熱流体解析による熱伝達係数

推算式と熱流体解析による熱伝達係数

推算式と熱流体解析による熱伝達係数

推算式と熱流体解析による熱伝達係数

熱流体解析が意味を持つ解析

• 熱伝導と合わせて熱伝達の効果を確認するとき
• 対流による熱移動を考慮するとき
• (流体における)局所的な温度分布

熱流体解析のアプリケーション例として

• 電子機器の内部の流れ場/温度場
  ・ヒートシンクの効果を見るには、流れ場情報も
  ・電子部品同士の熱授受への対流効果の影響
• 配管内部の流れ場
  ・曲げ部における渦による効果

熱流体解析で必要になる知識

1. 熱流体解析の予備知識
2. 物性値
3. 解析モデル
   ・解析領域​
   ・メッシュ生成​
   ・乱流モデル​
4. 境界条件
   ・空間上に境界条件を設定
5. 解析コスト

１．予備知識

流体を考慮するため、新たに物性値情報が必要​

• 物性値の取得

流れ場の影響は、流れ場の領域サイズで挙動は変わる

• 領域の依存性

流れ場は場所ごと、特に固体/流体境界部で速度勾配が大きくどこが物理量の差が大きくなるか、予測が難しい

• 流体領域全体でメッシュを細かく
• レイヤーメッシュの必要性

境界条件

• 熱流体解析の境界条件が加わる

２．物性値

３．解析モデル

• 全ての渦構造を解像するには、膨大なメッシュ数が必要​
  ・モデルの導入 ⇒ 乱流モデル​
  　　■代表的な乱流モデル : SST、k-ε etc.​

• 乱流の場合は乱流モデルを導入。層流の場合は導入せず。​
• 乱流/層流の判定は”レイノルズ数”を用いる。​

• 配管内部流れは、Re>2300で乱流​
• 一様流れ中の平板表面ではRe>500000で乱流​

４．境界条件

• 伝熱解析では固体の壁面に境界条件を設定​
• 熱流体解析は流体の面、及び固体壁面の境界条件を設定​

発熱源である板を待機上に配置した場合(自然対流解析)​

発熱するパイプ内に流体を流す場合(強制対流解析)​

５．解析コスト

熱流体解析で必要になる知識 - まとめ

物性値

• 熱流体解析では、粘性係数、熱膨脹率*、輻射に関連する値*が必要​ (*行う解析次第で必要になる)

解析モデル

• 熱流体解析は流体部分の形状が必要であり、さらに…
  ・領域の大きさも重要
  ・メッシュは全体的に細かく/レイヤーメッシュの生成
• 乱流モデル
  ・層流/乱流をレイノルズ数で切り分け、乱流なら”乱流モデル”

境界条件

• 伝熱条件+熱流体解析の条件を追加

解析コスト

• “伝熱計算 < 熱流体解析”の関係