JP2012155606A - 流体解析装置、及び、流体解析方法 - Google Patents

Abstract

【課題】予め解析誤差を評価してメッシュモデルの粗密分布を作成するような計算の工数も必要なく、実際の流れ場を忠実に再現して実現象に近い解析結果を安定して得る。
【解決手段】モデル解析処理部１２は、上述の解析空間Ａに対し、予め設定する条件下での各要素の流体力学に関するパラメータを反復計算し、この反復計算により得られた各要素のパラメータが所定に収束したか否か判定し、各要素のパラメータが所定に収束したと判定された場合、反復計算の結果を表示処理部１４に出力する。ここで、計算結果が収束しない場合には、反復計算により得られた各要素の圧力Ｐが予め設定しておいた閾値Ｐｃを超えた場合、この圧力Ｐが予め設定しておいた閾値Ｐｃを超えた要素を特定して分離し、この分離した要素に流れが入り込まない予め設定する抵抗値Ｒmaxを設定し、この設定した抵抗値を、以後繰り返される計算によって、圧力Ｐに応じて可変設定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、特に、車両のエンジンルーム内等の通気等をコンピュータを用いて解析計算する流体解析装置、及び、流体解析方法に関する。

近年、様々な工業分野において、空間（解析空間）内の流れを、該解析空間を要素で分割して解析メッシュを設定し、コンピュータを用いて解析計算することが行われている。このような、コンピュータを用いた流体解析では、例えば、エンジンルーム内等の部品と部品の隙間（トーボードとトランスミッションの隙間等）では流路が狭くなり、解析空間に設定する解析メッシュが潰れ、品質の悪い解析メッシュができやすく、そのまま計算を実行すると、その部位での流速が収束せず、圧力が大幅に上昇、或いは、低下して、結果として計算が発散してしまうことがある。

このような問題に対処するため、全ての解析メッシュを、解析計算が発散しない大きさのメッシュに予め細かく設定することも考えられる。しかし、メッシュを細かく設定すると、計算を実行する要素の数が膨大なものとなり、計算に多くの時間がかかることになる。そこで、例えば、特開平６−２５９４０４号公報（以下、特許文献１）に開示される解析方法を採用することが考えられる。これは、形状モデルと解析条件から初期メッシュモデルとそのメッシュモデル用の解析条件を自動生成し、解析計算を行って、その解析結果から解析誤差を算出し、その解析誤差を評価してメッシュモデルの粗密分布制御の対象となる領域を判定し、その領域に存在する有限要素群を結合して形状モデルを創成し、その形状モデルを分割することによりメッシュモデルを生成し、これらの解析モデル生成、解析計算、解析誤差算出判定の一連の処理を自動的に繰り返す手法である。また、例えば、特開２０１０−２４４４８７号公報（以下、特許文献２）に開示される数値解析用格子作成方法を採用することも考えられる。これは、直交格子解析メッシュを作成する処理で、メッシュ分割を行い、メッシュ分割処理の後に、閉空間の有無をチェックする処理を行い、すべての閉空間を検出した上で、分割されたメッシュ数からその閉空間が流体解析として有用か否かの判断を行って、微少閉空間と判断された閉空間は変換処理で流体領域から固体領域に変換し、解析メッシュ全体の閉空間を検索して微少閉空間を固体領域に変換して解析メッシュを完成させる方法である。

特開平６−２５９４０４号公報 特開２０１０−２４４４８７号公報

しかしながら、上述の特許文献１に開示される方法では、メッシュモデルの生成には、予め解析結果から解析誤差を算出し、その解析誤差を評価してメッシュモデルの粗密分布制御の対象となる領域を判定し、その領域に存在する有限要素群を結合して形状モデルを創成し、その形状モデルを分割しなければならないという問題があった。また、上述の特許文献２に開示される方法では、本来、流れ場に流路等があるところを個体領域として閉塞してしまうため、計算結果が実際の現象と異なったものとなってしまう虞がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、予め解析誤差を評価してメッシュモデルの粗密分布を作成するような計算の工数も必要なく、また、実際の流れ場を忠実に再現して実現象に近い解析結果を安定して得ることができる流体解析装置、及び、流体解析方法を提供することを目的としている。

本発明の流体解析装置の一態様は、解析空間を要素で分割して解析メッシュを設定する解析メッシュ設定手段と、上記解析空間の予め設定する条件下での上記各要素の流体力学に関するパラメータを反復計算する計算実行手段と、上記反復計算により得られた上記各要素の上記パラメータが所定に収束したか否か判定する収束判定手段と、上記各要素の上記パラメータが所定に収束したと判定された場合、上記反復計算の結果を出力する出力手段とを備えた流体解析装置において、上記反復計算により得られた上記各要素の上記パラメータが予め設定しておいた閾値を超えた場合、該閾値を超えた上記パラメータを有する要素を特定して分離する要素分離手段と、上記分離した要素に流れが入り込まない予め設定する抵抗値を設定する抵抗値設定手段と、上記抵抗値設定手段で設定した抵抗値を上記パラメータに応じて可変する抵抗値可変手段とを備えた。

また、本発明の流体解析方法の一態様は、解析空間を要素で分割して解析メッシュを設定する解析メッシュ設定ステップと、上記解析空間の予め設定する条件下での上記各要素の流体力学に関するパラメータを反復計算する計算実行ステップと、上記反復計算により得られた上記各要素の上記パラメータが所定に収束したか否か判定する収束判定ステップと、上記各要素の上記パラメータが所定に収束したと判定された場合、上記反復計算の結果を出力する出力ステップとを備えた流体解析方法において、上記反復計算により得られた上記各要素の上記パラメータが予め設定しておいた閾値を超えた場合、該閾値を超えた上記パラメータを有する要素を特定して分離する要素分離ステップと、上記分離した要素に流れが入り込まない予め設定する抵抗値を設定する抵抗値設定ステップと、上記抵抗値設定ステップで設定した抵抗値を上記パラメータに応じて可変する抵抗値可変ステップとを備えた。

本発明による流体解析装置、及び、流体解析方法によれば、予め解析誤差を評価してメッシュモデルの粗密分布を作成するような計算の工数も必要なく、また、実際の流れ場を忠実に再現して実現象に近い解析結果を安定して得ることが可能となる。

本発明の実施の一形態に係る、流体解析装置の機能ブロック図である。 本発明の実施の一形態に係る、流体解析プログラムのフローチャートである。 本発明の実施の一形態に係る、解析空間Ａの説明図である。 本発明の実施の一形態に係る、解析空間ＡのＢ部拡大図である。 本発明の実施の一形態に係る、分離メッシュに可変設定される抵抗値の説明図である。 本発明の実施の一形態に係る、流体解析結果の説明図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１において、符号１は、ＲＯＭ，ＲＡＭ等のメモリ及びＣＰＵを有するコンピュータで構成された流体解析装置を示し、この流体解析装置１には、入力側にキーボード、マウス等を含む入力装置２が接続され、出力側にモニタ等の表示装置３が接続されている。

流体解析装置１は、解析モデル設定処理部１１、モデル解析処理部１２、メモリ部１３、及び、表示処理部１４を備えて主要に構成されており、各処理部１１，１２，１４の機能を実現するためのプログラムをメモリ部１３にロードして実行することにより解析処理が実行される。

解析モデル設定処理部１１は、入力装置２からの入力信号により、例えば、予めメモリ部１３に記憶した解析空間Ａに対し、予め用意された流体解析用のメッシュ生成ソフトを用いて、所定形状（例えば、各要素が所定の大きさの三角形形状で表現される三角メッシュ等）の解析メッシュを設定し、解析に係る様々な条件（例えば、初期状態における圧力Ｐ０、流速Ｖ０、密度ρ０等）を各要素に設定するようになっている。そして、これら解析メッシュの各要素にはそれぞれを識別するＩＤが付される。尚、解析メッシュの形状としては、３角形形状に限るものではなく、他に、４角形形状の解析メッシュ等であっても良く、解析空間Ａが３次元空間のものでは、４面体、６面体等の立体形状の解析メッシュであっても良い。このように、解析モデル設定処理部１１は、解析メッシュ設定手段として設けられている。

本実施の形態では、解析空間Ａとして、図３に示すような、長方形形状の空間に、二つの部品（固体領域）Ｃ１、Ｃ２が、空間の中央下部に近接して設けられた解析モデルを例に、左端から右端に流れが生じる場合を説明する。そして、この解析空間内には、三角メッシュが、部品（固体領域）Ｃ１、Ｃ２を除いた全ての領域に生成される。ここで、図４に示すように、解析空間Ａ内に設定される三角メッシュは、部品（固体領域）Ｃ１、Ｃ２の間では、この間が極めて狭くなっているため、他の領域とは異なった、歪な形状のメッシュが形成されることになる。

モデル解析処理部１２は、上述の解析空間Ａに対し、予め設定する条件下での各要素の流体力学に関するパラメータ（圧力Ｐ、流速Ｖ等）を公知のＣＦＤ（Computational Fluid Dynamics）の理論に基づいて反復計算し、この反復計算により得られた各要素のパラメータが所定に収束したか否か判定し、各要素のパラメータが所定に収束したと判定された場合、反復計算の結果を表示処理部１４に出力する。ここで、計算結果が収束しない場合には、反復計算により得られた各要素の圧力Ｐが予め設定しておいた閾値Ｐｃを超えた場合、この圧力Ｐが予め設定しておいた閾値Ｐｃを超えた要素を特定して分離し（ＩＤを特定し）、この分離した要素に流れが入り込まない予め設定する抵抗値Ｒmaxを設定し、この設定した抵抗値を、以後繰り返される計算によって、圧力Ｐに応じて可変設定するようになっている。このように、モデル解析処理部１２は、計算実行手段、収束判定手段、出力手段、要素分離手段、抵抗値設定手段、抵抗値可変手段として設けられている。

メモリ部１３は、ハードディスク装置や光磁気ディスク装置、フラッシュメモリ等の読み書き自在な不揮発性記録媒体で構成されており、解析モデル設定処理部１１及びモデル解析処理部１２における処理内容等を適宜記憶する。

表示処理部１４は、解析処理を実行している際の画像、解析結果の画像等を所定にポスト処理して表示装置３へ出力する。

尚、解析モデル設定処理部１１、モデル解析処理部１２、表示処理部１４は、コンピュータによって処理される必要はなく、それぞれ専用のハードウェアにより実現されるものであってもよい。

次に、流体解析装置１で実行される流体解析プログラムを、図２に示すフローチャートで説明する。まず、ステップ（以下、「Ｓ」と略称）１０１では、解析モデル設定処理部１１は、入力装置２からの入力信号により、解析空間Ａを読み込んで、メモリ部１３に記憶する。

次に、Ｓ１０２に進み、解析モデル設定処理部１１は、Ｓ１０１で読み込んだ解析空間Ａに対し、予め用意された流体解析用のメッシュ生成ソフトを用いて、所定形状（例えば、各要素が所定の大きさの三角形形状で表現される三角メッシュ等）の解析メッシュを設定する。この際、解析メッシュの各要素には、それぞれを識別するＩＤが付される。

次いで、Ｓ１０３に進み、解析に係る様々な条件（例えば、初期状態における圧力Ｐ０、流速Ｖ０、密度ρ０等）が各要素に設定され、解析空間Ａに対する流れの環境（例えば、流速の方向等）、収束条件（例えば、所定領域における前回と今回の流速の差が、予め設定する閾値以下になった場合に収束と判定する）等の設定がなされる。尚、収束条件は、前回と今回の流速の差以外にも、前回と今回の圧力の差が、予め設定する閾値以下になった場合に収束と判定する等の条件としても良い。

そして、Ｓ１０４に進み、モデル解析処理部１２は、設定された解析空間Ａに対し、公知のＣＦＤ（Computational Fluid Dynamics）の理論に基づいて反復計算を実行し、解析メッシュを構成する全ての要素について計算が終了した後、Ｓ１０５に進んで、例えば、解析空間Ａにおける所定領域における前回と今回との流速の差が予め設定する閾値以下であって収束条件が満足されているか否か判定する。

このＳ１０５の判定の結果、収束条件が満足されているのであれば、Ｓ１０６に進み、表示処理部１４は、ポスト処理を行って、表示装置３に結果を出力する。

一方、モデル解析処理部１２は、Ｓ１０５の判定の結果、収束条件が満足されない場合は、Ｓ１０７に進み、全ての解析メッシュを構成する要素で、圧力Ｐと予め設定しておいた閾値Ｐｃとが比較され、圧力Ｐが閾値Ｐｃ以上となっている要素がある場合は、Ｓ１０８に進み、圧力Ｐが閾値Ｐｃ以上（Ｐ≧Ｐｃ）となっている要素のＩＤを区別することで分離処理する。そして、このＰ≧Ｐｃのメッシュを分離処理した後は、Ｓ１１０に進み、分離処理したメッシュに流れが入り込まない予め設定する抵抗値Ｒ＝Ｒmaxを設定して、再び、Ｓ１０４に戻って、反復計算を実行させる。

また、Ｓ１０７の判定の結果、全てのメッシュで、Ｐ＜Ｐｃとなった場合はＳ１０９に進み、分離されたメッシュが有るか否か判定され、分離されたメッシュがある場合は、Ｓ１１０に進み、設定された抵抗値Ｒを、例えば、図５に示すような、圧力Ｐの関数の値に応じて可変設定し、再び、Ｓ１０４に戻って、反復計算を実行させる。可変設定される抵抗値Ｒは、図５の関数では、Ｐ≧Ｐｃの領域では、メッシュに流れが入り込まない予め設定する抵抗値Ｒmaxが設定され、Ｐ＜Ｐｃの領域では、圧力Ｐが低下するに従って（すなわち、計算が安定してくるに従って）、低い値が設定され、最終的には、０に設定されるような特性となっている。尚、抵抗値の特性は、図５の特性に限るものではない。

また、Ｓ１０９の判定の結果、分離されたメッシュが無い場合ば、再び、Ｓ１０４に戻って、反復計算を実行させる。

このように本発明の実施の形態によれば、メッシュを設定した解析空間Ａに対し、予め設定する条件下での各要素の流体力学に関するパラメータ（圧力Ｐ、流速Ｖ等）を公知のＣＦＤ（Computational Fluid Dynamics）の理論に基づいて反復計算し、計算結果が収束しない場合に、反復計算により得られた各要素の圧力Ｐが予め設定しておいた閾値Ｐｃを超えた場合、この圧力Ｐが予め設定しておいた閾値Ｐｃを超えた要素を特定して分離し（ＩＤを特定し）、この分離した要素に流れが入り込まない予め設定する抵抗値Ｒmaxを設定し、この設定した抵抗値を、以後繰り返される計算によって、圧力Ｐに応じて可変設定するようになっている。このため、予め解析誤差を評価してメッシュモデルの粗密分布を作成するような計算の工数も必要なく、解析計算を実行することが可能である。また、分離メッシュに設定される抵抗値Ｒは、該分離メッシュの圧力Ｐの値に応じて、解析結果が安定するに従って、次第に０に設定されるので、実際の流れ場を忠実に再現して実現象に近い解析結果を安定して得ることが可能となる。

図６（ａ）は、本実施の形態の方法により得られた解析結果（所定圧力の等圧線分布）を示し、図６（ｂ）は、二つの部品（固体領域）Ｃ１、Ｃ２の間にも十分な品質のメッシュが生成されるように、解析空間全体に細かいメッシュを設定し、計算を実行して得た解析結果を示すものである。図６（ｂ）による計算結果は、メッシュの目が細かいため、図６（ａ）の解析計算よりも収束するまでに、長い時間がかかっている。本発明の実施の形態による解析方法では（図６（ａ）では）、図６（ｂ）と同等の計算結果を得るまでに、はるかに短い時間で収束させることが可能となっている。

尚、本実施の形態では、長方形形状の空間に、二つの部品（固体領域）Ｃ１、Ｃ２が、空間の中央下部に近接して設けられた解析モデルを例に、説明したが、このような解析モデルは、他の形状であっても良く、また、三次元モデルであっても適用できることは云うまでもない。

１１ 解析モデル設定処理部（解析メッシュ設定手段）
１２ モデル解析処理部（計算実行手段、収束判定手段、出力手段、要素分離手段、抵抗値設定手段、抵抗値可変手段）
１３ メモリ部
１４ 表示処理部

Claims (4)

1. 解析空間を要素で分割して解析メッシュを設定する解析メッシュ設定手段と、
   上記解析空間の予め設定する条件下での上記各要素の流体力学に関するパラメータを反復計算する計算実行手段と、
   上記反復計算により得られた上記各要素の上記パラメータが所定に収束したか否か判定する収束判定手段と、
   上記各要素の上記パラメータが所定に収束したと判定された場合、上記反復計算の結果を出力する出力手段と、
   を備えた流体解析装置において、
   上記反復計算により得られた上記各要素の上記パラメータが予め設定しておいた閾値を超えた場合、該閾値を超えた上記パラメータを有する要素を特定して分離する要素分離手段と、
   上記分離した要素に流れが入り込まない予め設定する抵抗値を設定する抵抗値設定手段と、
   上記抵抗値設定手段で設定した抵抗値を上記パラメータに応じて可変する抵抗値可変手段と、
   を備えたことを特徴とする流体解析装置。
2. 上記流体力学に関するパラメータは、少なくとも圧力であることを特徴とする請求項１記載の流体解析装置。
3. 解析空間を要素で分割して解析メッシュを設定する解析メッシュ設定ステップと、
   上記解析空間の予め設定する条件下での上記各要素の流体力学に関するパラメータを反復計算する計算実行ステップと、
   上記反復計算により得られた上記各要素の上記パラメータが所定に収束したか否か判定する収束判定ステップと、
   上記各要素の上記パラメータが所定に収束したと判定された場合、上記反復計算の結果を出力する出力ステップと、
   を備えた流体解析方法において、
   上記反復計算により得られた上記各要素の上記パラメータが予め設定しておいた閾値を超えた場合、該閾値を超えた上記パラメータを有する要素を特定して分離する要素分離ステップと、
   上記分離した要素に流れが入り込まない予め設定する抵抗値を設定する抵抗値設定ステップと、
   上記抵抗値設定ステップで設定した抵抗値を上記パラメータに応じて可変する抵抗値可変ステップと、
   を備えたことを特徴とする流体解析方法。
4. 上記流体力学に関するパラメータは、少なくとも圧力であることを特徴とする請求項３記載の流体解析方法。

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