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例題１６ 多孔質体の熱流体解析
本例題について
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多孔質体（アルミニウム粒子を多数含む）に高温の流体が流れ込む場合の流れと熱の解析例を示します。
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温度分布や熱流束ベクトルを解析結果として見ることができます。
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表に記載されていない条件はデフォルトの条件を使用します。
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Femtetのバージョンや環境により結果が多少ことなります。
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 |
3次元 |
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モデル単位 |
mm |
解析条件
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項目 |
条件 |
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流体解析[Bernoulli] 熱伝導解析[Watt] |
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解析の種類 |
定常解析/熱過渡解析 |
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層流/乱流 |
乱流をチェック |
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メッシュ設定 |
標準メッシュサイズ:10[mm] |
過渡解析タブにて以下のように設定しています。トータルのステップ数は200で時間ステップは0.1[s]
としていますので初期温度25度から200[s]における温度分布の変化を解析することができます。
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タブ設定 |
設定項目 |
条件 |
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過渡解析 |
表 |
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初期温度 |
環境温度を使用する(25 [deg]) |
モデル図
中央部で広がった円筒状のソリッドボディを定義し、空気（000_空気)の材料を設定します。
中央部の領域は多孔質体の領域として、ボディ属性を設定します。
ボディ属性および材料、メッシュサイズの設定
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ボディ No./ボディタイプ |
ボディ属性名 |
材料名 |
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2/Solid |
Porous |
000_空気 |
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5/Solid |
Pipe |
000_空気 |
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6/Solid |
Pipe |
000_空気 |
※材料データベースを利用
流体タブにて多孔質体部を以下のように設定しています。
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ボディ属性名 |
タブ |
設定 |
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Porous |
流体 |
流体ボディの種類：多孔質体 流速依存性：空隙率から計算 空隙率：0.39 粒子直径：10[mm] 形状係数：1.0 固体部材料：「001_アルミニウム」
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境界条件
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境界条件名/トポロジ |
タブ |
境界条件の種類 |
条件 |
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Inlet/Face |
熱流体 |
流入 |
流速指定 流速：10[m/s] 流入温度：直接指定、100[deg] |
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Outlet/Face |
熱流体 |
流出 |
自然流出 |
解析結果
解析タイプの種類を熱伝導解析から流体解析に変更することで流速や圧力など流体解析に関する結果を確認することができます。
y = 0 の断面を表示して、流速のベクトル図を表示します。
多孔質内部は平均化された流速が表示されます。（多孔質の隙間を流れる流速は、空隙率に応じてもっと高い値になります。）
また、座標(0,0,0)から座標(500,0,0)までの流速をグラフ化したものを示します。
多孔質内部の平均化された流速は1.58[m/s]程度であることが確認できます。
次に圧力（静圧）の分布を示します。
流入側から流出側に向かって、多孔質部で大きく圧力が降下しているのが確認できます。
多孔質体の設定で、「空隙率から計算」を設定している場合、空隙率からErgunの式で算出した多孔質係数を確認することができます。
計算ログで確認することができます。
多孔質係数とグラフから読みとった多孔質部の平均流速1.58[m/s]、多孔質部の長さ200[mm]から、多孔質部の圧力損失を概算すると、
圧力損失ΔP = (170.873 * 1.58 + 2058.73 * 1.58 * 1.58 ) * 0.2 = 1094[Pa]
となります。
圧力分布の降下度合いが一致していることが確認できます。
次に、解析タイプの種類を流体解析から熱伝導解析に変更し、熱伝導解析の結果を確認します。
0.5[s]、5[s]、20[s]の結果を出力します。コンタ図の最大値は100[deg]、最小値は20[deg]に設定しています。
0.5[s]という短い時間で、流入側のパイプが100[deg]になっていることが分かります。
多孔質部にはそれから長い時間をかけて、温度が内部に浸透していく様子が確認できます。
これは多孔質部の固体部の材料として設定しているアルミニウムの比熱、密度が空気と比べてはるかに大きいことに起因しています。
0.5[s]
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5[s]
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20[s]
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