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例題１６ 速度境界条件の動作
本例題について
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速度の境界条件の動作を確認する
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解析モデルの内部に速度境界条件ｊを設定する場合は、不連続も同時に設定する。
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表に記載されていない条件は初期設定の条件を使用します。
解析モデルダウンロード
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プロジェクトファイルをダウンロード（右クリックし、名前を付けてリンク先を保存してください。）
解析空間
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項目 |
条件 |
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解析空間 |
2次元 |
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モデル単位 |
mm |
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奥行方向の厚み |
1.0[mm] |
解析条件
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項目 |
条件 |
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音波解析[Mach] |
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解析の種類 |
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タブ設定 |
設定項目 |
条件 |
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調和解析 |
周波数 |
１周波数のみ 1000[Hz] |
モデル図
ここでは以下の三つのモデルを解析します。
① パイプの中を音が伝わるようなモデルです。左端に速度境界条件を設定し、それが音の振動を駆動します。
音は、パイプを伝わって右端までいって、そのまま抜けていきます。反射波が起きないように、音響インピーダンスをモデルの右端に設定していて、その値は媒質の固有音響インピーダンスに設定しました。
サイズは300x30[mm]です。
② 速度境界条件をパイプの中央に設定しました。パイプの右端と左端は、反射波が起きないように、音響インピーダンスを設定しています。サイズは600x30[mm]です。
③ モデル②の速度境界条件に、不連続の設定を追加しました。サイズは600x30[mm]です。
BODY属性および材料定数の設定
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BODY No./BODY Type |
BODY名 |
材料名 |
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0/Sheet |
ボディ属性_001 |
000_空気※ |
※材料データベースを利用
境界条件
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境界条件名/Topology |
タブ |
境界条件の種類 |
条件 |
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V/Edge |
音波 |
速度 |
1[m/s] |
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対称/不連続 |
---- |
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Z/Edge |
音波 |
音響インピーダンス |
1.184*340[Pa・s/m] |
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対称/不連続 |
---- |
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VS/Edge |
音波 |
速度 |
1[m/s] |
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対称/不連続 |
不連続 |
||
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外部境界条件※ |
音波 |
剛体 |
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対称/不連続 |
---- |
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音響インピーダンスの値は、空気の固有音響インピーダンスの値としています。これによって、反射を抑える事ができます。
解析結果
まずは、単純な１方向伝搬モデル（モデル①）の結果を確認します。
速度1[m/s]を設定していますので、結果フィールドの粒子速度のｘ成分は1[m/s] になることが確認できます。
１方向に伝搬する音波の場合、音圧=粒子速度ｘ固有音響インピーダンス、 の関係を満たすはずです。
空気の固有音響インピーダンスは、1.184*340=402.56[Pa・s/m]、と求まるので、音圧が402[Pa]になることが予想されます。
第１図(1)から音圧の値が予想通りになっていることが確認できました。
第２図は、モデルの左端（速度境界条件の位置）での、音圧と粒子速度X成分の時間変化を、１周期分だけグラフにして示しています。
横軸が位相のグラフですが、位相を360度見るという事は、１周期を見るということと同じです。
音圧と粒子速度を見比べると、どちらも位相０で最大値、位相１８０度で最小値を取っていることから、同位相で振動していることが分かります。
第3図は内部ポートモデル（モデル②）の結果を示しています。
粒子速度のＸ成分を示したコンター図と、コンター図の長さ方向の位置を横軸としたグラフを示しています。
速度境界条件の位置で粒子速度が不連続に変化するので、それを明らかにするため、ここで示したコンター図は、コンター図の設定で、平均化をＯＦＦにしています。
グラフを見ると、中央に不連続部分があるものの、振幅
このように、速度境界条件を解析領域内部に設定した場合、その値はユーザ指定どおりにはなりません。その対策が次のモデル④になります。
第4図は内部ポート+不連続モデル（モデル③）の結果を示しています。境界条件の速度と同時に不連続の境界条件を設定しています。
第４図のコンター図とグラフの設定は、第３図と同じで、粒子速度のｘ成分を示しています。
ベクトル図は、音響インテンシティ（平均）、を表しています。速度境界条件から左右に、等しいエネルギーの流れを確認できます。
グラフを見ると、中央に不連続部分があるものの、振幅 1[m/s]] になっていることが分かります。速度境界条件と、不連続の境界条件を併用する事で、ユーザ指定の値をただしく結果に反映させることができました。
まとめ
解析領域内部に速度境界条件を設定した場合、ユーザの設定した値にならないことが確認できました。
しかし、不連続の境界条件を同時に使用する事で、ユーザの設定した値にすることが可能になることも確認できました。