OS-HM-T:5010 延長サーフェス熱伝導フィンの線形過渡熱伝導解析

チュートリアルレベル：中級本チュートリアルは、熱流束を生成するシステム（ICエンジンなど）の外表面に結合されているスチール製延長サーフェス熱伝導フィンについて、線形非定常熱伝導解析を実行する手順の概要を示します。

開始する前に、このチュートリアルで使用するファイルを作業ディレクトリにコピーします。
さらに、以下の前提条件を満たしてください：
  1. AltairHyperMesh、AltairHyperView、Altair HyperWorks ソルバーの最新バージョンをインストールしてください。
  2. 詳細については、OptiStructユーザーズガイドの線形非定常熱伝導解析をご参照ください。
本チュートリアルで解析される延長サーフェス熱伝導フィンは、システムに結合されているそのようなフィンの配列からの多くのうちの1つです。フィンは、システムの外表面から熱を吸収し、周囲の空気に消散させます。フィンからの熱伝導のプロセスは、フィン周りの空気の流れ（自由または強制対流）に依存します。現行のチュートリアルでは、熱流束荷重を介した非定常熱伝導および自由対流消散に焦点を当てます。スチール製の延長サーフェス熱伝導フィンを図 1に示します。適切な構造設計の要件を満たすために、フィンはその全長の約1/4の位置で90°に曲げられます。
注: このチュートリアルでは自由対流解析を行います。しかし、システムの外表面上に強制流体フローが許される場合、周期的にフィンを互いからオフセットさせると、熱境界層の成長を阻害し、フォームのドラッグにより流速の低下が生じ、その結果、熱伝導率が高くなります。
図 1. 対流性および伝導性非定常熱伝導のための拡張サーフェス熱伝導フィン


拡張サーフェス熱伝導フィンは、HyperMeshのCHEXA要素でメッシングされ、OptiStructソルバーを用いてHyperMeshで非定常熱伝導解析が行われます。100 Kw/m22 の典型的な熱流束荷重が、システムの外表面に結合されたフェイスに適用されます。25°Cの環境温度が仮定され、材料特性はすべて、温度と時間に対して一定であると仮定されます。自由（自然）対流が材料のサーフェス全体に仮定され、温度勾配の結果として密度差の複雑なメカニズムにより、フィンのサーフェスと周囲の空気の間の熱伝達が生じます。

チェックポイント：

定常熱伝導解析は一般的に、広範にわたって十分適用できます。しかし、時間の経過と共にシステムの特性が大きく変化し、この変化を用途に応じて捉える必要がある場合には、熱伝導の一時的な性質を考慮する必要があります。その例として、タービンケーシングと比較してゆっくり温度上昇する航空機のガスタービンコンプレッサディスクが離陸時に空力学的問題をもたらすケース、または、手足の凍傷の発症にかかる時間の解析などが挙げられます。

以下の演習が含まれます：
  • 指定されたコンポーネントの熱材料とソリッドプロパティを作成します。
  • コンポーネントへの材料とプロパティの割り当て
  • 熱流束と対流条件、モデルの境界条件の作成
  • OptiStructへのジョブのサブミット
  • HyperViewを使用した結果のポスト処理

Launch HyperWorks

  1. Launch Altair HyperWorks.
  2. In the New Session window, select HyperMesh from the list of tools.
  3. For Profile, select OptiStruct.
  4. Click Create Session.
    図 2. Create New Session


    This loads the user profile, including the appropriate template, menus, and functionalities of HyperMesh relevant for generating models for OptiStruct.

Import the Model

  1. On the menu bar, select File > Import > Solver Deck.
  2. In the Import File window, navigate to and select heat_transfer_fin.fem you saved to your working directory.
  3. Click Open.
  4. In the Solver Import Options dialog, ensure the Reader is set to OptiStruct.
    図 3. Solver Import Options


  5. Accept the default settings and click Import.

モデルのセットアップ

熱材料特性とプロパティの作成

インポートされたモデルには、境界条件の作成のために予め定義された要素のセットとコンポーネントのみが含まれます。このコンポーネントに割り当てることのできる熱材料を作成します。

  1. Model Browserで右クリックしてCreate > Materialを選択します。
    デフォルトのMAT1材料がCreate Material ウィンドウに表示されます。
  2. Nameにsteelと入力します。
  3. MAT4の横のチェックボックスを選択します。
  4. Create Materialウィンドウで、以下のスチールの材料の値を入力します：
    1. [K] Thermal conductivity = 7.3 x 10-2 W/mm °C
    2. [CP] Heat capacity at constant pressure = 508 J/Kg °C
    3. [RHO] Material density = 7.9 x 10-6 Kg/mm3
    4. [H] Heat transfer coefficient = 4 x 10-5 W/mm2 °C
    図 4.


  5. Closeをクリックします。
    これは純粋な熱伝導解析なので、構造特性（例えば MAT1 カード）は必要ありません。また、熱材料特性（MAT4）は温度に依存しないと仮定します。
    新規材料steelが、非定常熱伝導解析に必要とされる熱特性と共に作成されます。次に、PSOLIDエントリを参照するこのモデル用のソリッドプロパティを作成し、材料steelをこのプロパティに関連付けます。プロパティは、既存のコンポーネントに割り当てることが可能です。
  6. Model Browserで右クリックしてCreate > Propertyを選択します。
    デフォルトのPSHELLプロパティがCreate Material ウィンドウに表示されます。
  7. NameにSolidsと入力します。
  8. Card Imageに、ドロップダウンメニューからPSOLIDを選択します。
  9. Materialに、Unspecifiedをクリックします。
  10. をクリックします。
  11. Advanced Selectionウィンドウで、steelを選択し、OKをクリックします。
  12. Closeをクリックします。
    スチールフィンのプロパティが3D PSOLIDとして作成されました。材料情報はこのプロパティに関連付けられています。
    図 5.


材料とプロパティの既存の構造への関連付け

材料とプロパティが定義されたら、それらを構造と関連付ける必要があります。

  1. Model Browserで、Componentsをダブルクリックし、Componentブラウザを開きます。


    図 6. auto1コンポーネントの選択
  2. auto1コンポーネントをクリックします。
    コンポーネントテンプレートがEntity Editorに表示されます。
  3. Propertyに、Unspecifiedをクリックします。
  4. をクリックします。
  5. Advanced Selectionウィンドウで、solidを選択し、OKをクリックします。
    図 7. ソリッドプロパティの選択


非定常熱伝導解析のためのタイムステップの作成

非定常解析は、指定した期間のシステムの挙動を捕捉します。したがって、このシステムについて対象とする期間を定義します。500秒（8分20秒）の期間が、10秒毎の結果出力とともに定義されます。この目的のために荷重コレクターが作成され、TSTEPエントリが参照されます。

  1. Model Browserで右クリックしてCreate > Load Collectorを選択します。
  2. NameにTime Stepsと入力します。
  3. Card Imageに、TSTEPを選択します。
  4. TSTEP_NUMに値1を入力します。
  5. 時間ステップ数（N）に、50を入力します。
  6. 各各時間増分（DT）を 10に設定します。
    これにより、総時間500秒にわたってシステムの挙動が捕捉されます。
    図 8. TSTEPエントリオプション


  7. Closeをクリックします。

非定常熱伝導解析のための初期条件の作成

システムの温度プロファイルが時間と共に変化するため、初期のグリッドポイント温度プロファイルは、解析の開始ポイントを指定するよう設定しなくてはなりません。システム全体の温度はT=0において25°Cと仮定し、TEMPDバルクデータエントリは初期温度を設定します。

  1. Model Browserで右クリックしてCreate > Load Collectorを選択します。
  2. NameにInitial Conditionsと入力します。
  3. Card Imageに、TEMPDを選択します。
  4. T1に25と入力します。
  5. Closeをクリックします。
    図 9. 初期条件


環境温度境界条件の適用

環境温度熱境界条件は、それぞれについて特定の荷重コレクターを作成することによってモデルに付与されます。環境温度はSPCDエントリを使用することによってコントロールされます。これは、時間経過に伴う環境温度の変化という物理的要件（存在する場合）の模擬を可能にします。

時間と共に変化する環境温度のためのSPCDエントリの生成

時間と共に変化する環境温度は、TLOAD1荷重ステップ入力データエントリを介してSPCDエントリを参照することにより作成できます。環境温度の時間変化の性質は、TLOAD1データによっても参照されるTABLED1エントリを使って定義できます。

  1. Model Browserで右クリックしてCreate > Load Collectorを選択します。
  2. NameにAmbient SPCDと入力します。
  3. Card Imageに、Noneを選択します。
    新しく作成されたAmbient SPCD荷重コレクターは、現在の荷重コレ クターになります。
  4. Closeをクリックします。

振幅の作成

SPCDデータエントリを使って、時間変化の環境温度の大きさ（定数部分）を作成します。

  1. Analyzeリボンで、 Constraintsを選択します。
  2. Entityにを選択します。
  3. Advanced Selectionウィンドウで、ドロップダウンメニューからBy IDを選択します。
  4. テキストボックスに5672と入力し、OKをクリックします。
    図 10. 環境節点のSPCD


  5. Load Type,に、ドロップダウンメニューからSPCDを選択します。
  6. DOF1、DOF2、DOF3、DOF4、DOF5、DOF6のチェックボックスを非選択にします。
  7. CreateとCloseをクリックします。
    図 11. SPCD入力


  8. Constraints ツールグループから、 BCs Browserアイコンを選択します。
    図 12. BCブラウザアクセス


  9. Loadsブラウザから、Loadsを選択します。
  10. SPCDのD欄に25.0と入力します。
    これで、環境節点を参照し温度25°Cを指定するSPCDが作成されます。
    図 13. SPCDの定義


カーブの作成

周囲温度の時間変化を定義するために、カーブを作成します。これは、TABLED1エントリを作成することで行います。

  1. Model Browserで右クリックしてCreate > Curveを選択します。
    新たにCurve Editorウィンドウが開きます。
  2. NameにAmbient SPCD Tableと入力します。
  3. テーブルに、以下の値を入力します：

    x(1) = 0.0

    y(1) = 1.0

    x(2) = 500.0

    y(2) = 1.0

    図 14. Ambient SPCDカーブ


  4. エディターを閉じます。
  5. Model Browserで、カーブをダブルクリックしてCurves Browserを開きます。
  6. Ambient SPCD Tableを選択します。
  7. エンティティエディターで、カードイメージを TABDMP1からTABLED1に変更します。
    注: 本チュートリアルでは、定数の環境温度（y(1)とy(2)は等しく、最初の500秒間を通じて一定の温度分布をもたらす）が定義されます。これは、TABLED1エントリを使って時間変化の環境温度も指定するプロシージャを示します。これを行うには、y#欄に異なる値を指定し、必要な変化の種類に応じてLINEARまたはLOGオプションから選択します。
    図 15. Ambient SPCDカーブ


荷重ステップ入力の作成

  1. Model Browserで右クリックしてCreate > Load Step Inputsを選択します。
  2. NameにAmbient SPCD TLOAD1と入力します。
  3. Config typeにDynamic Load - Time Dependentを選択します。
  4. TypeにドロップダウンメニューからTLOAD1を選択します。
    SPCDおよび対応するTABLED1テーブルは、TLOAD1エントリにリンクされます。
    図 16. 時間変化のSPCDを指定するプロセス


  5. EXCITEIDに、Ambient SPCD荷重コレクターを選択します。
  6. TYPEにDISPを選択します。
  7. TIDをクリックし、カーブメニューからAmbient SPCD Tableを選択します。
  8. Closeをクリックします。
    図 17. TLOAD荷重ステップ入力の定義


SPCデータエントリの作成

SPCDエントリによって参照されるエンティティはすべて、SPCデータエントリによって拘束されます。SPCDを介してTLOAD1/TLOAD2エントリによりコントロールされる環境ポイントを参照する対応するSPCの値は、ゼロ（0.0）に等しくなくてはなりません。

  1. Ambient SPCという名の荷重コレクターを作成します。
  2. Card Imageに、Noneを選択します。
  3. Analyzeリボンで、 Constraintsを選択します。
  4. Entityにを選択します。
  5. Advanced Selectionウィンドウで、ドロップダウンメニューからBy IDを選択します。
  6. テキストボックスに5672と入力し、OKをクリックします。
  7. DOF1、DOF2、DOF3、DOF4、DOF5、DOF6のチェックボックスを非選択にします。
  8. Createをクリックし、次にCloseをクリックします。

熱流束荷重の適用

環境温度熱境界条件がモデルに割り当てられ、次に、エンジンの外表面（フィンが結合されている）からの熱流束荷重がモデルに付与されます。0～500秒からの時間変化の流束荷重0～0.1 W/mm2が、このフィンの解析に使用されます。この荷重は、環境温度SPCDの定義に使用されたのと同様のプロシージャで、対応するTLOAD1、QBDY1およびTABLED1エントリについて特定の荷重コレクターを作成することによってモデルに適用されます。

時間と共に変化する熱流束荷重QBDY1エントリの作成

時間と共に変化する熱流束荷重は、TLOAD1荷重ステップ入力データエントリを介してQBDY1エントリを参照することにより作成できます。熱流束荷重の時間変化は、TLOAD1データによっても参照されるTABLED1エントリを使って定義できます。

  1. Model Browserで右クリックしてCreate > Load Collectorを選択します。
  2. NameにHeat Flux QBDY1と入力します。
  3. Card Imageに、Noneを選択します。
  4. Closeをクリックします。

熱流束荷重の作成

  1. Analyzeリボンで、 Heat Fluxをクリックします。
    図 18. 熱流束荷重の選択


  2. Create LoadウィンドウのELSETIDの横にある > Createをクリックします。
    図 19. 熱流束荷重を加えるサーフェスの選択


    熱流束が加えられるSURF SETを作成できます。
  3. Nameにflux_surfと入力します。
  4. Elementsで0 Elementsを選択し、ドロップダウンメニューでFacesに切り替えます。
  5. フィンの短い方の端の自動的にハイライト表示されたフェイスにカーソルを合わせ、これを選択します。
    この方法により、熱流束が加えられるフェイスを簡単に選択できます。
    図 20. 熱流束荷重を加えるサーフェスの選択


  6. フェイスを選択したら、をクリックします。
    図 21. 選択の仕上げ


  7. QBDY1 OptionのQ0欄に0.1と入力します。
    図 22. 熱流束荷重値の適用


  8. Closeをクリックします。

カーブの作成

熱流束荷重の時間と共に変化する性質を定義するために、別のカーブを作成します。これは、TABLED1エントリを作成することで行います。

  1. Model Browserで右クリックしてCreate > Curveを選択します。
    新たにCurve Editorウィンドウが開きます。
  2. NameにHeat Flux Tableと入力します。
  3. テーブルに、以下の値を入力します：

    x(1) = 0.0

    y(1) = 0.0

    x(2) = 500.0

    y(2) = 1.0

    図 23. 熱流束テーブル


  4. エディターを閉じます。
  5. Model Browserで、カーブをダブルクリックしてCurves Browserを開きます。
  6. Heat Flux Tableを選択します。
  7. エンティティエディターで、カードイメージを TABDMP1からTABLED1に変更します。
    注: 本チュートリアルでは、定数の環境温度（y(1)は0、y(2)は1で、最初の500秒間を通じて線形的に増加する熱流速をもたらす）が定義します。

荷重ステップ入力の作成

  1. Model Browserで右クリックしてCreate > Load Step Inputsを選択します。
  2. NameにHeat Flux Tableと入力します。
  3. Config typeにDynamic Load - Time Dependentを選択します。
  4. TypeにドロップダウンメニューからTLOAD1を選択します。
    QBDY1および対応するテーブルは、TLOAD1エントリにリンクされます。
    図 24. 時間と共に変化する熱流束荷重の指定プロセス


  5. EXCITEIDに、Heat Flux QBDY1荷重コレクターを選択します。
  6. TYPEにLOADを選択します。
  7. TIDをクリックし、カーブメニューからHeat Flux Tableを選択します。
  8. Closeをクリックします。
    図 25. TLOAD1による時間と共に変化する熱流束荷重の定義


自由対流の追加

熱伝達インターフェースの作成に使用したプロシージャと同様にして、自由対流を割り当てます。ただし、自由対流はすべての熱伝導サブケースに自動的に割り当てられ、PCONVおよびCONVエントリは材料steelおよび環境温度を参照しなくてはなりません。環境温度と構造物の表面温度の差から、自由対流によって伝わる熱量を計算することができます。

自由対流のためのサーフェス要素の生成

フィンのサーフェスと周囲の空気の間の熱交換をシミュレートするためサーフェス要素が作成されます。

  1. Model Browserで右クリックしてCreate > Load Collectorを選択します。
  2. Nameにfree convectionと入力します。
  3. Card Imageに、Noneを選択します。
  4. Closeをクリックします。
  5. Analyzeリボンで、 Convectionをクリックします。
    図 26. 対流荷重の選択


  6. ELSETIDで、 > Createを選択します。
    図 27. 対流荷重のためのサーフェスの選択


    自由対流熱伝達に関与するフェイスを含むSURF SETを作成できます。
  7. Nameにconvection_surfと入力します。
  8. Elementsで0 Elementsを選択し、ドロップダウンメニューでFacesに切り替えます。
  9. 前に定義した熱流束入力サーフェスに属さないすべてのフェイスにカーソルを合わせ、これらを選択します。
  10. 必要なフェイスを選択したら、をクリックします。
    図 28. 自由対流熱伝達のためのサーフェスの仕上げ


    このモデルでは、下の図のように、対流サーフェス要素が青で表示され、伝導熱流束サーフェス要素がオレンジ色で表示されています（色はSURFエントリで割り当てられた色に基づき、任意であるため、モデルによって異なる場合があります）。
    図 29. 伝導（熱流束）サーフェス要素と対流サーフェス要素の確認


  11. PCONIDの横にある > Createを選択します。
  12. Nameにconvectionと入力します。
  13. Materialで、Unspecified > をクリックしてアドバンスト選択を開きます。
  14. Steelを選択し、OKをクリックします。
  15. TA1で、Unspecified > をクリックしてアドバンスト選択を開きます。
  16. ドロップダウンメニューからBy IDを選択し、テキストボックスに節点ID 5672を入力します。
    これで、自由対流の周辺温度定義のための対流周辺ポイントを特定することにより、対流境界条件が設定されます。
    図 30. 最終的な自由対流定義


  17. Closeをクリックします。

TLOADエントリのDLOADエントリへの統合

２つの異なるTLOAD1エントリが定義されており、それらは同じサブケースによって参照されるため、DLOADバルクデータエントリを使って統合される必要があります。

  1. Model Browserで右クリックしてCreate > Load Step Inputsを選択します。
  2. Nameに、Combined Flux and Convectionと入力します。
  3. Config typeにDynamic Load Combinationを選択します。
    デフォルトはDLOADです。
  4. Sに1.0と入力します。
  5. 2つのTLOAD1エントリのシンプルな線形加算のみが必要なので、DLOAD_NUMに2と入力し、Enterを押します。
  6. をクリックします。
  7. ポップアップウィンドウで、S(1) = 1.0、S(2) = 1.0と入力します。
  8. L(1)に、Ambient SPCD TLOAD1を選択します。
  9. L(2)に、Heat Flux TLOAD1を選択します。
    DLOADエントリは、2つのTLOAD1エントリ – Heat Flux TLOAD1およびAmbient SPCD TLOAD1の線形組合せとして生成されます。
    図 31. 時間変化のSPCDを指定するプロセス


    図 32. 1つのDLOADに2つのTLOADエントリへの統合


  10. Closeを2回クリックします。

非定常熱伝導荷重ステップの生成

OptiStructの非定常熱伝達荷重ステップは、Time Steps荷重コレクターの時間ステップ、Initial Conditions荷重コレクター内の初期条件、Combined FluxとConvection荷重コレクター内の熱流束と自由対流設定、およびAmbient SPC荷重コレクター内のSPC境界条件を参照して作成します。熱伝導解析の勾配、流束、温度出力要求も行われます。

  1. Model Browserで右クリックしてCreate > Load Step Inputsを選択します。
  2. Nameにtransient heat transferと入力します。
  3. Analysis typeに、ドロップダウンメニューからHeat transfer (transient)を選択します。
  4. SPCにUnspecifiedLoadcolを選択します。
  5. Advanced Selectionダイアログで、SPCとしてAmbient SPCを選択し、OKをクリックします。
  6. TSTEPにTime Stepsを選択します。
  7. DLOADにCombined Flux and Convectionを選択します。
  8. SUBCASE OPTIONSのICチェックボックスを選択します。
  9. ドロップダウンメニューからLOADCOLIDを選択します。
  10. UnspecifiedをクリックしInitial Conditionsを選択します。
  11. Outputのチェックボックスを選択します。
  12. サブリストで、THERMALとFLUXオプションを選択します。
  13. 2つのオプションともFORMATフィールドをH3Dに設定します。
  14. 2つのオプションともOPTIONフィールドをALLに設定します。
    図 33. 線形非定常熱伝導解析の情報


  15. Closeをクリックします。

Run OptiStruct

  1. On the Analyze ribbon, under the Analyze tool group, select Run OptiStruct Solver.
    図 34. Initiate the OptiStruct Analysis Run


  2. In the File Explorer, save the model as heat_transfer_fin_complete to your working directory.
    The .fem filename extension is the recommended extension for OptiStruct input decks.
  3. Click Save.
  4. In the Solver Export Options window, for Export, select All and accept all other default settings.
  5. Click Export.
    図 35. Export Completed OptiStruct Input File


  6. In the Altair Compute Console, for Options, add the following run options:
    図 36. Altair Compute Console
  7. Click Run.
  8. Once the job completes successfully, the ACC Solver View window opens and an ANALYSIS COMPLETE message is printed in the Message log.
  9. Click Close.
    If the job is successful, you should see new results files in the directory in which heat_transfer_fin_complete.fem was run. The heat_transfer_fin_complete.out file is a good place to look for error messages that could help debug the input deck if any errors are present.

非定常熱伝導解析の結果の表示

  1. コマンドウィンドウ内にメッセージProcess completed successfullyが表示されたら、Resultsをクリックします。
    HyperViewが起動され、結果が読み込まれます。
  2. Result Typeで、1つ目のドロップダウンメニューからGrid Temperatures(s)を選択します。
    図 37. HyperViewのContour Plotパネル


  3. Applyをクリックします。
  4. Resultsブラウザから、Time = 5.0000000E+02を選択します。
    最終タイムステップにおける節点温度のコンタープロットが、作成されます。
    図 38. 最終タイムステップ（500秒）の節点温度コンター – WITH FREE CONVECTION


    これは500秒後の節点ポイント温度です。システムは、0～500秒に対し0 to 0.1 W/mm2の設計的に増加する熱流束が入力されています。したがって、物理的な相関関係は、内燃エンジンを起動してから最大出力に達するまでの間に外表面まで伝達する熱流束は時間の経過と共に線形的に増加するという関係になります。
    注: 熱流束のパターンは実際には異なり、パワーサイクルの期間に基づいて上下する可能性があります。熱流束がかかる位置に最も近い要素において、80.32°Cの最大温度が予想どおり生じ、熱源から最も遠い要素では25.0°Cの最小温度が生じています。
  5. Resultsブラウザから、Time = 4.6000000E+02を選択します。
    節点温度のコンタープロットが生成されます。
    図 39. 460秒後の節点温度コンター – WITH FREE CONVECTION.


  6. Results typeで、1つ目のドロップダウンメニューからElement Fluxes (V)を選択します。
  7. Applyをクリックします。
  8. 結果ブラウザから、Time = 5.0000000E+02を選択すると、500秒後の要素熱流束の結果が表示されます。
    図 40. 500秒後の要素熱流束コンター – WITH FREE CONVECTION.


    実践的な設定では、システムの外表面における温度の低下で、自由対流の影響を見ることもできます。対流（拡張されたサーフェスエリアによる）は、拡張サーフェスフィンの不在と比べると、大量の熱がシステムから引き出されることを許容します。これは、対流熱損失なしに500秒後のシステムの外表面の温度で明らかです。
    図 41. 500秒後の節点温度コンター – WITHOUT FREE CONVECTION


    熱源システムの外表面における最高温度は125.3°Cで、自由対流を含めると約45℃低下して80.3℃になります。したがって、拡張サーフェスフィンの使用は、システムの温度低減に非常に効果的な方法です。