JP2023054638A - Fluid simulation method - Google Patents

Fluid simulation method Download PDF

Info

Publication number
JP2023054638A
JP2023054638A JP2021163610A JP2021163610A JP2023054638A JP 2023054638 A JP2023054638 A JP 2023054638A JP 2021163610 A JP2021163610 A JP 2021163610A JP 2021163610 A JP2021163610 A JP 2021163610A JP 2023054638 A JP2023054638 A JP 2023054638A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fluid
model
fluid material
chamber
wall surface
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2021163610A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
慎一郎 本田
Shinichiro Honda
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sumitomo Rubber Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Rubber Industries Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sumitomo Rubber Industries Ltd filed Critical Sumitomo Rubber Industries Ltd
Priority to JP2021163610A priority Critical patent/JP2023054638A/en
Publication of JP2023054638A publication Critical patent/JP2023054638A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Processing And Handling Of Plastics And Other Materials For Molding In General (AREA)
  • Injection Moulding Of Plastics Or The Like (AREA)
  • Extrusion Moulding Of Plastics Or The Like (AREA)

Abstract

To provide a fluid simulation method capable of calculating a flow state of a fluid in consideration of a slip velocity that varies according to a proportion of a fluid material in the vicinity of a wall surface.SOLUTION: A simulation method for calculating a state in which a fluid containing multiple types of fluid materials is flowing in a chamber by using a computer includes the steps of: inputting a chamber model having a wall surface; defining a space model in which an internal space surrounded with the wall surface of the chamber model is modeled with a finite number of elements; defining a fluid model including multiple types of fluid material models in the space model; and performing flow calculation of the fluid model. The step of performing flow calculation includes steps of calculating a volume fraction of the multiple types of fluid material models for the fluid model in contact with the wall surface S52; and calculating a slip velocity with respect to the wall surface of the fluid model in contact with the wall surface based on the volume fraction S53.SELECTED DRAWING: Figure 6

Description

本開示は、流体シミュレーション方法に関する。 The present disclosure relates to a fluid simulation method.

下記特許文献1には、壁面を有するチャンバー内の流体の状態を、コンピュータを用いて計算する流体のシミュレーション方法が記載されている。この方法では、先ず、チャンバーを有限個の要素でモデル化したチャンバーモデルを設定するステップと、流体をモデル化した材料モデルを設定するステップとが行われる。 Patent Literature 1 listed below describes a fluid simulation method that uses a computer to calculate the state of a fluid in a chamber having walls. In this method, first, a step of setting a chamber model in which a chamber is modeled with a finite number of elements, and a step of setting a material model in which a fluid is modeled are performed.

次に、チャンバーモデル内に、材料モデルを配置しかつ予め定めた条件に基づいて流動計算を行うステップが行われる。この流動計算では、材料モデルとチャンバーモデルの壁面とが接触する接触面において、材料モデルの接触面と平行な速度である線形のスリップ速度が定義される。 Next, a step of placing a material model in the chamber model and performing a flow calculation based on predetermined conditions is performed. In this flow calculation, a linear slip velocity, which is a velocity parallel to the contact surface of the material model, is defined at the contact surface where the material model and the wall surface of the chamber model are in contact.

特許第5564074号公報Japanese Patent No. 5564074

ところで、流体が複数種類の流体材料を含んでいる場合、その流体の壁面に対するスリップ速度は、壁面近傍に存在する流体材料の割合等に応じて変化すると考えられるところ、上記特許文献1の技術は、このような変化を考慮した流動状態を計算することができなかった。 By the way, when the fluid contains a plurality of types of fluid materials, the slip speed of the fluid with respect to the wall surface is considered to change according to the ratio of the fluid materials existing in the vicinity of the wall surface. , it was not possible to calculate the flow state considering such changes.

本開示は、以上のような実状に鑑み案出されたもので、壁面近傍の流体材料の割合に応じて変化するスリップ速度を考慮して、流体の流動状態を計算することが可能な流体シミュレーション方法を提供することを主たる目的としている。 The present disclosure has been devised in view of the actual situation as described above, and is a fluid simulation capable of calculating the flow state of the fluid in consideration of the slip speed that changes according to the ratio of the fluid material near the wall surface. Its primary purpose is to provide a method.

本開示は、複数種類の流体材料を含む流体が、チャンバー内で流動している状態を、コンピュータを用いて計算するためのシミュレーション方法であって、前記チャンバーをモデリングして、壁面を有するチャンバーモデルを前記コンピュータに入力するステップと、前記チャンバーモデルの前記壁面で囲まれる内部空間を有限個の要素でモデリングした空間モデルを定義するステップと、前記空間モデルに、前記複数種類の流体材料をモデリングした複数種類の流体材料モデルを含む流体モデルを定義するステップと、前記コンピュータが、前記流体モデルの流動計算を行うステップとを含み、前記流動計算を行うステップは、前記壁面に接する前記流体モデルについて、前記複数種類の流体材料モデルの体積分率を計算するステップと、前記体積分率に基づいて、前記壁面に接する流体モデルの前記壁面に対するスリップ速度を計算するステップとを含む、流体シミュレーション方法である。 The present disclosure is a simulation method for calculating, using a computer, a state in which a fluid containing multiple types of fluid materials is flowing in a chamber, wherein the chamber is modeled to create a chamber model having walls. into the computer; defining a space model in which the internal space surrounded by the walls of the chamber model is modeled with a finite number of elements; and modeling the plurality of types of fluid materials in the space model. A step of defining a fluid model including a plurality of types of fluid material models; and a step of the computer performing a flow calculation of the fluid model, wherein the step of performing the flow calculation includes: A fluid simulation method, comprising the steps of: calculating volume fractions of the plurality of types of fluid material models; and calculating a slip velocity with respect to the wall surface of the fluid model in contact with the wall surface based on the volume fractions. .

本開示の流体シミュレーション方法は、上記のステップを採用することにより、壁面近傍の流体材料の割合に応じて変化するスリップ速度を考慮して、流体の流動状態を計算することが可能となる。 By adopting the steps described above, the fluid simulation method of the present disclosure can calculate the flow state of the fluid in consideration of the slip velocity that varies according to the proportion of the fluid material near the wall surface.

本実施形態の流体シミュレーション方法を実行するためのコンピュータを示す斜視図である。1 is a perspective view showing a computer for executing the fluid simulation method of this embodiment; FIG. チャンバー内を流動する流体を示す斜視図である。FIG. 4 is a perspective view showing fluid flowing within the chamber; 本実施形態の流体シミュレーションの処理手順を示すフローチャートである。4 is a flow chart showing a processing procedure of a fluid simulation according to the embodiment; 本実施形態のチャンバーモデル及び空間モデルを示す概念図である。It is a conceptual diagram showing a chamber model and a space model of the present embodiment. 主チャンバーモデルの部分断面図である。It is a partial cross-sectional view of the main chamber model. 本実施形態の流動計算ステップの処理手順を示すフローチャートである。4 is a flow chart showing a processing procedure of a flow calculation step of this embodiment; 実施例の流体材料モデルの流速を示すコンター図である。It is a contour diagram showing the flow velocity of the fluid material model of the example. 比較例の流体材料モデルの流速を示すコンター図である。FIG. 5 is a contour diagram showing the flow velocity of a fluid material model of a comparative example;

以下、本開示の実施形態が図面に基づき説明される。図面は、開示の内容の理解を助けるために、誇張表現や、実際の構造の寸法比とは異なる表現が含まれることが理解されなければならない。また、各実施形態を通して、同一又は共通する要素については同一の符号が付されており、重複する説明が省略される。さらに、実施形態及び図面に表された具体的な構成は、本開示の内容理解のためのものであって、本開示は、図示されている具体的な構成に限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described based on the drawings. It should be understood that the drawings contain exaggerated representations and representations that differ from the dimensional ratios of the actual structures in order to aid in understanding the content of the disclosure. In addition, throughout each embodiment, the same or common elements are denoted by the same reference numerals, and overlapping descriptions are omitted. Furthermore, the specific configurations shown in the embodiments and drawings are for understanding the contents of the present disclosure, and the present disclosure is not limited to the illustrated specific configurations.

本実施形態の流体シミュレーション方法(以下、単に「シミュレーション方法」ということがある。)では、複数種類の流体材料を含む流体が、チャンバー内で流動している状態を、コンピュータを用いて計算される。 In the fluid simulation method of the present embodiment (hereinafter sometimes simply referred to as "simulation method"), a state in which a fluid containing multiple types of fluid materials is flowing in a chamber is calculated using a computer. .

[コンピュータ]
図1は、本実施形態の流体シミュレーション方法を実行するためのコンピュータを示す斜視図である。本実施形態のコンピュータ1は、本体1a、キーボード1b、マウス1c及びディスプレイ装置1dを含んでいる。本体1aには、例えば、演算処理装置(CPU)、ROM、作業用メモリ、磁気ディスクなどの記憶装置、及び、ディスクドライブ装置1a1、1a2が設けられている。記憶装置には、本実施形態のシミュレーション方法を実行するためのソフトウェア等が予め記憶されている。
[Computer]
FIG. 1 is a perspective view showing a computer for executing the fluid simulation method of this embodiment. A computer 1 of this embodiment includes a main body 1a, a keyboard 1b, a mouse 1c, and a display device 1d. The main body 1a is provided with, for example, an arithmetic processing unit (CPU), a ROM, a working memory, a storage device such as a magnetic disk, and disk drive devices 1a1 and 1a2. Software and the like for executing the simulation method of this embodiment are stored in advance in the storage device.

[流体]
図2は、チャンバー2内を流動する流体3を示す斜視図である。本実施形態の流体3は、複数種類の流体材料4を含んでいる。流体材料4は、流体3を構成するものであれば、特に限定されない。本実施形態の流体材料4には、未加硫のゴム材料又は未硬化の樹脂材料が採用される。ゴム材料は、例えば、天然ゴム(NR)、ブタジエンゴム(BR)、又は、スチレンブタジエンゴム(SBR)等が挙げられる。
[fluid]
FIG. 2 is a perspective view showing the fluid 3 flowing inside the chamber 2. FIG. The fluid 3 of this embodiment contains multiple types of fluid materials 4 . The fluid material 4 is not particularly limited as long as it constitutes the fluid 3 . An unvulcanized rubber material or an uncured resin material is adopted as the fluid material 4 of the present embodiment. Rubber materials include, for example, natural rubber (NR), butadiene rubber (BR), styrene-butadiene rubber (SBR), and the like.

本実施形態の流体材料4の種類数は、特に限定されない。本実施形態では、4種類に設定されており、第1流体材料4A、第2流体材料4B、第3流体材料4C及び第4流体材料4Dが含まれる。これらの第1流体材料4A~第4流体材料4Dは、チャンバー2の壁面7でのスリップの特性が互いに異なっている。 The number of types of the fluid material 4 of this embodiment is not particularly limited. In this embodiment, four types are set, including a first fluid material 4A, a second fluid material 4B, a third fluid material 4C, and a fourth fluid material 4D. These first to fourth fluid materials 4A to 4D have different slip characteristics on the wall surface 7 of the chamber 2 .

[チャンバー]
本実施形態のチャンバー2は、筒状に形成されており、内部空間8を区画する壁面7を有している。本実施形態のチャンバー2は、分岐チャンバー5と、主チャンバー6とを含んで構成されている。
[Chamber]
The chamber 2 of this embodiment is formed in a cylindrical shape and has a wall surface 7 that defines an internal space 8 . The chamber 2 of this embodiment includes a branch chamber 5 and a main chamber 6 .

[分岐チャンバー]
本実施形態の分岐チャンバー5は、流体材料4(本例では、第1流体材料4A~第4流体材料4D)を流動させて、主チャンバー6に流入させるためのものである。本実施形態の分岐チャンバー5の一端(上流側)には、例えば、流体材料4を供給するためのスクリュー式の押出機(図示省略)が接続されている。
[Branch chamber]
The branch chamber 5 of this embodiment is for flowing the fluid material 4 (first fluid material 4A to fourth fluid material 4D in this example) into the main chamber 6 . One end (upstream side) of the branch chamber 5 of the present embodiment is connected to, for example, a screw extruder (not shown) for supplying the fluid material 4 .

分岐チャンバー5は、第1分岐チャンバー5A、第2分岐チャンバー5B、第3分岐チャンバー5C及び第4分岐チャンバー5Dを含んで構成されている。第1分岐チャンバー5A~第4流体材料4Dは、第1流体材料4A~第4流体材料4Dを主チャンバー6にそれぞれ流入させるためのものである。 The branching chamber 5 includes a first branching chamber 5A, a second branching chamber 5B, a third branching chamber 5C and a fourth branching chamber 5D. The first branch chamber 5A to fourth fluid material 4D are for allowing the first fluid material 4A to fourth fluid material 4D to flow into the main chamber 6, respectively.

[主チャンバー]
本実施形態の主チャンバー6は、複数種類の流体材料4(本例では、第1流体材料4A~第4流体材料4D)を含む流体3を流動させるためのものである。主チャンバー6の一端(上流側)には、分岐チャンバー5(本例では、第1分岐チャンバー5A~第4分岐チャンバー5D)の他端(下流側)を接続するための合流部9が設けられている。これにより、チャンバー2には、分岐チャンバー5から主チャンバー6にかけて、壁面7で囲まれる内部空間8が連続して形成される。
[Main chamber]
The main chamber 6 of this embodiment is for flowing a fluid 3 containing a plurality of types of fluid materials 4 (first fluid material 4A to fourth fluid material 4D in this example). One end (upstream side) of the main chamber 6 is provided with a junction 9 for connecting the other end (downstream side) of the branching chambers 5 (in this example, the first branching chamber 5A to the fourth branching chamber 5D). ing. As a result, an internal space 8 surrounded by a wall surface 7 is continuously formed in the chamber 2 from the branch chamber 5 to the main chamber 6 .

主チャンバー6には、各分岐チャンバー5(本例では、第1分岐チャンバー5A~第4分岐チャンバー5D)から供給される流体材料4(本例では、第1流体材料4A~第4流体材料4D)を合流させた流体3が供給される。そして、主チャンバー6では、一端(上流側)から他端(下流側)に向かって、流体3(複数種類の流体材料4)が押し出される。 The main chamber 6 contains fluid materials 4 (first fluid material 4A to fourth fluid material 4D in this example) supplied from branch chambers 5 (first branch chamber 5A to fourth branch chamber 5D in this example). ) is supplied. In the main chamber 6, the fluid 3 (plural kinds of fluid materials 4) is extruded from one end (upstream side) to the other end (downstream side).

ところで、本実施形態のように、流体3が複数種類の流体材料4(本例では、第1流体材料4A~第4流体材料4D)を含んでいる場合、その流体3の壁面7に対するスリップ速度は、壁面7近傍に存在する流体材料4の割合等に応じて変化すると考えられる。したがって、このような流体3の流動計算を行うには、スリップ速度の変化を考慮した流動状態を計算することが重要である。 By the way, as in this embodiment, when the fluid 3 contains a plurality of types of fluid materials 4 (in this example, the first fluid material 4A to the fourth fluid material 4D), the slip speed of the fluid 3 with respect to the wall surface 7 is considered to change according to the ratio of the fluid material 4 existing in the vicinity of the wall surface 7 and the like. Therefore, in order to calculate the flow of the fluid 3, it is important to calculate the flow state in consideration of the change in the slip speed.

[流体シミュレーション方法(第1実施形態)]
本実施形態のシミュレーション方法では、壁面7近傍の流体材料4の割合に応じて変化するスリップ速度を考慮して、流体3の流動状態が計算される。図3は、本実施形態の流体シミュレーションの処理手順を示すフローチャートである。
[Fluid simulation method (first embodiment)]
In the simulation method of the present embodiment, the flow state of the fluid 3 is calculated in consideration of the slip speed that changes according to the ratio of the fluid material 4 near the wall surface 7 . FIG. 3 is a flow chart showing the processing procedure of the fluid simulation of this embodiment.

[チャンバーモデルを入力]
本実施形態のシミュレーション方法では、先ず、チャンバーモデルが、コンピュータ1に入力される(ステップS1)。図4は、本実施形態のチャンバーモデル11及び空間モデル12を示す概念図である。図5は、主チャンバーモデル16の部分断面図である。
[Enter chamber model]
In the simulation method of this embodiment, first, a chamber model is input to the computer 1 (step S1). FIG. 4 is a conceptual diagram showing the chamber model 11 and the space model 12 of this embodiment. FIG. 5 is a partial cross-sectional view of the main chamber model 16. FIG.

チャンバーモデル11は、チャンバー2(図2に示す)をモデリングしたものである。本実施形態のステップS1では、解析対象のチャンバー2の設計データ(設計因子)に基づいて、チャンバー2が、有限個の要素G(i)でモデリング(離散化)される。これにより、ステップS1では、壁面19(図5に示す)を有するチャンバーモデル11が設定される。 The chamber model 11 is a model of the chamber 2 (shown in FIG. 2). In step S1 of the present embodiment, the chamber 2 is modeled (discretized) with a finite number of elements G(i) based on design data (design factors) of the chamber 2 to be analyzed. Thereby, in step S1, the chamber model 11 having the wall surface 19 (shown in FIG. 5) is set.

本実施形態のチャンバーモデル11は、分岐チャンバーモデル15と、主チャンバーモデル16とを含んで構成されている。 The chamber model 11 of this embodiment includes a branch chamber model 15 and a main chamber model 16 .

分岐チャンバーモデル15は、分岐チャンバー5(図2に示す)をモデリングしたものである。本実施形態の分岐チャンバーモデル15は、第1分岐チャンバーモデル15A、第2分岐チャンバーモデル15B、第3分岐チャンバーモデル15C及び第4分岐チャンバーモデル15Dを含んで構成されている。これらの分岐チャンバーモデル15A~15Dは、第1分岐チャンバー5A~第4分岐チャンバー5D(図2に示す)をそれぞれモデリングしたものである。 Branch chamber model 15 is a model of branch chamber 5 (shown in FIG. 2). The branching chamber model 15 of this embodiment includes a first branching chamber model 15A, a second branching chamber model 15B, a third branching chamber model 15C and a fourth branching chamber model 15D. These branch chamber models 15A-15D are models of the first branch chamber 5A-fourth branch chamber 5D (shown in FIG. 2), respectively.

主チャンバーモデル16は、主チャンバー6(図2に示す)をモデリングしたものである。主チャンバーモデル16の一端(上流側)には、各分岐チャンバーモデル15A~15Dの他端(下流側)を接続するための合流部17が設けられている。これにより、チャンバーモデル11には、各分岐チャンバーモデル15A~15Dから主チャンバーモデル16にかけて、壁面19で囲まれる内部空間18(図5に示す)が連続して形成される。 The main chamber model 16 is a model of the main chamber 6 (shown in FIG. 2). One end (upstream side) of the main chamber model 16 is provided with a junction 17 for connecting the other end (downstream side) of each of the branch chamber models 15A to 15D. As a result, in the chamber model 11, an internal space 18 (shown in FIG. 5) surrounded by the walls 19 is continuously formed from the branch chamber models 15A to 15D to the main chamber model 16. As shown in FIG.

要素G(i)には、例えば、二次元の面要素や三次元のソリッド要素(本例では、ソリッド要素)が採用されている。ソリッド要素は、精度がよく、接触面の設定が容易な6面体が好ましいが、複雑な形状を表現するのに適した4面体要素でもよい。なお、ソリッド要素は、これらの要素以外に、ソフトウェアで使用可能な三次元ソリッド要素が用いられてもよい。各要素G(i)には、要素番号、節点(図示省略)の番号、及び、節点の座標値等の数値データが定義される。また、本実施形態の各要素G(i)は、外力が作用しても変形不能な剛性に定義される。チャンバーモデル11は、コンピュータ1に記憶される。 Element G(i) employs, for example, a two-dimensional surface element or a three-dimensional solid element (in this example, a solid element). The solid element is preferably a hexahedron with good accuracy and easy setting of the contact surface, but a tetrahedron element suitable for expressing a complicated shape may be used. In addition to these solid elements, three-dimensional solid elements that can be used with software may be used as the solid elements. For each element G(i), numerical data such as an element number, a node (not shown) number, and coordinate values of the node are defined. Further, each element G(i) in this embodiment is defined to have such rigidity that it cannot be deformed even when an external force acts on it. Chamber model 11 is stored in computer 1 .

[空間モデルを定義]
次に、本実施形態のシミュレーション方法では、チャンバーモデル11の壁面19で囲まれる内部空間18(図5に示す)を、有限個の要素F(i)でモデリングした空間モデル12が定義される(ステップS2)。
Define Spatial Model
Next, in the simulation method of the present embodiment, the space model 12 is defined by modeling the internal space 18 (shown in FIG. 5) surrounded by the walls 19 of the chamber model 11 with a finite number of elements F(i) ( step S2).

本実施形態のステップS2では、分岐チャンバーモデル15及び主チャンバーモデル16を含むチャンバーモデル11の内部空間18(図5に示す)が、有限個の要素F(i)で離散化される。これにより、分岐チャンバーモデル15から主チャンバーモデル16にかけて連続する空間モデル12が定義される。 In step S2 of this embodiment, the internal space 18 (shown in FIG. 5) of the chamber model 11 including the branch chamber model 15 and the main chamber model 16 is discretized with a finite number of elements F(i). As a result, a spatial model 12 that is continuous from the branch chamber model 15 to the main chamber model 16 is defined.

本実施形態の空間モデル12には、主空間モデル13と、分岐空間モデル14とが含まれる。分岐空間モデル14は、第1分岐空間モデル14A、第2分岐空間モデル14B、第3分岐空間モデル14C及び第4分岐空間モデル14Dが含まれる。 The space model 12 of this embodiment includes a main space model 13 and a branch space model 14 . The branched space models 14 include a first branched space model 14A, a second branched space model 14B, a third branched space model 14C and a fourth branched space model 14D.

図5に示されるように、主空間モデル13は、主チャンバーモデル16の内部空間18に定義される。図4に示されるように、第1分岐空間モデル14A~第4分岐空間モデル14Dは、第1分岐チャンバーモデル15A~第4分岐チャンバーモデル15Dの各内部空間18(図示省略)にそれぞれ定義される。 As shown in FIG. 5, the main space model 13 is defined in the inner space 18 of the main chamber model 16. As shown in FIG. As shown in FIG. 4, the first branch space model 14A to fourth branch space model 14D are defined in each internal space 18 (not shown) of the first branch chamber model 15A to fourth branch chamber model 15D. .

要素分割は、例えば、四面体、六面体などの他、多面体セル(ポリヘドラルグリッド)といった三次元要素で行われる。本実施形態では、オイラー要素が用いられる。各要素F(i)では、後述の流体モデル21の圧力、温度及び速度等の物理量や、流体材料モデル22(第1流体材料モデル22A~第4流体材料モデル22D)の体積分率等が計算される。空間モデル12は、コンピュータ1に記憶される。 The element division is performed by, for example, three-dimensional elements such as tetrahedrons, hexahedrons, and polyhedral cells (polyhedral grids). In this embodiment, Euler elements are used. In each element F(i), physical quantities such as pressure, temperature and velocity of the fluid model 21, which will be described later, and volume fractions of the fluid material model 22 (first fluid material model 22A to fourth fluid material model 22D) are calculated. be done. Spatial model 12 is stored in computer 1 .

[流体モデルを定義]
次に、本実施形態のシミュレーション方法では、空間モデル12に、複数種類の流体材料モデル22を含む流体モデル21が定義される(ステップS3)。複数種類の流体材料モデル22は、複数種類の流体材料4(図2に示す)をそれぞれモデリングしたものである。
[Define fluid model]
Next, in the simulation method of the present embodiment, a fluid model 21 including multiple types of fluid material models 22 is defined in the space model 12 (step S3). The plurality of types of fluid material models 22 are models of the plurality of types of fluid materials 4 (shown in FIG. 2).

本実施形態の複数種類の流体材料モデル22には、第1流体材料モデル22A、第2流体材料モデル22B、第3流体材料モデル22C及び第4流体材料モデル22Dが含まれる。これらの第1流体材料モデル22A~第4流体材料モデル22Dは、第1流体材料4A~第4流体材料4D(図2に示す)をそれぞれモデリングしたものである。 The multiple types of fluid material models 22 of this embodiment include a first fluid material model 22A, a second fluid material model 22B, a third fluid material model 22C and a fourth fluid material model 22D. These first fluid material model 22A to fourth fluid material model 22D are models of the first fluid material 4A to fourth fluid material 4D (shown in FIG. 2), respectively.

本実施形態の流体材料モデル22は、空間モデル12の要素(オイラー要素)F(i)で定義される。第1流体材料モデル22A~第4流体材料モデル22Dには、解析対象となる第1流体材料4A~第4流体材料4Dの物理量がそれぞれ定義される。物理量には、例えば、せん断粘度、比熱、熱伝導率及び比重等が含まれる。これらの物理量は、例えば、特許文献1や、特許文献(特開2016-043545号公報)の記載に基づいて適宜定義される。流体モデル21(複数種類の流体材料モデル22)は、コンピュータ1に記憶される。 The fluid material model 22 of this embodiment is defined by elements (Eulerian elements) F(i) of the space model 12 . Physical quantities of the first to fourth fluid materials 4A to 4D to be analyzed are defined in the first to fourth fluid material models 22A to 22D, respectively. Physical quantities include, for example, shear viscosity, specific heat, thermal conductivity, specific gravity, and the like. These physical quantities are appropriately defined based on the descriptions in, for example, Patent Document 1 and Patent Document (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2016-043545). A fluid model 21 (a plurality of types of fluid material models 22) is stored in the computer 1. FIG.

[境界条件等を設定]
次に、本実施形態のシミュレーション方法では、コンピュータ1に、境界条件等が設定される(ステップS4)。本実施形態の境界条件には、第1分岐空間モデル14A~第4分岐空間モデル14Dの一端(供給口14Ai~14Di)からそれぞれ供給される第1流体材料モデル22A~第4流体材料モデル22Dの流入量及び温度が含まれる。
[Set boundary conditions, etc.]
Next, in the simulation method of this embodiment, boundary conditions and the like are set in the computer 1 (step S4). The boundary conditions of the present embodiment include the first fluid material model 22A to the fourth fluid material model 22D supplied from one ends (supply ports 14Ai to 14Di) of the first branch space model 14A to the fourth branch space model 14D, respectively. Inflow and temperature are included.

流入量や温度は、例えば、実際のチャンバー2(図2に示す)を用いた実験結果や、チャンバー2の設計値に基づいて設定されうる。これらの流入量や温度は、第1流体材料モデル22A~第4流体材料モデル22Dごとに異なるものが設定されてもよいし、同一のものが設定されていてもよい。本実施形態では、同一の流入量及び温度が設定されている。さらに、本実施形態の境界条件には、主空間モデル13の他端(排出口)13tの圧力(圧力=0)が含まれる。 The inflow rate and temperature can be set, for example, based on experimental results using an actual chamber 2 (shown in FIG. 2) or design values of the chamber 2 . These inflow amount and temperature may be set differently for each of the first fluid material model 22A to the fourth fluid material model 22D, or may be set the same. In this embodiment, the same inflow rate and temperature are set. Furthermore, the boundary conditions of the present embodiment include the pressure (pressure=0) at the other end (exhaust port) 13t of the main space model 13 .

本実施形態の境界条件には、流動計算(シミュレーション)のタイムステップ、内部処理でのイタレーションの反復回数、及び、計算終了時刻などが含まれる。これらの条件は、シミュレーションの目的等に応じて任意に定められる。 The boundary conditions of this embodiment include the flow calculation (simulation) time step, the number of iterations in internal processing, the calculation end time, and the like. These conditions are arbitrarily determined according to the purpose of the simulation.

本実施形態の境界条件には、チャンバーモデル11の壁面19(図5に示す)において、流体材料モデル22に流速をもつ壁面スリップ条件が含まれる。壁面スリップ条件は、チャンバーモデル11の壁面19に接する流体モデル21について、壁面19に対するスリップ速度Vslip(x)で定義される。スリップ速度Vslip(x)は、下記式(1)で計算される。 The boundary conditions of this embodiment include a wall slip condition with flow velocity in the fluid material model 22 on the wall surface 19 (shown in FIG. 5) of the chamber model 11 . The wall slip condition is defined by the slip velocity V slip (x) with respect to the wall surface 19 of the fluid model 21 in contact with the wall surface 19 of the chamber model 11 . The slip speed V slip (x) is calculated by the following formula (1).

Figure 2023054638000002

ここで、
x:壁面と接触する各要素に割り当てられた番号(自然数)
slip(x):スリップ速度
α:スリップ率
t(x):壁面から法線方向に距離Dwallを隔てた位置での流体モデルの速度成分
wallm(x):壁面での流体モデルの速度成分
i:各流体材料モデルに割り当てられた番号(自然数)
:各流体材料モデルの体積分率
η:各流体材料モデルの粘度
slipi、ei:各流体材料モデルのスリップの特性を示す定数
Figure 2023054638000002

here,
x: Number assigned to each element in contact with the wall (natural number)
V slip (x): Slip velocity α: Slip rate V t (x): Velocity component of the fluid model at a position separated by a distance D wall in the normal direction from the wall surface V wallm (x): The velocity component of the fluid model at the wall surface Velocity component i: Number assigned to each fluid material model (natural number)
C i : Volume fraction of each fluid material model η i : Viscosity of each fluid material model F slipi , e i : Constants indicating slip characteristics of each fluid material model

上記式(1)のxは、空間モデル12の要素F(i)のうち、チャンバーモデル11の壁面19と接触する各要素F(i)に割り当てられた番号(自然数)である。したがって、スリップ速度Vslip(x)では、番号xで特定される各要素F(x)でのスリップ速度が定義される。本実施形態において、スリップ速度Vslip(x)は、番号xで特定される各要素F(x)の中心点(代表点)23で特定されるものとする。 x in the above equation (1) is a number (natural number) assigned to each element F(i) in contact with the wall surface 19 of the chamber model 11 among the elements F(i) of the space model 12 . Thus, the slip velocity V slip (x) defines the slip velocity at each element F(x) identified by the number x. In this embodiment, the slip speed V slip (x) is specified by the center point (representative point) 23 of each element F(x) specified by the number x.

上記式(1)のVt(x)は、番号xで特定される各要素F(x)について、壁面19から法線方向に距離Dwallを隔てた位置での速度成分である。上記式(1)のVwallm(x)は、番号xで特定される各要素F(x)について、壁面19での速度成分である。これらの速度成分Vt(x)及びVwallm(x)は、壁面19と平行な流体モデル21の速度成分である。速度成分Vt(x)及びVwallm(x)の詳細は、上記特許文献1に記載されているとおりである。 V t (x) in the above equation (1) is a velocity component at a position separated from the wall surface 19 by a distance D wall in the normal direction for each element F(x) specified by the number x. V wallm (x) in the above equation (1) is the velocity component on the wall surface 19 for each element F(x) specified by the number x. These velocity components V t (x) and V wallm (x) are velocity components of the fluid model 21 parallel to the wall surface 19 . The details of the velocity components V t (x) and V wallm (x) are as described in Patent Document 1 above.

上記式(1)のiは、各流体材料モデル22(図4に示す)に割り当てられた番号(自然数)である。本実施形態では、第1流体材料モデル22A~第4流体材料モデル22Dが含まれている。このため、第1流体材料モデル22Aは、番号iとして「1」が割り当てられるる。第2流体材料モデル22Bは、番号iとして「2」が割り当てられる。第3流体材料モデル22Cは、番号iとして「3」が割り当てられる。第4流体材料モデル22Dは、番号iとして「4」が割り当てられる。 i in the above equation (1) is a number (natural number) assigned to each fluid material model 22 (shown in FIG. 4). In this embodiment, a first fluid material model 22A to a fourth fluid material model 22D are included. Therefore, the first fluid material model 22A is assigned "1" as the number i. The second fluid material model 22B is assigned "2" as the number i. The third fluid material model 22C is assigned "3" as the number i. The fourth fluid material model 22D is assigned "4" as the number i.

上記式(1)のCは、番号xで特定される各要素F(x)において、番号iで特定される流体材料モデル22(第1流体材料モデル22A~第4流体材料モデル22D)の体積分率である。上記式(1)のηは、番号xで特定される各要素F(x)において、番号iで特定される各流体材料モデル22(第1流体材料モデル22A~第4流体材料モデル22D)の粘度である。本実施形態の粘度は、せん断粘度である。この粘度には、流体モデルを定義するステップS3において、第1流体材料モデル22A~第4流体材料モデル22Dに定義されたせん断粘度(すなわち、第1流体材料4A~第4流体材料4Dのせん断粘度)が用いられる。 C i in the above formula (1) is the fluid material model 22 (first fluid material model 22A to fourth fluid material model 22D) specified by number i in each element F(x) specified by number x. volume fraction. η i in the above formula (1) is each fluid material model 22 (first fluid material model 22A to fourth fluid material model 22D) specified by number i in each element F(x) specified by number x. is the viscosity of The viscosity in this embodiment is shear viscosity. This viscosity includes the shear viscosities defined in the first fluid material model 22A to the fourth fluid material model 22D (that is, the shear viscosities of the first fluid material 4A to the fourth fluid material 4D ) is used.

上記式(1)のFslipi及びeiは、番号iで特定される流体材料モデル22のスリップの特性を示す定数である。これらの定数Fslipi及びeiは、上記特許文献1と同様の手順に基づいて、実験によって予め決定(同定)される。 F slipi and e i in the above equation (1) are constants representing the slip characteristics of the fluid material model 22 identified by the number i. These constants F slipi and e i are determined (identified) in advance by experiments based on the same procedure as in Patent Document 1 above.

本実施形態では、後述の流動計算ステップS5において、壁面19に接する空間モデル12の要素F(x)ごとに、複数種類の各流体材料モデル22A~22Dの体積分率Cと、速度成分Vt(x)及びVwallm(x)とが、上記式(1)に代入される。これにより、各要素F(x)に配置されている流体モデル21のスリップ速度Vslip(x)がそれぞれ計算される。このようなスリップ速度Vslip(x)は、第1流体材料モデル22A~第4流体材料モデル22Dの各せん断粘度を、要素F(x)に含まれる第1流体材料モデル22A~第4流体材料モデル22Dの体積分率で重み付けをして特定されている。したがって、本実施形態のシミュレーション方法では、壁面19近傍の流体材料4の割合に応じて変化するスリップ速度を考慮することが可能となる。境界条件は、コンピュータ1に記憶される。 In this embodiment, in the flow calculation step S5 described later, for each element F(x) of the space model 12 in contact with the wall surface 19, the volume fraction C i of each of the plurality of types of fluid material models 22A to 22D and the velocity component V t (x) and V wallm (x) are substituted into equation (1) above. Thereby, the slip velocity V slip (x) of the fluid model 21 arranged at each element F(x) is calculated. Such a slip velocity V slip (x) is obtained by applying the shear viscosities of the first fluid material model 22A to the fourth fluid material model 22D to the first fluid material model 22A to the fourth fluid material model 22A included in the element F(x). It is specified by weighting with the volume fraction of the model 22D. Therefore, in the simulation method of the present embodiment, it is possible to consider the slip speed that changes according to the proportion of the fluid material 4 near the wall surface 19 . The boundary conditions are stored in computer 1 .

[流動計算ステップ]
次に、本実施形態のシミュレーション方法では、コンピュータ1(図1に示す)が、流体モデル21の流動計算を行う(流動計算ステップS5)。本実施形態の流動計算ステップS5は、境界条件に基づいて、図4に示されるように、第1分岐空間モデル14A~第4分岐空間モデル14Dの一端(供給口14Ai~14Di)から、第1流体材料モデル22A~第4流体材料モデル22Dをそれぞれ流入させる。そして、流動計算ステップS5では、第1流体材料モデル22A~第4流体材料モデル22Dを主空間モデル13で合流させて、主空間モデル13の他端(排出口)13tへと流体モデル21を流動する(押し出す)状態が計算される。このような流動計算は、シミュレーションの単位時間Tx毎に実施される。
[Flow calculation step]
Next, in the simulation method of this embodiment, the computer 1 (shown in FIG. 1) performs flow calculation of the fluid model 21 (flow calculation step S5). In the flow calculation step S5 of the present embodiment, based on the boundary conditions, as shown in FIG. The fluid material model 22A to the fourth fluid material model 22D are introduced respectively. Then, in the flow calculation step S5, the first fluid material model 22A to the fourth fluid material model 22D are merged in the main space model 13, and the fluid model 21 flows to the other end (discharge port) 13t of the main space model 13. The state to push (extrude) is calculated. Such a flow calculation is performed for each unit time Tx of simulation.

流動計算は、例えば、特許文献(特開2016-043545号公報)と同様の手順に基づいて行われる。本実施形態では、空間モデル12の各要素F(i)の位置において、流体材料モデル22の運動状態を特定する3方向(x,y,z)の速度成分uと、材料モデルの内部状態を特定する未知量である圧力p及び温度Tが計算される。また、本実施形態の流動計算では、非圧縮性流れの場合のNavier-Stoks方程式が用いられ、流体材料モデル22の密度は一定とされている。 The flow calculation is performed, for example, based on a procedure similar to that in the patent document (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2016-043545). In this embodiment, at the position of each element F(i) of the space model 12, velocity components u in three directions (x, y, z) specifying the motion state of the fluid material model 22 and the internal state of the material model are Certain unknowns pressure p and temperature T are calculated. Further, in the flow calculation of this embodiment, the Navier-Stoks equation for incompressible flow is used, and the density of the fluid material model 22 is assumed to be constant.

本実施形態において、流体材料モデル22は、全温度領域で流体として扱われる。このため、流体の方程式( Navier-Stoks 方程式、質量保存式、及び、エネルギー方程式の連立)が解かれる。また、本実施形態では、せん断粘度ηが異なる複数種類の材料モデルの混相が扱われる。このため、本実施形態では、自由界面の流れの計算で用いられるVOF(Volume of Fluid)法が用いられる。 In this embodiment, the fluid material model 22 is treated as a fluid over the entire temperature range. For this purpose, the fluid equations (simultaneous Navier-Stoks equations, mass conservation equations, and energy equations) are solved. Moreover, in this embodiment, mixed phases of a plurality of types of material models with different shear viscosities η are handled. For this reason, in this embodiment, the VOF (Volume of Fluid) method used in the calculation of the flow on the free surface is used.

VOF法では、4つの第1流体材料モデル22A~第4流体材料モデル22Dの界面の移動が直接計算されるのではなく、各要素F(i)の流体材料モデル22A~22Dの体積分率(充填率)Cが定義されて、自由界面が平均化して表現される。 In the VOF method, the movement of the interfaces of the four first to fourth fluid material models 22A to 22D is not directly calculated, but the volume fractions of the fluid material models 22A to 22D ( fill factor) C i is defined to represent the free interface averaged.

本実施形態の流動計算ステップS5では、流体モデル21の流れが安定状態になるまで(即ち、集束するまで)計算が行われる。これにより、流体モデル21の安定状態を求めることができる。流動計算には、例えば、市販の流体解析ソフトウェア(例えば、ANSYS社のFLUNETやCFXなど)が用いられうる。図6は、本実施形態の流動計算ステップS5の処理手順を示すフローチャートである。 In the flow calculation step S5 of this embodiment, the calculation is performed until the flow of the fluid model 21 reaches a stable state (that is, until it converges). Thereby, the stable state of the fluid model 21 can be obtained. For flow calculation, for example, commercially available fluid analysis software (eg, ANSYS FLUNET, CFX, etc.) can be used. FIG. 6 is a flow chart showing the processing procedure of the flow calculation step S5 of this embodiment.

[流体材料モデルの運動を計算]
本実施形態の流動計算ステップS5では、先ず、複数種類の流体材料モデル22(第1流体材料モデル22A~第4流体材料モデル22D)の運動が計算される(ステップS51)。ステップS51での運動計算は、従来と同様の手順で実施されうる。運動計算の手順の一例としては、上記特許文献1の流動計算のステップS51~ステップS60や、特許文献(特開2016-043545号公報)に記載の運動計算ステップでのステップS201~ステップS210が挙げられる。
[Calculate motion of fluid material model]
In the flow calculation step S5 of this embodiment, first, motions of a plurality of types of fluid material models 22 (first fluid material model 22A to fourth fluid material model 22D) are calculated (step S51). The motion calculation in step S51 can be performed in a conventional procedure. Examples of the motion calculation procedure include steps S51 to S60 of the flow calculation in Patent Document 1 and steps S201 to S210 in the motion calculation step described in Patent Document (JP 2016-043545 A). be done.

[流体材料モデルの体積分率を計算]
次に、本実施形態の流動計算ステップS5では、図5に示されるように、壁面19に接する流体モデル21について、複数種類の流体材料モデル22(図4に示す)の体積分率が計算される(ステップS52)。本実施形態のステップS52では、空間モデル12を構成する各要素F(i)のうち、壁面19に接する要素F(i)において、図4に示した第1流体材料モデル22A~第4流体材料モデル22Dの体積分率C(i=1~4)がそれぞれ計算される。各体積分率は、VOF法に基づいて計算される。
[Calculate volume fraction of fluid material model]
Next, in the flow calculation step S5 of the present embodiment, as shown in FIG. 5, the volume fractions of multiple types of fluid material models 22 (shown in FIG. 4) are calculated for the fluid model 21 in contact with the wall surface 19. (step S52). In step S52 of the present embodiment, the first fluid material model 22A to the fourth fluid material model 22A shown in FIG. The volume fractions C i (i=1-4) of model 22D are calculated respectively. Each volume fraction is calculated based on the VOF method.

主空間モデル13では、第1流体材料モデル22A~第4流体材料モデル22Dを含む流体モデル21の流動が計算されているため、壁面19に接する要素F(i)において、各流体材料モデル22A~22Dの体積分率Cが計算される。一方、第1分岐空間モデル14Aでは、第1流体材料モデル22Aの流動のみが計算されるため、壁面19に接する要素F(i)において、第1流体材料モデル22Aの体積分率が1.0に設定される。同様に、第2分岐空間モデル14B~第4分岐空間モデル14Dでは、壁面19に接する要素F(i)において、第2流体材料モデル22B~第4流体材料モデル22Dの体積分率が1.0にそれぞれ設定される。体積分率は、コンピュータ1に記憶される。 In the main space model 13, the flow of the fluid model 21 including the first fluid material model 22A to the fourth fluid material model 22D is calculated. The 22D volume fraction C i is calculated. On the other hand, in the first branch space model 14A, only the flow of the first fluid material model 22A is calculated. is set to Similarly, in the second branch space model 14B to the fourth branch space model 14D, the volume fraction of the second fluid material model 22B to the fourth fluid material model 22D in the element F(i) in contact with the wall surface 19 is 1.0. are set respectively. The volume fraction is stored in computer 1 .

[流体モデル21のスリップ速度を計算]
次に、本実施形態の流動計算ステップS5では、複数種類の各流体材料モデル22A~22Dの体積分率C(i=1~4)に基づいて、壁面19に接する流体モデル21の壁面19に対するスリップ速度Vslip(x)が計算される(ステップS53)。
[Calculation of slip velocity of fluid model 21]
Next, in the flow calculation step S5 of this embodiment, the wall surface 19 of the fluid model 21 in contact with the wall surface 19 is calculated based on the volume fractions C i (i=1 to 4) of each of the plurality of types of fluid material models 22A to 22D. A slip velocity V slip (x) for is calculated (step S53).

本実施形態のステップS53では、壁面19に接する空間モデル12の要素F(x)ごとに、複数種類の各流体材料モデル22A~22Dの体積分率Cと、速度成分Vt(x)及びVwallm(x)とが、上記式(1)に代入される。体積分率Cは、ステップS52で計算された第1流体材料モデル22A~第4流体材料モデル22Dの体積分率C(i=1~4)が用いられる。速度成分Vt(x)及びVwallm(x)は、例えば、上記特許文献1などの従来と同様の手順で計算される。これにより、ステップS53では、壁面19に接する空間モデル12の要素F(x)ごとに、壁面19に接する流体モデル21の壁面に対するスリップ速度Vslip(x)が計算される。 In step S53 of the present embodiment, for each element F(x) of the space model 12 in contact with the wall surface 19, the volume fraction C i of each of the plurality of types of fluid material models 22A to 22D, the velocity component V t (x) and V wallm (x) is substituted into the above equation (1). The volume fractions C i (i=1 to 4) of the first fluid material model 22A to the fourth fluid material model 22D calculated in step S52 are used as the volume fractions C i . The velocity components V t (x) and V wallm (x) are calculated, for example, by a procedure similar to that of the prior art, such as Patent Document 1 above. As a result, in step S53, the slip velocity V slip (x) of the fluid model 21 contacting the wall surface 19 with respect to the wall surface is calculated for each element F(x) of the space model 12 contacting the wall surface 19 .

主空間モデル13では、第1流体材料モデル22A~第4流体材料モデル22Dを含む流体モデル21の流動が計算されているため、各流体材料モデル22A~22Dの体積分率C等に応じたスリップ速度Vslip(x)が計算される。一方、第1分岐空間モデル14Aでは、第1流体材料モデル22Aの流動のみが計算されるため、壁面19に接する要素F(i)において、第1流体材料モデル22Aの体積分率(=1.0)のみに基づいたスリップ速度Vslip(x)が計算される。同様に、第2分岐空間モデル14B~第4分岐空間モデル14Dでは、壁面19に接する要素F(i)において、第2流体材料モデル22B~第4流体材料モデル22Dの体積分率(=1.0)に基づいたスリップ速度Vslip(x)がそれぞれ計算される。スリップ速度Vslip(x)は、コンピュータ1に記憶される。 In the main space model 13 , the flow of the fluid model 21 including the first fluid material model 22A to the fourth fluid material model 22D is calculated. A slip velocity V slip (x) is calculated. On the other hand, in the first branch space model 14A, only the flow of the first fluid material model 22A is calculated. Therefore, the volume fraction (=1. 0) is calculated based on slip velocity V slip (x) only. Similarly, in the second branch space model 14B to the fourth branch space model 14D, the volume fraction (=1. 0) are calculated respectively. The slip velocity V slip (x) is stored in computer 1 .

[流体材料モデルの安定状態を判断]
次に、本実施形態の流動計算ステップS5では、流体モデル21の流れが安定状態になったか(計算が収束したか)否かが判断される(ステップS54)。本実施形態の安定状態は、主空間モデル13の一端(合流部)からの第1流体材料モデル22A~第4流体材料モデル22Dの合計供給量と、主空間モデル13の他端13tでの流体モデル21の排出量との差が、予め定められた範囲内にある状態をいう。安定状態の判断は、例えば、特許文献(特開2016-043545号公報)のステップS211の処理手順に基づいて、適宜実施される。
[Determine the stable state of the fluid material model]
Next, in the flow calculation step S5 of this embodiment, it is determined whether or not the flow of the fluid model 21 has reached a stable state (whether the calculation has converged) (step S54). The stable state of the present embodiment is the total supply amount of the first fluid material model 22A to the fourth fluid material model 22D from one end (confluence portion) of the main space model 13, and the fluid at the other end 13t of the main space model 13. A state in which the difference from the emission amount of the model 21 is within a predetermined range. The determination of the stable state is appropriately performed based on, for example, the processing procedure of step S211 of the patent document (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2016-043545).

ステップS54において、流体モデル21の流れが安定状態となったと判断された場合(ステップS54で「Yes」)、本実施形態の流動計算ステップS5の一連の処理が終了し、次のステップS6(図3に示す)が実施される。一方、ステップS54において、流体モデル21の流れが安定状態になっていないと判断された場合(ステップS54で「No」)、シミュレーションの単位時間Txを一つ進めて(ステップS55)、ステップS51~ステップS54が再度実施される。これにより、流動計算ステップS5では、流体モデル21の流れが安定状態になるまで、シミュレーションの単位時間Txごとに、流体モデル21の流動計算が実施される。 In step S54, when it is determined that the flow of the fluid model 21 has reached a stable state ("Yes" in step S54), the series of processes of the flow calculation step S5 of this embodiment ends, and the next step S6 (Fig. 3) is performed. On the other hand, if it is determined in step S54 that the flow of the fluid model 21 is not in a stable state ("No" in step S54), the simulation unit time Tx is advanced by one (step S55), and steps S51 to Step S54 is performed again. Thus, in the flow calculation step S5, the flow calculation of the fluid model 21 is performed for each simulation unit time Tx until the flow of the fluid model 21 reaches a stable state.

本実施形態のシミュレーション方法では、壁面19に接する流体モデル21に含まれている複数種類の流体材料モデル22の体積分率に基づいて、壁面19に接する流体モデル21の壁面19に対するスリップ速度Vslip(x)が計算される。これにより、本実施形態のシミュレーション方法では、壁面19近傍の流体材料4の割合に応じて変化するスリップ速度Vslip(x)を考慮して、流体3の流動状態を計算することが可能となる。したがって、本実施形態では、複数種類の流体材料モデル22が合流する状態、及び、押し出される状態を、精度良く(現実に近い状態)計算することができる。 In the simulation method of this embodiment, the slip velocity V slip (x) is calculated. As a result, in the simulation method of this embodiment, it is possible to calculate the flow state of the fluid 3 in consideration of the slip velocity V slip (x) that changes according to the proportion of the fluid material 4 near the wall surface 19. . Therefore, in the present embodiment, it is possible to accurately (close to reality) calculate the state in which multiple types of fluid material models 22 merge and the state in which they are pushed out.

[物理量を取得]
次に、本実施形態のシミュレーション方法では、コンピュータ1(図1に示す)が、流体モデル21の物理量を取得する(ステップS6)。物理量は、例えば、流体モデル21の速度、圧力及び温度が挙げられる。本実施形態では、主チャンバーモデル16の他端(排出口)13tにおいて、これらの物理量が計算されている。これらの物理量は、流体解析ソフトウェアを用いて適宜計算される。物理量は、コンピュータ1に記憶される。
[Get Physical Quantity]
Next, in the simulation method of this embodiment, the computer 1 (shown in FIG. 1) acquires physical quantities of the fluid model 21 (step S6). Physical quantities include, for example, the velocity, pressure, and temperature of the fluid model 21 . In this embodiment, these physical quantities are calculated at the other end (discharge port) 13t of the main chamber model 16. FIG. These physical quantities are appropriately calculated using fluid analysis software. Physical quantities are stored in the computer 1 .

[物理量を評価]
次に、本実施形態のシミュレーション方法では、流体モデル21の物理量が良好か否か評価される(ステップS7)。物理量の良否は、コンピュータ1(図1に示す)によって判断されてもよいし、オペレータによって判断されてもよい。
[Evaluate physical quantity]
Next, in the simulation method of the present embodiment, it is evaluated whether or not the physical quantities of the fluid model 21 are satisfactory (step S7). Whether the physical quantity is good or bad may be judged by the computer 1 (shown in FIG. 1) or by an operator.

本実施形態のステップS7では、流体モデル21の物理量が、予め定められた閾値以下か否かが判断される。閾値は、例えば、解析対象の流体3(図2に示す)に求められる流動状態に応じて適宜設定される。 In step S7 of the present embodiment, it is determined whether or not the physical quantity of the fluid model 21 is equal to or less than a predetermined threshold. The threshold value is appropriately set according to, for example, the flow state required for the fluid 3 (shown in FIG. 2) to be analyzed.

ステップS7において、流体モデル21の物理量が良好であると判断された場合(ステップS7で「Yes」)、流体3(図2に示す)を用いた製品が製造される(ステップS8)。ステップS8では、例えば、チャンバー2の設計因子に基づいて、チャンバー2が製造される。そして、ステップS8では、製造されたチャンバー2に、流体材料4を含む流体3を流動させることで、所望の形状を有する製品が製造される。 If it is determined in step S7 that the physical quantities of the fluid model 21 are good ("Yes" in step S7), a product using the fluid 3 (shown in FIG. 2) is manufactured (step S8). In step S8, the chamber 2 is manufactured based on the design factors of the chamber 2, for example. Then, in step S8, a product having a desired shape is manufactured by causing the fluid 3 containing the fluid material 4 to flow in the chamber 2 that has been manufactured.

一方、ステップS7において、流体モデル21の物理量が良好でないと判断された場合(ステップS7で「No」)、例えば、チャンバー2(図2に示す)の設計因子や、流体材料4の物性が変更されて(ステップS9)、ステップS1~S7が再度実施される。このように、本実施形態のシミュレーション方法では、流体モデル21の物理量が良好となるまで、チャンバー2の設計因子や、流体材料4の物性が変更されるため、所望の形状や性能を有する製品を確実に製造することが可能となる。 On the other hand, if it is determined in step S7 that the physical quantities of the fluid model 21 are not good ("No" in step S7), for example, the design factors of the chamber 2 (shown in FIG. 2) and the physical properties of the fluid material 4 are changed. (step S9), and steps S1 to S7 are performed again. As described above, in the simulation method of the present embodiment, the design factors of the chamber 2 and the physical properties of the fluid material 4 are changed until the physical quantities of the fluid model 21 are improved. It becomes possible to manufacture reliably.

[流体シミュレーション方法(第2実施形態)]
こでまでの実施形態の流動計算ステップS5では、図4に示されるように、流体材料モデル22が合流する状態及び押し出される状態が計算されたが、このような態様に限定されない。流動計算ステップS5では、例えば、上記特許文献1のように、バンバリーミキサー(図示省略)で、複数種類の流体材料モデル22が混練される状態が計算されてもよい。また、流動計算ステップS5では、例えば、流体モデル21(複数種類の流体材料モデル22A~22D)が、予め定められた形状に成形される状態が計算されてもよい。この実施形態では、これまでの実施形態と同様に、壁面19近傍に存在する流体材料4を考慮して、壁面19に対するスリップ速度が計算されるため、流体材料モデル22の混練状態や成形状態を、高い精度で(現実に近い状態で)計算することが可能となる。
[Fluid simulation method (second embodiment)]
In the flow calculation step S5 of the embodiment so far, as shown in FIG. 4, the state in which the fluid material model 22 merges and the state in which it is pushed out is calculated, but the present invention is not limited to such a mode. In the flow calculation step S5, for example, as in Patent Document 1, a Banbury mixer (not shown) may calculate a state in which a plurality of types of fluid material models 22 are kneaded. Further, in the flow calculation step S5, for example, a state in which the fluid model 21 (plural types of fluid material models 22A to 22D) is molded into a predetermined shape may be calculated. In this embodiment, as in the previous embodiments, the slip velocity with respect to the wall surface 19 is calculated in consideration of the fluid material 4 existing in the vicinity of the wall surface 19, so the kneading state and molding state of the fluid material model 22 , can be calculated with high accuracy (in a state close to reality).

以上、本開示の特に好ましい実施形態について詳述したが、本開示は図示の実施形態に限定されることなく、種々の態様に変形して実施しうる。 Although the particularly preferred embodiments of the present disclosure have been described in detail above, the present disclosure is not limited to the illustrated embodiments and can be modified in various ways.

図3の処理手順に基づいて、複数種類の流体材料を含む流体がチャンバー内で流動している状態が、コンピュータを用いて計算された(実施例及び比較例)。 Based on the processing procedure of FIG. 3, a computer was used to calculate the state in which the fluid containing multiple types of fluid materials was flowing in the chamber (Example and Comparative Example).

実施例では、図6の処理手順に基づいて、複数種類の流体材料モデルの体積分率に基づいて、壁面に接する流体モデルの壁面に対するスリップ速度が計算された。一方、比較例では、複数種類の流体材料モデルの体積分率を考慮せずに、従来と同様の手順に基づいて、スリップ速度が計算された。共通仕様等は次のとおりである。
第1流体材料モデル~第4流体材料モデル:
比重:1.11×103(kg/m3
比熱:1.43×103(J/kg・K)
熱伝導率:0.323W/m・K
初期温度、壁面温度:100℃
流入量:0.05kg/s
スリップの特性を示す定数:
第1流体材料モデル:
slip1:2.38×106
1:0.235
第2流体材料モデル:
slip2:1.34×106
2:0.285
第3流体材料モデル:
slip3:3.56×106
3:0.201
第4流体材料モデル:
slip4:3.01×106
4:0.269
In the example, based on the processing procedure of FIG. 6, the slip velocity with respect to the wall surface of the fluid model in contact with the wall surface was calculated based on the volume fractions of a plurality of types of fluid material models. On the other hand, in the comparative example, the slip velocity was calculated based on the same procedure as before without considering the volume fractions of the multiple types of fluid material models. Common specifications are as follows.
First fluid material model to fourth fluid material model:
Specific gravity: 1.11 x 103 (kg/ m3 )
Specific heat: 1.43 x 103 (J/kg K)
Thermal conductivity: 0.323W/m・K
Initial temperature, wall temperature: 100°C
Inflow: 0.05 kg/s
Constants that characterize the slip:
First fluid material model:
F slip1 : 2.38×10 6
e1 : 0.235
Second fluid material model:
F slip2 : 1.34×10 6
e2 : 0.285
Third fluid material model:
F slip3 : 3.56×10 6
e3 : 0.201
Fourth fluid material model:
F slip4 : 3.01×10 6
e4 : 0.269

図7は、実施例の流体材料モデルの流速を示すコンター図である。図8は、比較例の流体材料モデルの流速を示すコンター図である。図7及び図8は、主チャンバーモデルの排出口側から見たときの流速を示しており、色が薄いほど、流速が大きいことを示している。 FIG. 7 is a contour diagram showing the flow velocity of the fluid material model of the example. FIG. 8 is a contour diagram showing the flow velocity of the fluid material model of the comparative example. Figures 7 and 8 show the flow velocity when viewed from the outlet side of the main chamber model, and the lighter the color, the higher the flow velocity.

図7及び図8において、左側の壁面は、図4に示した第1分岐チャンバーモデル15Aからの供給により、第1流体材料モデル22Aの割合が大である。上側の壁面は、第2流体材料モデル22Bの割合が大であり、右側の壁面は、第3流体材料モデル22Cの割合が大であり、下側の壁面は、第4流体材料モデル22Dの割合が大である。 7 and 8, the wall surface on the left side has a large ratio of the first fluid material model 22A due to supply from the first branch chamber model 15A shown in FIG. The upper wall surface has a large ratio of the second fluid material model 22B, the right wall surface has a large ratio of the third fluid material model 22C, and the lower wall surface has a ratio of the fourth fluid material model 22D. is large.

図8に示されるように、比較例では、上側の壁面、左側の壁面、下側の壁面、及び、右側の壁面において、壁面に対するスリップ速度が同一に計算された。したがって、比較例では、壁面近傍の流体材料の割合に応じて変化するスリップ速度を考慮することができなかった。 As shown in FIG. 8, in the comparative example, the same slip velocity relative to the wall surface was calculated for the upper wall surface, the left wall surface, the lower wall surface, and the right wall surface. Therefore, in the comparative example, it was not possible to take into account the slip speed that varies according to the proportion of the fluid material near the wall surface.

図7に示されるように、実施例では、上側の壁面、左側の壁面、下側の壁面、及び、右側の壁面の順に、壁面に対するスリップ速度が大きく計算された。すなわち、第2流体材料モデル22Bのスリップ速度が最も大きく計算され、第3流体材料モデル22Cのスリップ速度が最も小さく計算された。これは、流体材料モデルごとに定義されたスリップの特性を示す定数Fslip及びeに基づくものである。したがって、実施例では、壁面近傍の流体材料の割合に応じて変化するスリップ速度を考慮して、流体の流動状態を計算することができた。 As shown in FIG. 7, in the example, the slip velocity for the wall surface was calculated to increase in the order of the upper wall surface, the left wall surface, the lower wall surface, and the right wall surface. That is, the slip speed of the second fluid material model 22B was calculated to be the largest, and the slip speed of the third fluid material model 22C was calculated to be the smallest. This is based on the constants F slip and e that characterize the slip defined for each fluid material model. Therefore, in the example, it was possible to calculate the flow state of the fluid considering the slip speed that varies according to the ratio of the fluid material near the wall surface.

[付記]
本開示は以下の態様を含む。
[Appendix]
The present disclosure includes the following aspects.

[本開示1]
複数種類の流体材料を含む流体が、チャンバー内で流動している状態を、コンピュータを用いて計算するためのシミュレーション方法であって、
前記チャンバーをモデリングして、壁面を有するチャンバーモデルを前記コンピュータに入力するステップと、
前記チャンバーモデルの前記壁面で囲まれる内部空間を有限個の要素でモデリングした空間モデルを定義するステップと、
前記空間モデルに、前記複数種類の流体材料をモデリングした複数種類の流体材料モデルを含む流体モデルを定義するステップと、
前記コンピュータが、前記流体モデルの流動計算を行うステップとを含み、
前記流動計算を行うステップは、
前記壁面に接する前記流体モデルについて、前記複数種類の流体材料モデルの体積分率を計算するステップと、
前記体積分率に基づいて、前記壁面に接する流体モデルの前記壁面に対するスリップ速度を計算するステップとを含む、
流体シミュレーション方法。
[本開示2]
前記スリップ速度は、下記式(1)で計算される、本開示1に記載の流体シミュレーション方法。

Figure 2023054638000003

ここで、
x:壁面と接触する各要素に割り当てられた番号(自然数)
slip(x):スリップ速度
α:スリップ率
t(x):壁面から法線方向に距離Dwallを隔てた位置での流体モデルの速度成分
wallm(x):壁面での流体モデルの速度成分
i:各流体材料モデルに割り当てられた番号(自然数)
:各流体材料モデルの体積分率
η:各流体材料モデルの粘度
slipi、ei:各流体材料モデルのスリップの特性を示す定数
[本開示3]
前記流体材料は、未加硫のゴム材料又は未硬化の樹脂材料である、本開示1又は2に記載の流体シミュレーション方法。
[本開示4]
前記流動計算を行うステップは、前記複数種類の流体材料モデルが合流する状態、混合される状態、押し出される状態、及び、成形される状態の少なくとも1つを計算する、本開示1ないし3のいずれかに記載の流体シミュレーション方法。 [Present Disclosure 1]
A simulation method for calculating, using a computer, a state in which a fluid containing multiple types of fluid materials is flowing in a chamber,
modeling the chamber and inputting a chamber model with walls into the computer;
defining a space model in which an internal space surrounded by the walls of the chamber model is modeled with a finite number of elements;
defining a fluid model including a plurality of types of fluid material models modeling the plurality of types of fluid materials in the space model;
said computer performing flow calculations for said fluid model;
The step of performing the flow calculation includes:
calculating volume fractions of the plurality of types of fluid material models for the fluid model in contact with the wall surface;
calculating a slip velocity with respect to the wall of the fluid model in contact with the wall based on the volume fraction;
Fluid simulation method.
[Disclosure 2]
The fluid simulation method according to the present disclosure 1, wherein the slip speed is calculated by the following formula (1).
Figure 2023054638000003

here,
x: Number assigned to each element in contact with the wall (natural number)
V slip (x): Slip velocity α: Slip rate V t (x): Velocity component of the fluid model at a position separated by a distance D wall in the normal direction from the wall surface V wallm (x): The velocity component of the fluid model at the wall surface Velocity component i: Number assigned to each fluid material model (natural number)
C i : Volume fraction of each fluid material model η i : Viscosity of each fluid material model F slipi , ei : Constants indicating slip characteristics of each fluid material model [3 of the present disclosure]
The fluid simulation method according to the present disclosure 1 or 2, wherein the fluid material is an unvulcanized rubber material or an uncured resin material.
[Disclosure 4]
Any one of 1 to 3 of the present disclosure, wherein the step of performing the flow calculation calculates at least one of a state in which the plurality of types of fluid material models merge, are mixed, be pushed out, and be molded. 2. A fluid simulation method according to claim 1.

S52 体積分率を計算するステップ
S53 スリップ速度を計算するステップ
S52 Step of calculating volume fraction S53 Step of calculating slip velocity

Claims (4)

複数種類の流体材料を含む流体が、チャンバー内で流動している状態を、コンピュータを用いて計算するためのシミュレーション方法であって、
前記チャンバーをモデリングして、壁面を有するチャンバーモデルを前記コンピュータに入力するステップと、
前記チャンバーモデルの前記壁面で囲まれる内部空間を有限個の要素でモデリングした空間モデルを定義するステップと、
前記空間モデルに、前記複数種類の流体材料をモデリングした複数種類の流体材料モデルを含む流体モデルを定義するステップと、
前記コンピュータが、前記流体モデルの流動計算を行うステップとを含み、
前記流動計算を行うステップは、
前記壁面に接する前記流体モデルについて、前記複数種類の流体材料モデルの体積分率を計算するステップと、
前記体積分率に基づいて、前記壁面に接する流体モデルの前記壁面に対するスリップ速度を計算するステップとを含む、
流体シミュレーション方法。
A simulation method for calculating, using a computer, a state in which a fluid containing multiple types of fluid materials is flowing in a chamber,
modeling the chamber and inputting a chamber model with walls into the computer;
defining a space model in which an internal space surrounded by the walls of the chamber model is modeled with a finite number of elements;
defining a fluid model including a plurality of types of fluid material models modeling the plurality of types of fluid materials in the space model;
said computer performing flow calculations for said fluid model;
The step of performing the flow calculation includes:
calculating volume fractions of the plurality of types of fluid material models for the fluid model in contact with the wall surface;
calculating a slip velocity with respect to the wall of the fluid model in contact with the wall based on the volume fraction;
Fluid simulation method.
前記スリップ速度は、下記式(1)で計算される、請求項1に記載の流体シミュレーション方法。
Figure 2023054638000004

ここで、
x:壁面と接触する各要素に割り当てられた番号(自然数)
slip(x):スリップ速度
α:スリップ率
t(x):壁面から法線方向に距離Dwallを隔てた位置での流体モデルの速度成分
wallm(x):壁面での流体モデルの速度成分
i:各流体材料モデルに割り当てられた番号(自然数)
:各流体材料モデルの体積分率
η:各流体材料モデルの粘度
slipi、ei:各流体材料モデルのスリップの特性を示す定数
2. The fluid simulation method according to claim 1, wherein said slip speed is calculated by the following formula (1).
Figure 2023054638000004

here,
x: Number assigned to each element in contact with the wall (natural number)
V slip (x): Slip velocity α: Slip rate V t (x): Velocity component of the fluid model at a position separated by a distance D wall in the normal direction from the wall surface V wallm (x): The velocity component of the fluid model at the wall surface Velocity component i: Number assigned to each fluid material model (natural number)
C i : Volume fraction of each fluid material model η i : Viscosity of each fluid material model F slipi , e i : Constants indicating slip characteristics of each fluid material model
前記流体材料は、未加硫のゴム材料又は未硬化の樹脂材料である、請求項1又は2に記載の流体シミュレーション方法。 3. The fluid simulation method according to claim 1, wherein said fluid material is an unvulcanized rubber material or an uncured resin material. 前記流動計算を行うステップは、前記複数種類の流体材料モデルが合流する状態、混合される状態、押し出される状態、及び、成形される状態の少なくとも1つを計算する、請求項1ないし3のいずれか1項に記載の流体シミュレーション方法。 4. The step of performing the flow calculation calculates at least one of a state in which the plurality of types of fluid material models converge, a state in which they are mixed, a state in which they are pushed out, and a state in which they are molded. 2. The fluid simulation method according to item 1 or 2.
JP2021163610A 2021-10-04 2021-10-04 Fluid simulation method Pending JP2023054638A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021163610A JP2023054638A (en) 2021-10-04 2021-10-04 Fluid simulation method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021163610A JP2023054638A (en) 2021-10-04 2021-10-04 Fluid simulation method

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2023054638A true JP2023054638A (en) 2023-04-14

Family

ID=85874070

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2021163610A Pending JP2023054638A (en) 2021-10-04 2021-10-04 Fluid simulation method

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2023054638A (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR20020041446A (en) Method and apparatus for modeling injection of a fluid of a mold cavity
US9164958B2 (en) Simulating method for kneaded state of fluid
JP2020109629A (en) Method and system for hierarchical multi-scale part design with aid of digital computer
JP5564074B2 (en) Fluid simulation method
US9378307B2 (en) Method and apparatus for simulating plastic material flowing through extruding channel
JP6405160B2 (en) Analysis method of kneading state of viscous fluid
JP2023054638A (en) Fluid simulation method
Navarro et al. An Open Source Design Optimization Toolbox Evaluated on a Soft Finger
JP6733183B2 (en) Analysis method of kneading state of viscous fluid
Sullwald et al. Solid rocket motor grain burn back analysis using level set methods and Monte-Carlo volume integration
JP6593009B2 (en) Analysis method of kneading state of viscous fluid
Yan et al. Numerical simulation of the filling stage for plastic injection moulding based on the Petrov-Galerkin methods
JP6885137B2 (en) Analysis method of kneading state of viscous fluid
JP7298250B2 (en) Method for analyzing plastic material and method for manufacturing plastic material
JP6790721B2 (en) Analysis method of kneading state of viscous fluid
JP6092832B2 (en) Fluid behavior prediction apparatus, fluid behavior prediction method and fluid behavior prediction program
JP6950477B2 (en) Simulation method of viscoelastic material
US20190197209A1 (en) Anti-warping design method for resin molded article, recording medium, and anti-warping design device for resin molded article
JP6848754B2 (en) Kneading simulation method for thermoplastic materials
JP2022181577A (en) Prediction method of cross-sectional shape of viscoelastic fluid
JP7533004B2 (en) Method for simulating mixing of plastic materials
JP7119471B2 (en) Fluid simulation method
JP2022141407A (en) Analysis method for plastic materials
Sarghini Analysis and Simulation of Pasta Dough Extrusion Process by CFD
JP4844421B2 (en) Flow analysis method and apparatus for injection molding

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20240730