JP3780361B2 - 熱流体ｃａｅシステム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は計算機を用いた熱流体ＣＡＥシステム、特に、回路網法によって機器や装置の熱解析や流体解析を行なう熱流体ＣＡＥシステムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電子機器を始めとする機器を設計する際に、放熱処理等のために機器内の熱拡散状態を知る必要がある。そのために、熱解析、流体解析が必要とされる。近年、機器の大容量化、高密度化、高速化の進展は目覚ましく、装置単位体積当りの消費電力は高まる一方である。従って、これまでのように勘と経験で熱解析、流体解析を行なうことが困難になりつつある。そこで、コンピュータを利用した設計解析計算、いわゆるＣＡＥの普及に伴って、機器の温度分布や流量分布を計算によって予測することが行なわれるようになってきている。
ここで、熱解析とは機器各部の温度分布や熱流分布を予測することを意味し、流体解析とは熱解析を行なうために流体の流量分布、流速分布、圧力分布を予測することを意味している。
【０００３】
機器の熱流体解析には、熱回路網法と呼ばれる手法および流体回路網法と呼ばれる手法が広く使用されている。熱回路網法では、機器内部が幾つかの領域に分割され、各領域の中央にノードと呼ばれる代表点が設けられる。そして、各領域間のエネルギバランスを表す連立方程式を解くことにより、ノード点の温度およびノード間の熱流が求められる。また、流体回路網法では、流体内部が幾つかの領域に分割され、各領域の中央にノードと呼ばれる代表点を設けられる。そして、各ノードの運動量を保存するようにノード間を流れる流量の質量バランスを表す連立方程式を解くことにより、ノード点の圧力およびノード間の流量が求められる。熱回路網法と流体回路網法とを併せて熱流体回路網法と呼ぶ。
【０００４】
伝熱工学の分野において、熱伝達率や管路抵抗係数に関して、数多くの解析式や実験式が求められているので、熱伝達率や管路抵抗係数は容易に決定される。熱流体回路網法では、それらの熱伝達率や管路抵抗係数を用いて熱抵抗や管路抵抗を求め、それらの抵抗による回路網について熱流や流体の流量を求める。従って、流体の挙動を厳密に計算することなく温度や熱流を計算できる。このように、熱流体回路網法によれば、比較的小規模な計算処理で精度のよい結果が得られる。
【０００５】
従来の熱流体回路網法を使用したＣＡＥシステムとして、特開平４−７６７５号公報や特開平４−３０２７０号公報に示されたものがある。図２６は特開平４−７６７５号公報に示されたＣＡＥシステムの構成を示すブロック図である。図において１はデータ入力や処理コマンド入力のための入力装置、２は入力データの表示や処理結果表示等のための表示装置、３は入力データを形状データ記憶部４に設定したり形状データ記憶部４の内容の更新を行ったりする形状データ処理部、５は外部にある３次元ＣＡＤシステム、６は機器を小エリアに分割する処理を行うエリア分割処理部、７は各小エリアのノード座標を記憶するノード座標データ記憶部である。
【０００６】
８は管路抵抗を計算して流体回路網を作成する流体回路生成部、９は管路圧損データ記憶部、１０は熱抵抗値を計算して熱回路網を作成する熱回路生成部、１１は熱伝達率データ記憶部、１２は材料物性データ記憶部、１３は流体回路網データおよび熱回路網データを記憶する回路網データ記憶部、１４は圧力および流量の演算を行う流体回路演算処理部１５および熱伝導による熱抵抗と流体の流れによる熱抵抗とを演算する熱回路演算処理部１６を有する演算処理部、１７は算出された圧力データを記憶する圧力流量データ記憶部、１８は算出された温度データを記憶する温度データ記憶部、１９は計算結果を表示する処理を行う計算結果表示処理部、２０はファン特性データ記憶部である。
【０００７】
次に動作について説明する。ここでは、図２７に示す例を対象に各部の温度と流量分布を求める場合について説明する。図２７に示す例は、直方体の金属板２１の両端２２、２３間に電源２４により一定の電圧Ｖがかけられるものである。金属板２１には、Ｉ＝Ｖ／Ｒe で表される電流Ｉが通電し、Ｑ＝Ｒe Ｉ2 のジュール熱が発熱する。また、ダクト２５の内部をファン２６により駆動されて流動する空気２７が加熱される。なお、Ｒe は金属板２１の電気抵抗２８の抵抗値を示す。
【０００８】
以下、計算処理の流れを図２８に示した計算フローを参照して説明する。形状データ処理部３は、図２７に示す装置の形状を直線や円、円弧などの図形データとして取り込み、形状データ記憶部４に記憶したり、内容の更新を行ったりする。図形データは入力装置１から入力される。また、入力装置１には、関連する処理コマンドが入力される。そして、表示装置２は、入力データ等を表示している（ステップＳＴ１，ＳＴ２）。
【０００９】
形状データ記憶部４に記憶されている形状データは、図２７に示すような２次元あるいは３次元空間上の座標を示すデータから構成されている。なお、他の一般的な３次元ＣＡＤシステム５から形状データを取り込むこともできる。
エリア分割処理部６は、形状データ記憶部４内の形状データを取り込み、図２９に示すように機器全体を小エリア４１に分割する（ステップＳＴ３）。そして、小エリア重心点座標を算出し、重心点をノード４２とする。エリア分割処理部６は、ノード座標データをノード座標記憶部７に格納する（ステップＳＴ４）。
【００１０】
次に、流体回路生成部８は、ノード座標データ記憶部７内のノード座標データと管路圧損データ記憶部９内の管路圧損データとを用いて流体部分の管路抵抗５１の抵抗値を計算する（図３０参照）。管路圧損データ記憶部９には、断面変化率と圧損係数との関係を示すテーブルや管路開口率と圧損係数との関係を示すテーブルなど、あらかじめ実験等により導出された数値のテーブルが記憶されている。流体回路生成部８は、管路抵抗５１の値のうち、摩擦損失抵抗を、接続されている２つの圧力ノード５２間の距離および接している面の面積などから決定する。圧力ノード５２は、図２９に示された各ノード４２のうちダクト２５内に設定されたノードに相当する。また、局所圧損抵抗を、管路圧損データ記憶部９の管路圧損データを参照して、隣合う２つの小エリアの断面積の変化などにもとづいて決定する（ステップＳＴ５）。
【００１１】
形状データ処理部３によって図２７に示すファン２６が入力されている場合には、流体回路生成部８は、ファン特性データ記憶部２０を参照して、ファン２６を含む小エリア４１に、種別に応じたファン特性データを付与する。すなわち、ファンによる圧力上昇すなわち流体駆動力が電池５３の形で設定される。このようにして、管路抵抗５１と電池５３により流体回路網５４が形成される。流体回路生成部８は、作成された流体回路網データを回路網データ記憶部１３に格納する。
【００１２】
次に、熱回路網生成部１０は、図３１に示すように、小エリア同士が面または線で接している固体中の温度ノード６１間を熱伝導による熱抵抗６２で接続するとともに、熱抵抗値を算出する。熱回路網生成部１０は、熱抵抗値を、材料物性データ記憶部１２の材料物性データを参照して、接続されている２つの温度ノード６２間の距離、接している面積および固体の熱伝導率にもとづいて算出する（ステップＳＴ６）。温度ノード６１，６３は、図２９に示された各ノード４２に相当する。熱回路網生成部１０は、熱伝導による熱抵抗６２の値の計算結果を固体中における熱回路網データとして回路網データ記憶部１３に格納する。
【００１３】
演算処理部１４において、まず、流体回路演算処理部１５は、管路抵抗データを回路網データ記憶部１３から読み込み、非線形連立方程式解法演算を行う。流体回路演算処理部１５は、演算結果である圧力ノード５２の圧力と圧力ノード５２間の流量とを圧力流量データ記憶部１７に格納する（ステップＳＴ７）。
【００１４】
次に、熱回路演算処理部１６は、圧力ノード５２間の流量、圧力ノード５２間の流速、熱伝達率データ記憶部１１の熱伝達係数データ、および材料物性データ記憶部１２の材料物性データをもとに、固体中の温度ノード６１と流体中の温度ノード６３間の熱伝達による熱抵抗６４を、および、流体中の温度ノード６３間の流体の流れによる熱抵抗６５の値を計算する。このようにして、熱抵抗６２，６４，６５による熱回路網６６が形成される。熱回路演算処理部１６は、熱回路網６６中にある温度ノード６１に成立するエネルギ保存式を表す熱抵抗係数行列を完成させる。そして、連立方程式演算によって、全てのノードの温度を算出する（ステップＳＴ８）。自然対流などのように、圧力ノード５２の圧力がノードの温度に依存して決定されるような場合には、流体回路演算処理部１５と熱回路演算処理部１６とが交互に反復処理を行い、結果が収束するまで処理を繰り返される。
【００１５】
熱回路演算処理部１６は、このようにして得られた温度データを、温度データ記憶部１８に格納する。圧力流量データ記憶部１７内の圧力データおよび流量データならびに温度データ記憶部１８内の温度データは、形状データ、ノード座標データおよび回路網データとともに、計算結果表示処理部１９に取り込まれる。計算結果表示処理部１９は、温度分布、流量分布などを視覚的に表示するために以下の処理を行う（ステップＳＴ９）。
【００１６】
図３２は計算結果表示処理部１９の処理により表示装置１に表示された温度分布を示す図である。計算結果表示処理部１９は、形状データ記憶部４から形状データを取り込み、装置の形状を表示装置２に表示する。システム利用者は対話的処理により、表示したいデータ（温度、圧力、流量）、その表示方式（等温線図による表示やベクトル図による表示等）および表示したい断面を指示する。温度および等温線図が指定された場合には、計算結果表示処理部１９は、ノード座標データ記憶部７のノード座標データと温度データ記憶部１８の温度データとを用いて、ノード間温度を補間処理することにより、装置形状上に等温線７１を描く処理を行う。そして、表示装置２上に図３２に示すように表示する（ステップＳＴ１０）。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の熱流体解析ＣＡＥシステムは以上のように構成されているので、次のような問題点があった。
（１）熱回路網あるいは流体回路網のいずれか一方の生成または両者の生成をシステム利用者が選択できない。
（２）熱回路生成部１０、流体回路生成部８および演算処理部１４しか備えられていないので、金属板２１の電気伝導度の温度変化に起因する電気抵抗２８（Ｒe ）の変化によって金属板２１のジュール発熱量が変化すること、さらに、金属板２１の温度や空気２７の温度が変化することを考慮するための電気回路網と熱回路網および流体回路網とを連成させた場合には対応できない。また、金属板２１の表面に薄い液膜が設けられた場合、液の蒸発により空気２７が加湿されたときの空気２７の温度変化や湿度変化を求めるための水分の移動を表す物質移動回路網と熱回路網および流体回路網とを連成させた場合には対応できない。
（３）形状データ以外の計算に必要なデータを入力装置から各記憶部に入力できる構成となっていないので、データの変更や追加をシステム利用者が自由に行うことができない。この結果、問題に最も適したデータを使用できない場合がある。
（４）境界条件など全ての計算パラメータをシステム利用者が関数や表の形で設定できないので、問題に最も適したパラメータ変化を採用できない場合がある。そのような場合には精度のよい計算ができない。
（５）システム利用者は、最大のノード数、初期条件、境界条件、回路条件に関するデータを選択できない。すなわち、所望のレベルのシミュレーションができない。すなわち、利用者が期待する精度以上の演算が実行されてしまう場合がある。その結果、不必要に大きな記憶領域が確保されたり、不必要なデータを入力しなければならない場合が生じたりして、システムの効率的な使用ができない。
（６）回路網として四角メッシュしかできない。そのために、固体中の熱伝導を計算する場合に、曲面などの任意の形状に対応しにくく計算精度が低下する。
（７）回路網を解く演算手法をシステム利用者が自由に選択できないため、問題に最も適した解法による高速で精度のよい計算ができない場合がある。
（８）回路網が入力できないないため、システム利用者が問題に最も適した回路網を設定できず、問題に最も適した回路網による精度のよい計算ができない場合がある。
（９）回路網図上に計算結果の表示が行えないので、計算結果の詳細な解析が困難な場合がある。
（１０）ＣＡＥシステムから直接外部機器の温度や流量などを制御することはできない。
（１１）回路網法による解法を使用しているため、特に、流体中の渦など、細かな流れを解析することが困難である。そのために、流れが複雑な場合には精度がよくない。
【００１８】
この発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、複雑な問題に適した解析モデルを自由に設定でき、精度がよい実用的なＣＡＥシステムを得ることを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る熱流体ＣＡＥシステムは、機器の形状データから回路網図を作成し、その回路網図を用いて回路網に関する情報を作成するとともに、その回路網の抵抗値を計算する際に使用する抵抗計算式と機器の寸法の入力を受け付けて、その回路網に関する情報、その抵抗計算式及び機器の寸法を回路網生成装置に供給する回路網図形処理装置を備えたものである。
【００２０】
この発明に係る熱流体ＣＡＥシステムは、回路網図形処理装置が作成した回路網図上に演算結果を表示する回路網図形上表示処理部を備えたものである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による熱流体ＣＡＥシステムの構成を示すブロック図である。図において、１はデータ入力や処理コマンド入力のための入力装置、２は入力データの表示や処理結果表示等のための表示装置、１０１は入力データをデータベース処理装置１０５や関数式・表計算処理装置１０６に設定したり回路網生成装置１０２に供給したりする入力データ処理装置、１０２は各種回路網を生成する回路網生成装置、１０３は温度、圧力、電圧および濃度を演算する演算処理装置、１０４は演算結果を回路網とともに表示する制御を行う計算結果表示処理装置、１０５は各種のパラメータを記憶するとともに各パラメータを用いて熱伝導率等を算出して出力するデータベース処理装置、１０６は関数式や表計算法を記憶する関数式・表計算処理装置である。関数式・表計算処理装置１０６内の関数式や表計算法は、回路網生成装置１０２内の各生成部、演算処理装置１０３内の各演算処理部およびデータベース処理装置１０５内の各処理部によって利用される。
【００２２】
図２は回路網生成装置１０２および演算処理装置１０３の構成を詳細に示すブロック図である。図に示すように、回路網生成装置１０２は、熱回路網を作成する熱回路網生成部１１１、流体回路網を作成する流体回路網生成部１１２、電気回路網を作成する電気回路網生成部１１３、および物質移動回路網を作成する物質移動回路網生成部１１４からなっている。
【００２３】
演算処理装置１０３は、回路網生成装置１０２に接続された演算処理部１２２および具体的な回路網演算を行う回路網演算部１１９を有する。演算処理部１２２は、定常状態における演算を制御する定常計算処理部１２０および過渡状態における演算を制御する過渡計算処理部１２１を有する。回路網演算部１１９は、各ノードの温度および各ノード間の熱流を算出する熱回路網演算処理部１１５、各ノードの圧力および各ノード間の流体流量を算出する流体回路網演算処理部１１６、各ノードの電圧および各ノード間の電流を算出する電気回路網演算処理部１１７、ならびに各ノードにおける濃度および各ノード間の物質移動量を算出する物質移動回路網演算処理部１１８を有する。
【００２４】
図３はデータベース処理装置１０５の構成を詳細に示すブロック図である。データベース処理装置１０５において、関数式・表計算処理装置１０６に格納されている関数や表計算法を利用して、熱伝達率処理部１３１が熱伝達率を、管路抵抗係数処理部１３２が管路抵抗係数を、物質伝達処理部１３３が物質伝達率を、ファン・ポンプ特性処理部１３４がファンやポンプの流量の関数としての圧力上昇を、材料物性処理部１３５が材料の熱伝導率、流体の比熱、粘性係数などの材料物性を、その他のパラメータ処理部１３６が液膜表面積など計算において変化させるパラメータを計算する。そして、必要なら計算結果を記憶する。
【００２５】
データベース処理装置１０５は、熱伝達率、管路抵抗係数、物質伝達率、ファン・ポンプ特性、材料物性値のデータが設定されたデータベースを有する。データベース処理装置１０５における処理部が計算によってそれらを求める構成とすることもできる。その場合には、データベースがなくてもよい。あるいは、データベースと各処理部とを併用することもできる。
図に示すように、この場合には、データベース処理装置１０５は、熱伝達率の算出または熱伝達率データベースのアクセスを行う熱伝達率処理部１３１、管路抵抗係数の算出または管路抵抗係数データベースのアクセスを行う管路抵抗係数処理部１３２、物質伝達率の算出または物質伝達率データベースのアクセスを行う物質伝達率処理部１３３、ファン・ポンプ特性データベースのアクセスを行う特性処理部１３４、材料物性データベースのアクセスを行う材料物性処理部１３５、その他のパラメータ処理部１３６を有する。
【００２６】
入力データ処理装置１０１は、図４に示すように、計算の種類や回路網の選択および入力データ処理部１４２に対する必要データの供給を行う計算制御条件処理部１４１と、回路網生成装置１０２、データベース処理装置１０５および関数式・表計算処理装置１０６にデータを供給する入力データ処理部１４２と、自動図面作成装置（ＣＡＤ）や外部のＣＡＥシステムに搭載された図形処理装置などの外部図形処理装置１４３に接続された形状データ処理部１４４と、形状データ処理部１４４が作成した形状データ記憶部１４５と、エリア分割処理およびノード設定処理を行う回路網データ処理部１４６とを有する。
【００２７】
図５は計算結果表示処理装置１０４の構成を詳細に示すブロック図である。図に示すように、計算結果表示処理装置１０４は、計算結果処理部１５３と、計算結果表示処理部１５８とを有する。計算結果処理部１５３は、温度、圧力、電圧、水分などの濃度、加熱量、熱容量、流体重量、電気容量、物質重量などのスカラ値を表示できるようにするためのスカラ処理部１５１と、熱流、風量、風速、電流、物質移動量（例えば、水分移動量）などのベクトル値、および、熱抵抗、管路抵抗、電気抵抗、物質移動抵抗（例えば、水分移動抵抗）などのノード間に設定される値を表示できるようにするためのベクトル処理部１５２とを有する。なお、以下、熱抵抗等のノード間に設定される値もベクトル値に含めて扱う。計算結果表示処理部１５８は、スカラ値やベクトル値の時間変化や繰り返し回数による変化を表示するための変化表示処理部１５４と、空間分布を表示するための空間分布表示処理部１５５と、等高線表示をするための等高線表示処理部１５６と、ベクトル矢印線を表示するためのベクトル線表示処理部１５７とを有する。
【００２８】
次に動作について説明する。
ここでは、図６に示す例を対象に各部の温度と流量分布を求める場合について説明する。図６に示す例は、直方体の金属板２１の両端２２、２３間に電源２４により一定の電圧Ｖがかけられるものである。金属板２１には、Ｉ＝Ｖ／Ｒe で表される電流Ｉが通電し、Ｑ＝Ｒe Ｉ2 のジュール熱が発熱する。また、ダクト２５の内部をファン２６により駆動されて流動する空気２７が加熱され、かつ、液膜１６１の蒸発により加湿される。このとき、金属板２１の電気伝導度が温度によって変化するので、金属板２１の電気抵抗２８（Ｒe ）が変化する。よって、金属板２１を流れる電流Ｉも変化する。その結果、Ｒe Ｉ2 で表される金属板２１のジュール発熱量が変化する。また、加湿量も変化する。その結果、空気２７の温度および湿度も変化する。
【００２９】
入力装置１はデータの入力や処理コマンドの入力を行い、表示装置２は入力データの表示や処理結果の表示を行うことは従来例と同様である。図４に示すような入力データ処理装置１０１において、形状データ処理部１４４は、図６に示す機器形状を直線や円、円弧などの図形データとして取り込む。そして、形状データ記憶部１４５に図形データを記憶したり、形状データ記憶部１４５の内容の更新を行ったりする。ここで、形状データ記憶部１４５に記憶されている形状データは、２次元あるいは３次元空間上の座標を示すデータで構成されている。図４に示すように、他の一般的な３次元ＣＡＤシステムなどの外部図形処理装置１４３から形状データを取り込むこともできる。
【００３０】
回路網データ処理部１４６は、形状データ記憶部１４５内の形状データを、図７に示すように、小エリア１７１に分割する。さらに、分割線１７２同士の交点や物体の表面と分割線１７２との交点にノード１７３を生成し、ノード座標データを記憶しておく。ここでは、図７に示すように、固体の表面および液面にもノードが設定される。このとき、システム利用者が入力装置１から三角形状のエリアを作成するようにコマンドを入力した場合には、回路網データ処理部１４６は、四角形に対角線を引く等の方法によって、図７に示すように三角形状のエリアを生成する。曲線や曲面が存在していた場合に、システム利用者の指令があれば、外径線に沿った形にエリア分割する。また、回路網データ処理部１４６が物体の表面にもノードを発生するので、表面の温度などの表面の状況が、従来例に比べてより正確に求められる。
【００３１】
システム利用者が最大ノード数を指定した場合には、回路網データ処理部１４６は、その数に従ってノードを設定する。例えば、三角形状のエリア生成を止めたりする。
【００３２】
その後、入力データ処理装置１０１の計算制御条件処理部１４１は、計算制御条件の設定を行う。計算制御条件は、入力装置１を介したシステム利用者からの指令にもとづいて設定される。計算制御条件には、定常計算をするのか過渡計算をするのかの計算の種類の選択、計算に用いる回路網として、熱回路網、流体回路網、電気回路網、物質移動回路網のうちいずれの回路網を使用するのかの選択、入力データ処理部１４２が回路網生成装置１０２に与える必要データがある。
【００３３】
また、システム利用者は、計算制御条件処理部１４１からの計算制御条件に応じて、計算における時間条件としての計算のスタート時間、終了時間、時間刻み幅、また初期条件（過渡計算の場合）あるいは仮定条件（定常計算の場合）としての温度、圧力、電圧、濃度、加熱量、風量、風速、電流、物質移動量（水分移動量）、境界条件としての温度、圧力、電圧、濃度、加熱量、風量、風速、電流、物質移動量、回路条件としての熱抵抗、管路抵抗、電気抵抗、物質（水分）移動抵抗、熱容量、流体重量、電気容量、物質量を計算するためのデータを入力する。それらのデータおよび回路網データ処理部１４６からのデータは、計算制御条件処理部１４１を介して入力データ処理部１４２に入力される。入力装置１からの各データおよび回路網データ処理部１４６からのデータは、さらに、回路網生成装置１０２に送られる。
【００３４】
システム利用者は、今行おうとする回路網計算に適したデータをデータベース処理装置１０５内のデータベースに追加することもできる。また、データベースを修正することもできる。その場合には、熱伝達率、管路抵抗係数、物質伝達率、ファン・ポンプ特性、材料物性値、液膜の表面積など計算において変化させるパラメータなどを入力装置１に入力する。それらのデータは、入力データ処理部１４２を介してデータベース処理装置１０５に入力される。データベース処理装置１０５において、各処理部は、担当するデータベースを更新する。
【００３５】
また、システム利用者は、今行おうとする回路網計算に適した関数式や表を追加することもできる。また、関数式や表を修正することもできる。その場合には、新たなまたは追加の関数式や表を入力装置１に入力する。それらのデータは、入力データ処理部１４２を介して関数式・表計算処理装置１０６に入力される。関数式・表計算処理装置１０６は、入力に応じて関数式や表を更新する。
システム利用者は、収束判定条件や計算結果の出力条件としての出力回数なども入力できる。それらのデータは、計算制御条件処理部１４１を介して入力データ処理部１４２に入力される。
【００３６】
回路網生成装置１０２において、図２に示す熱回路網生成部１１１が熱回路網を、流体回路網生成部１１２が流体回路網を、電気回路網生成部１１３が電気回路網を、そして、物質移動回路網生成部１１４が物質移動回路網を生成する。
【００３７】
まず、熱回路網の生成の仕方を説明する。熱回路網生成部１１１には、回路網データ処理部１４６が作成したデータが供給されている。熱回路網生成部１１１は、回路網データ処理部１４６によって設定された各ノードを図８に示すように固体温度ノード１８１、表面温度ノード１８３または流体温度ノード１８４と定義する。さらに、熱回路網生成部１１１は、図８に示すように、小エリア分割線で結ばれている固体温度ノード１８１間を熱伝導による熱抵抗１８２で接続するとともに、抵抗値を算出する。すなわち、接続ノード間の距離、ノード間の平均熱流断面積およびデータベース処理装置１０５内の材料物性処理部１３５から供給される固体の熱伝導率から熱伝導による熱抵抗値を算出する。材料物性処理部１３５は、熱回路網生成部１１１の要求に応じて、関数式・表計算処理装置１０６に記憶された関数式あるいは表を用いて固体の熱伝導率を算出しそれを供給する。
【００３８】
次いで、熱回路網生成部１１１は、表面温度ノード１８３と流体温度ノード１８４との間の熱伝達による熱抵抗１８５の抵抗値を計算する。その際、熱回路網生成部１１１は、データベース処理装置１０５の熱伝達率処理部１３１から供給される熱伝達率と物体や液膜表面に生成された表面温度ノード１８３の表面積とを用いて熱抵抗１８５の抵抗値を計算する。熱伝達率処理部１３１は、熱回路網生成部１１１の要求に応じて、図９に示す流体圧力ノード１９１間の流速、データベース処理装置１０５の材料物性処理部１３５からの流体の熱伝導率、および、密度、比熱、粘性係数などのデータベース処理装置１０５に記憶されている材料物性データをもとに、関数式・表計算処理装置１０６内の関数式や表を利用して熱伝達率を計算する。
【００３９】
熱回路網生成部１１１は、同様に、流体圧力ノード１９１間の流量およびデータベース処理装置１０５に記憶されている材料物性データをもとに、流体中の温度ノード１８４間の流体の流れによる熱抵抗１８６の値を算出する。このとき、流体圧力ノード１９１間の流量と流速とは、定常計算の場合は仮定値、過渡計算の場合は初期値で与えられる。または、後述する流体回路網演算処理部１１６の計算結果で与えられる。また、過渡計算の場合は、固体温度ノード１８１、流体温度ノード１８４、表面温度ノード１８３それぞれが代表する領域の熱容量１８７が計算される。
【００４０】
次に、流体回路網の生成の仕方を説明する。流体回路網生成部１１２は、図９に示すように、回路網データ処理部１４６によって設定された各ノードのうち、ダクト２５内のノードを流体圧力ノード１９１とする。流体回路網生成部１１２は、流体中の圧力ノード１９１間の管路抵抗１９２の値を次のように計算する。すなわち、管路抵抗のうち、摩擦損失による抵抗は、接続されている２つの圧力ノード１９１間の距離、接している面の断面積、データベース処理装置１０５の材料物性データをもとに計算される。また、断面積の変化などによる局所圧損抵抗は、隣合う２つの小エリアの断面積の変化などから、管路抵抗係数処理部１３２からの管路圧損データを参照して計算される。管路抵抗係数処理部１３２には、あらかじめ実験等により導出されあらかじめ設定されている数値やシステム利用者が入力データ処理装置１０１から入力した数値による、断面変化率と圧損係数との関係を示すテーブルや管路開口率と圧損係数との関係を示すテーブルなどがデータベースとして記憶されている。流体回路網生成部１１２は、データベース内のデータおよび関数式・表計算処理装置１０６内の関数式あるいは表計算法を用いて管路抵抗１９２を算出する。
【００４１】
また、流体回路網生成部１１２は、ファンの部分について、データベース処理装置１０５のファン・ポンプ特性処理部１３４に記憶された流量の関数としての圧力上昇特性データベースを用いて、流体の駆動力としての圧力上昇を計算する。そして、流体回路網に圧力上昇を表わす電池１９３を設定する。
【００４２】
次に、電気回路網の生成の仕方を説明する。電気回路網生成部１１３は、図１０に示すように、回路網データ処理部１４６によって設定された各ノードのうち、金属板２１および液膜１６１中の小エリア分割線で結ばれているノードを固体電圧ノード２０１とする。電気回路網生成部１１３は、固体電圧ノード２０１間を電気抵抗２０２で接続する。そして、２つの固体電圧ノード２０１間の電気抵抗値を算出する。電気抵抗値は接続ノード間の距離、ノード間の平均断面積および固体の電気伝導率から算出される。ここで、材料物性処理部１３５は、データベース処理装置１０５中の材料物性データと関数式・表計算処理装置１０６内の関数式あるいは表計算法を用いて電気伝導率を求め、それを電気回路網生成部１１３に供給する。なお、図１０には、液膜の電気抵抗２０３も計算された例が示されている。
【００４３】
次に、物質移動回路網の生成の仕方を説明する。物質移動回路網生成部１１４は、図１１に示すように、回路網データ処理部１４６によって設定された各ノードのうち流体中に設定されたものを、流体中の水分の濃度を表す濃度ノード２１１と定義する。また、液表面に設定された各ノードを液表面における濃度ノード２１２と定義する。そして、濃度ノード２１１と濃度２１２の間に物質伝達に伴う物質移動抵抗２１３を、また、流体中の２つの濃度ノード２１１間に流れにともなう物質移動による物質移動抵抗２１４を設定する。物質移動回路網生成部１１４は、仮定値（定常計算の場合）あるいは初期値（過渡計算の場合）を用いて物質移動抵抗２１３，２１４を算出する。または、後述する流体回路網演算処理部１１６の計算結果である流体圧力ノード１９１間の流量および流速、ならびにデータベース処理装置１０５の物質伝達率処理部１３３からの物質伝達率データおよび液体表面濃度ノード２１２が代表する表面積をもとに物質移動抵抗２１４を計算する。過渡計算の場合は、流体の濃度ノード２１１、液表面の濃度ノード２１２それぞれが代表する領域の水分量などの物質量２１５が計算される。
【００４４】
ここで、例えば、液膜１６１の表面積が時間とともに変化する場合、図１１に示した物質移動回路中の物質伝達に伴う物質移動抵抗２１３が変化する。この場合、物質移動回路網生成部１１４が物質伝達に伴う物質移動抵抗２１３を計算する際に、データベース処理装置１０５中のその他のパラメータ処理部１３６からそれを考慮した液膜の表面積を出力させればよい。その他のパラメータ処理部１３６は、関数式・表計算処理装置１０６に記憶された関数式あるいは表により時間の関数として液膜の表面積を計算する。
回路網生成装置で計算されたすべての情報は計算結果表示処理装置１０４に伝達され表示される。
【００４５】
また、回路網生成装置１０２の処理が終了した後、計算された回路網の情報は演算処理装置１０３に伝達される。演算処理装置１０３において、演算処理部１２２の過渡計算処理部１２１は、温度、圧力、電圧、濃度の時間変化を表わす過渡計算を、熱回路網演算処理部１１５、流体回路網演算処理部１１６、電気回路網演算処理部１１７または物質移動回路網演算処理部１１８に実行させる。定常計算処理部１２０は、温度、圧力、電圧、濃度の時間的に一定の定常状態での値を求める計算を、熱回路網演算処理部１１５、流体回路網演算処理部１１６、電気回路網演算処理部１１７または物質移動回路網演算処理部１１８に実行させる。
【００４６】
過渡計算および定常計算のいずれの場合も、回路網演算部１１９の熱回路網演算処理部１１５は、熱回路網中の温度ノード１８１，１８３，１８４に対する熱エネルギ保存の式を表わす連立方程式を解き、各ノードの温度、各ノード間の熱流を算出する。流体回路網演算処理部１１６は、流体回路網中の圧力ノード１９１に対する質量保存の式を表わす連立方程式を解き、各ノードの圧力および各ノード間の流体流量を算出する。電気回路網演算処理部１１７は、電気回路網中の電圧ノード２０１に対する電気エネルギ保存の式を表わす連立方程式を解き、各ノードの電圧および各ノード間の電流を算出する。物質移動回路網演算処理部１１８は、物質回路網中の濃度ノード２１１，２１２に対する質量保存の式を表わす連立方程式を解き、各ノードの濃度および各ノード間の物質移動量を計算する。
【００４７】
このとき、図８に示す熱回路網中の熱抵抗１８２，１８５，１８６、図９に示す流体回路網中の管路抵抗１９２、ファンやポンプによる圧力上昇を表わす電池１９３、図１０に示す電気回路網中の電気抵抗２０２，２０３、図１１に示す物質移動回路網中の物質移動抵抗２１３，２１４は、温度、圧力、電圧、濃度、熱流、流体流量、電流、物質移動量などの変化に応じて変化する。
図１２に示すように、回路網生成装置１０２は、過渡計算を行う場合には、入力された初期値を用いて回路網生成装置１０２の各抵抗の計算を行う（ステップＳＴ１３）。過渡計算を行う場合には、温度、圧力、電圧、濃度、熱流、流体流量、電流、物質移動量の初期値が入力されている（ステップＳＴ１１，ＳＴ１２）。回路網生成装置１０２における具体的な計算過程は、既に説明したとおりである。次いで、演算処理装置１０３中の回路網演算部１１９におけるそれぞれの回路網演算処理部１１５，１１６，１１７，１１８は、既に説明したような計算を行う（ステップＳＴ１４）。次に、時間を１ステップ分増加させる（ステップＳＴ１５）。
【００４８】
時間が所定の最終時間に達していない場合には、回路網生成装置１０２は、１ステップ前の時間の計算値を用いて各抵抗の計算を行い、回路網演算処理部１１５、１１６、１１７、１１８は既に説明したような計算を行う（ステップＳＴ１６，ＳＴ１３，ＳＴ１４）。時間が最終時間に達したら、計算結果表示処理装置１０４の処理に移行する。
【００４９】
定常計算においては、温度、圧力、電圧、濃度、熱流、流体流量、電流、物質移動量の仮定値が入力されている。（ステップＳＴ１１，ＳＴ１２）。回路網生成装置１０２は、仮定された値を使用して各抵抗の計算を行う（ステップＳＴ１３）。演算処理装置１０３中の回路網演算部１１９におけるそれぞれの回路網演算処理部１１５，１１６，１１７，１１８は、既に説明したような計算を行う（ステップＳＴ１８）。具体的な計算過程は、既に説明したとおりである。定常計算処理部１２０は、計算された結果と仮定値との比較を行う（ステップＳＴ１９）。その差が所定の収束判定条件と合っていなければ、温度、圧力、電圧、濃度、熱流、流体流量、電流、物質移動量の計算値を用いて仮定しなおす（ステップＳＴ２０）。回路網生成装置１０２は各抵抗の計算を行い、回路網演算処理部１１５，１１６，１１７，１１８は既に説明したような計算を行う（ステップＳＴ１３，ＳＴ１８）。定常計算処理部１２０は、計算された結果と仮定値との比較を再び行う（ステップＳＴ１９）。その差が所定の収束判定条件と合って段階で、計算結果表示処理装置１０４の処理へ移行する。すなわち、収束計算された温度、圧力、電圧、濃度、熱流、流体流量、電流、物質移動量は、計算結果表示処理装置１０４に送られる。
【００５０】
計算結果表示処理装置１０４は、以下のような処理が行われる。すなわち、計算結果表示処理装置１０４中の計算結果処理部１５３のスカラ処理部１５１およびベクトル処理部１５２には、回路網生成装置１０２から加熱量、熱容量、流体重量、物質量などのスカラ値、熱抵抗、電気抵抗、管路抵抗、物質移動抵抗などのベクトル値が送られ、また演算処理装置１０３からは温度、圧力、電圧、濃度などのスカラ値、熱流、流体流量、電流、物質移動量などのベクトル値が送られる。計算結果表示処理装置１０４は、それらのデータを記憶する。
【００５１】
計算結果表示処理部１５８における変化表示処理部１５４は、計算結果処理部１５３のスカラー処理部１５１に記憶されたスカラ値およびベクトル処理部１５２に記憶されたベクトル値の時間変化あるいは計算の繰返しによる変化を表示装置２に表示する。空間分布表示処理部１５５は、スカラ値あるいはベクトル値の空間変化を表示装置２に表示する。等高線表示処理部１５６は、入力データ処理装置１０１の形状データ記憶部１４５から送られた形状データ上にスカラ値を等高線の形で表示する。そして、ベクトル線表示処理部１５７は、入力データ処理装置１０１の形状データ記憶部１４５から送られた形状データ上にベクトル値を矢印の大小の形で表示する。もちろん等高線とベクトル線が同時に表示されることも可能である。
これらの表示は表示装置２を用いて行なわれるが、外部図形処理装置１４３にも送られ、外部図形処理装置１４３上に表示することも可能である。
以上のようにして、計算結果の表示が行なわれる。
なお、熱抵抗として放射熱伝達がある場合についても、熱伝導による熱抵抗と同様に扱える。
【００５２】
ここでは、熱、流体、電気、物質移動の全ての回路網を使用する場合について説明したが、熱回路網だけを使用することもできる。回路網についての演算を選択的に行える。熱回路網だけを使用すればよい場合には、入力データ処理装置１０１における計算制御条件処理部１４１が熱回路網のみを選択する。そして、計算制御条件処理部１４１は、回路網生成装置１０２に対して熱回路網のみの生成を指示する。その指示に応じて、回路網生成装置１０２および演算処理装置１０３は、熱回路網を用いた処理のみを実行する。その場合には、他の回路網の計算をする経路を通らないため効率的な計算が行われる。同様に、流体回路網についての処理のみを行うこともできる。
【００５３】
また、電気回路網および物質移動回路網についての処理を選択的に追加することもできる。例えば、計算制御条件処理部１４１は、入力装置１からの指示に応じて、熱、流体、電気の回路網を選択する。そして、計算制御条件処理部１４１は、回路網生成装置１０２に対して熱回路網、流体回路網および電気回路網の生成を指示する。その指示に応じて、回路網生成装置１０２は、熱回路網、流体回路網および電気回路網を生成する。また、演算処理装置において、熱回路網演算処理部１１５、流体回路網演算処理部１１６および電気回路網演算処理部１１７のみが起動される。同様に、計算制御条件処理部１４１が、熱、流体、物質移動の回路網を選択した場合には、回路網生成装置１０２は、熱回路網、流体回路網および物質移動回路網を生成する。そして、演算処理装置において、熱回路網演算処理部１１５、流体回路網演算処理部１１６および物質移動回路網演算処理部１１８のみが起動される。さらに、電気回路網または物質移動回路網のみについての処理を選択することもできる。
【００５４】
以上の説明においては、演算処理装置１０３の定常計算および過渡計算における回路網演算において、すでにシステムに内蔵されている計算手法を使用する場合について述べた。しかし、計算法として、回路網の特性に合った手法を用いると計算時間の短縮や精度の向上がはかれる。図１３はそのためのシステムの一構成例を示したものである。図１３において、２３１は演算手法選択・処理装置であり、図１４に示すように、オイラー陽解法計算処理部２４１、オイラー陰解法計算処理部２４２、ルンゲクッタ法計算処理部２４３、セミインプリシット−ルンゲクッタ法計算処理部２４４、および外部入力による計算手法処理部２４５から構成されている。システムにおけるその他の装置は図１に示すものと同様のものである。
【００５５】
オイラー陽解法、オイラー陰解法、ルンゲクッタ法、セミインプリシット−ルンゲクッタ法は、それぞれ、回路網の時間変化計算を行なう数値積分の手法である。オイラー陽解法、オイラー陰解法、ルンゲクッタ法、セミインプリシット−ルンゲクッタ法の順で計算精度はよいが、その順で図１２に示した１回の時間ステップに要する時間が長くかかるという特性を持っている。
【００５６】
回路網中の熱抵抗などの抵抗Ｒと熱容量などの容量Ｃとの積ＲＣはその系の時間変化の速さを表わす時定数τとなる。回路網中の抵抗Ｒと、抵抗Ｒに接続された各ノードが持つ容量Ｃとの積のそれぞれのうち、最小のものを最小時定数τmin と考える。すると、オイラー陽解法およびルンゲクッタ法では、計算の際の時間ステップ幅Δｔと最小時定数τmin の比Δｔ／τmin が０．５より大きいと、計算が発散して正確な解が得られないという特性をもつ。すなわち、オイラー陽解法やルンゲクッタ法は計算速度は速いものの、最小時定数τmin が小さい回路網を解く場合には時間ステップ幅Δｔを小さくする必要がある。よって、（計算の最終時間−初期時間）／（時間ステップ幅Δｔ）で与えられる計算のステップ数（くり返し回数）が多くなるという特性を持っている。また、逆にオイラー陰解法やセミインプリシット−ルンゲクッタ法は、１ステップの計算に要する時間はかかるものの、時間ステップ幅Δｔを大きくとっても、解は発散せず安定な解が得られるという特性をもっている。
【００５７】
図１３，図１４に示すように、演算手法選択・処理装置２３１は入力データ処理装置１０１および演算処理装置１０３に接続されている。入力データ処理装置において、システム利用者の指令により例えばルンゲクッタ法を使用して計算するよう指定された場合は、演算処理装置１０３の演算に代えて、演算手法選択・処理装置２３１中のルンゲクッタ法計算処理部２４３内の計算法による計算が行なわれる。そして、その結果が演算処理装置１０３に渡される。
【００５８】
また、入力データ処理装置１０１に新たな計算手法が入力された場合には、演算手法選択・処理装置２３１中の外部入力による計算手法処理部２４５にその計算方法が記憶される。そして、その計算方法による計算が指令されると、演算手法選択・処理装置２３１中の外部入力による計算手法処理部２４５で計算が行なわれ、その結果が演算処理装置１０３に渡される。
【００５９】
入力データ処理装置１０１において、どの計算手法を使用するか指定されず、最大ステップ数Ｎmax が指定された場合等には、演算処理装置１０３が自動的に計算方法を決定する。最大ステップ数Ｎmax が指定された場合、演算処理装置１０３は、計算の時間ステップ幅Δｔを（計算の最終時間−初期時間）／（Ｎmax ）の式から計算する。計算された時間ステップ幅Δｔと最小時定数τmin との比が０．５より小さい場合には、解は発散しないため、計算時間が短くてすむルンゲクッタ法を選択する。また、時間ステップ幅Δｔと最小時定数τmin との比が０．５より大きい場合には、この条件で解が発散しないセミインプリシット−ルンゲクッタ法を選択する。このようにして、指定された最大ステップ数Ｎmax の範囲内で計算に要する時間が短くしかも精度のよい計算が可能となる。
【００６０】
以上の説明においては、図４に示す入力データ処理装置１０１において、計算対象である機器の外形情報から回路網のモデルへの変換が、形状データ処理部１４４、形状データ記憶部１４５、および回路網データ処理部１４６での一連の処理により行われた。ここでは、システム利用者が独自に回路網モデルを図形的に入力することにより、より精度の高い計算が簡便に行われるようにした例を示す。
【００６１】
図１５および図１６において、２５１は入力装置１、外部図形処理装置１４３、計算結果表示処理装置１０４および計算制御条件処理部１４１に接続された回路網図形処理装置である。回路網図形処理装置２５１は、基本モデル処理部２６１、要素モデル処理部２６２、回路網モデル処理部２６３および回路網図形上表示処理部２６４から構成されている。システムにおけるその他の装置は図１または図１３に示す各装置と同様のものである。
【００６２】
以下、回路網図形処理装置２５１における回路網作成の手順について説明する。回路網図形処理装置２５１は、外部図形処理装置１４３から図６に示すような計算対象である機器の形状を取り込む。あるいは入力装置１を介してシステム利用者から形状の入力を受ける。このとき、この入力図形から機器の寸法を読みとることはしない。よって、入力される機器形状は、必ずしも実際の機器と同じサイズもしくは相似的な形状である必要はなく、概略形状でよい。その後、例えば熱回路網演算を行うのであれば、回路網図形処理装置２５１の基本モデル処理部２６１は、図１７に示すように、基本となるいくつかの抵抗を表わす基本モデルを作成する。例えば、図１７（Ａ），（Ｂ）は、熱伝導による熱抵抗１８２の基本モデル２７１の例を表わしている。図１７（Ｃ）は、熱伝達による熱抵抗１８５の基本モデル２７２の例を表わしている。図１７（Ｄ）は、流体間の流れによる熱抵抗１８６の基本モデル２７３を表わしている。また、図中、ａ，ｂ，ｃ，・・・などで表わされた基本モデルの寸法から熱抵抗１８２、１８５、１８６を計算するための計算式も入力される。
【００６３】
次に、回路網図形処理装置２５１の要素モデル処理部２６２は、基本モデル２７１，２７２，２７３を組み合わせた要素モデルを作成する。例えば、図１８（Ａ）に示すような金属板２１の要素モデル２８１、図１８（Ｂ）に示すような液膜１６１の要素モデル２８２、図１８（Ｃ）に示すようなダクト内空気２７の要素モデル２８３を作成する。この要素モデルに対して、機器の各要素の寸法、例えば金属板２１の長さＡ、厚みＢ、液膜１６１の長さＣ、厚みＤ、ダクト２５の長さＥ、厚みＦなどが入力され、基本モデルで指定された寸法ａ，ｂ，ｃ，・・・をこれらの機器の寸法から求める式も同時に入力される。
【００６４】
さらに、回路網図形処理装置２５１の回路網モデル処理部２６３は、要素モデル２８１，２８２，２８３の組合せにより図８に示した熱回路網を作成する。以上のようにして回路網図形処理装置２５１が作成した回路網情報は、計算制御条件処理部１４１および入力データ処理部１４２を通して回路網生成装置１０２に供給される。回路網生成装置１０２は、その回路網情報を記憶する。
【００６５】
その後、既に説明した手順で計算がなされる。ここでは、回路網生成装置１０２による熱抵抗計算において、回路網図形処理装置２５１が作成した熱抵抗計算式が使用される。そして、計算結果は、計算結果表示処理装置１０４から回路網図形処理装置２５１の回路網図形上表示処理部２６４に渡される。回路網図形上表示処理部２６４は、図１９に示すような回路網図上に温度２９１や熱流２９２が記入されたものを表示する。以上のようにして、システム利用者が問題に適した回路網を自由に設定でき、また、その回路網上に計算結果が表示されるので、より精度のよい計算がなされ、また計算結果の評価も行い易いなどの利点が得られる。また、要素モデル２８１、２８２、２８３の指定寸法Ａ、Ｂ、Ｃ・・・を変更するだけで形状の変更ができるので、形状を変更した場合の計算も簡便に行うことができる。
【００６６】
なお、ここでは、熱回路網の場合を例にとって説明したが、流体回路網、電気回路網、物質移動回路網の場合も同様に行うことができる。
【００６７】
実施の形態２．
実施の形態１では熱流体ＣＡＥシステムを用いて計算を行う場合について示したが、本ＣＡＥシステムにより、外部機器の温度や湿度、流体流量などを制御することも可能である。
【００６８】
そのような制御を行う場合のシステム構成を図２０および図２１に示す。図２０において、３０１は温度や湿度、流体流量などの制御を必要としている外部機器である。外部機器３０１は、熱流体ＣＡＥシステムにおける入力処理データ処理装置１０１および計算結果表示処理装置１０４に接続されている。図２１に示すように、計算結果表示処理装置１０４には、本ＣＡＥシステムの計算結果を用いて外部機器の制御するための制御式を記憶しかつ計算する外部機器制御処理部３１１が設けられている。外部機器制御処理部３１１は、入力データ処理装置１０１および外部機器３０１に接続されている。なお、図２０および図２１には明示されていないが、演算手法選択・処理装置２３１や回路網図形処理装置２５１を設けることもできる。
【００６９】
例えば、制御を必要としている外部機器３０１として、図６に示した機器を例にとる。そして、ファン２６から排出された空気２７の温度を制御する場合を例にとって説明する。まず、入力データ処理装置１０１を通して、計算結果表示処理装置１０４の外部機器制御処理部３１１に、外部機器の温度を本ＣＡＥシステムでの計算値を用いて所定の値に制御するための制御式が入力される。外部機器制御処理部３１１は、その制御式を記憶する。
【００７０】
外部機器３０１の温度をモニタしている熱電対、湿度をモニタしている湿度センサ、風量をモニタしている風量計および電源の電圧をモニタしている電圧計からの信号が、境界条件として、入力データ処理装置１０１に伝えられる。これらの境界条件を使用して、実施の形態１に示したように、熱回路網、流体回路網、電気回路網、物質移動回路網を用いた計算が実行される。計算によって、１ステップΔｔ後の時間の温度および湿度の値が予測されることになる。
【００７１】
演算処理装置１０３は、演算結果すなわち予測結果を計算結果表示処理装置１０４に伝える。計算結果表示処理装置１０４は、結果を表示装置２に表示するとともに、外部機器制御処理部３１１に伝える。外部機器制御処理部３１１は、前もって入力し記憶していた外部機器の温度を制御するための制御式を用いて、例えば、外部機器３０１の電圧をどのように制御するかを計算する。外部機器制御処理部３１１は、計算結果に従って外部機器３０１の電圧を制御する。電圧制御によって温度が制御される。以上のようにして、外部機器３０１の温度を予測しながら制御することが可能となるので、精度のよい制御が可能となる。
なお、ここでは、外部機器３０１の温度を制御する場合について示したが、同様にして、外部機器３０１内の圧力、風量、湿度などを制御することもできる。
【００７２】
実施の形態３．
実施の形態１では回路網法を用いた熱流体ＣＡＥシステムで計算を行う場合について示したが、回路網法以外の手法を使用した熱流体ＣＡＥシステムと併用することもできる。その場合には、それぞれの特徴を生かしたより精度の高い熱流体ＣＡＥシステムが得られる。そのように構成したシステムを図２２に示す。図２２において、３２１は、例えば、有限要素法、差分法、有限体積法などを使用して、流体の質量保存、エネルギ保存を表す方程式および運動量保存を表すナビエ−ストークス方程式を解く熱流体数値解析装置である。熱流体数値解析装置３２１は、入力データ処理装置１０１、演算処理部１０３および計算結果表示処理装置１０４と接続されている。なお、図２２には明示されていないが、演算手法選択・処理装置２３１や回路網図形処理装置２５１を設けることもできる。
【００７３】
例えば、図２３に示すように、ダクト２５中に置かれた物体３３１の周りに生じる渦３３２などの流体の微小部分の温度や流れの状況を計算する場合について説明する。以下、このように流体の微小部分の温度や流れの状況を計算することを、熱流体数値解析を行うという。図２４に示すように、入力データ処理装置１０１の回路網演算処理部１４６で機器全体が小エリアに分割される。ただし、熱流体数値解析装置３２１による処理が選択された場合には、物体３３１の周囲部で渦３３２などの流体の微小部分の流れの状況を計算する部分、すなわち熱流体数値解析を行うエリア３４１を、例えば有限体積法などに適するように、回路網法の部分に比べて、細かく細分化する。そして、エリア情報が熱流体数値解析装置３２１に送られる。
【００７４】
その後、図２５に示すように、過渡計算を行う場合は、まず、入力された初期値を用いて、回路網生成装置１０２が生成した回路網における各抵抗の計算を行う（ステップＳＴ３１，ＳＴ３２，ＳＴ３３）。具体的な計算過程は、既に説明したとおりである。続いて、演算処理装置１０３中の回路網演算部１１９におけるそれぞれの回路網演算処理部１１５，１１６，１１７，１１８は、既に説明したような計算を行う（ステップＳＴ３４）。計算結果は熱流体数値解析装置３２１に伝達される。
【００７５】
熱流体数値解析装置３２１は、回路網演算による計算結果、例えばファン２６により駆動されて流入する風量を境界条件として、物体３３１周囲の流体中の微細な流れを計算する（ステップＳＴ３５）。次に時間を１ステップ分増加させる（ステップＳＴ３６）。時間が所定の最終時間に達していない場合には、回路網生成装置１０２が１ステップ前の時間の計算値を用いて各抵抗の計算を行い（ステップＳＴ３３）、回路網演算部１１９が演算処理を行う（ステップＳＴ３４）。そして、熱流体数値解析装置３２１が流体中の微細な流れを計算する（ステップＳＴ３５）。時間が最終時間に達すると、計算結果表示処理装置１０４の処理に移行する。
【００７６】
以上のようにして、物体３３１周囲の流れが、回路網についての計算の結果得られる熱、流体、電気、物質移動による変化を考慮して計算され、かつ全体の流量と同時に物体回りの微小な流れの状況が同時に計算される。よって、より精度がよく効率的な計算が可能になる。
【００７７】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、機器の形状データから回路網図を作成し、その回路網図を用いて回路網に関する情報を作成するとともに、その回路網の抵抗値を計算する際に使用する抵抗計算式と機器の寸法の入力を受け付けて、その回路網に関する情報、その抵抗計算式及び機器の寸法を回路網生成装置に供給するように構成しているので、システム利用者が問題に適した回路網を自由に設定でき、精度のよい計算ができるものが得られる効果がある。また、形状の変更も簡便に行うことができる効果がある。
【００７８】
この発明によれば、熱流体ＣＡＥシステムが、回路網図上に演算結果を表示する構成になっているので、演算結果の評価が行い易いものが得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１による熱流体ＣＡＥシステムの構成を示すシステム構成図である。
【図２】 回路網生成装置および演算処理装置の詳細構成を示す構成図である。
【図３】 データベース処理装置の詳細構成を示す構成図である。
【図４】 入力データ処理装置の詳細構成を示す構成図である。
【図５】 計算結果表示処理装置の詳細構成を示す構成図である。
【図６】 ＣＡＥの対象機器の一例を示す説明図である。
【図７】 対象機器のエリア分割を説明するための説明図である。
【図８】 熱回路網の一例を示す説明図である。
【図９】 流体回路網の一例を示す説明図である。
【図１０】 電気回路網の一例を示す説明図である。
【図１１】 物質移動回路網の一例を示す説明図である。
【図１２】 この発明の実施の形態１による熱流体ＣＡＥシステムの処理の流れを示すフローチャートである。
【図１３】 この発明の実施の形態１による熱流体ＣＡＥシステムの構成を示すシステム構成図である。
【図１４】 計算手法選択処理装置の詳細構成を示す構成図である。
【図１５】 この発明の実施の形態１における入力データ処理装置の詳細構成を示す構成図である。
【図１６】 この発明の実施の形態１における回路網図形処理装置の詳細構成を示す構成図である。
【図１７】 この発明の実施の形態１における基本モデルを説明するための説明図である。
【図１８】 この発明の実施の形態１における要素モデルを説明するための説明図である。
【図１９】 この発明の実施の形態１による熱流体ＣＡＥシステムにおける表示例を示す説明図である。
【図２０】 この発明の実施の形態２による熱流体ＣＡＥシステムの構成を示すシステム構成図である。
【図２１】 この発明の実施の形態２における計算結果表示処理装置の詳細構成を示す構成図である。
【図２２】 この発明の実施の形態３による熱流体ＣＡＥシステムの構成を示すシステム構成図である。
【図２３】 この発明の実施の形態３における演算を説明するための説明図である。
【図２４】 この発明の実施の形態３におけるエリア分割を説明するための説明図である。
【図２５】 この発明の実施の形態３による熱流体ＣＡＥシステムの処理の流れを示すフローチャートである。
【図２６】 従来の熱流体ＣＡＥシステムの構成を示すシステム構成図である。
【図２７】 従来の熱流体ＣＡＥシステムによる演算を説明するための説明図である。
【図２８】 従来の熱流体ＣＡＥシステムの処理の流れを示すフローチャートである。
【図２９】 従来の熱流体ＣＡＥシステムにおける対象機器の小エリア分割を説明するための説明図である。
【図３０】 従来の熱流体ＣＡＥシステムによる流体回路網の一例を示す説明図である。
【図３１】 従来の熱流体ＣＡＥシステムによる熱回路網の一例を示す説明図である。
【図３２】 従来の熱流体ＣＡＥシステムによる表示例を示す等温線図である。
【符号の説明】
１０１ 入力データ処理装置、１０２ 回路網生成装置、１０３ 演算処理装置、１０４ 計算結果表示処理装置、１０５ データベース処理装置、１０６ 関数式・表計算処理装置、１４１ 計算制御条件処理部、２３１ 演算手法選択・処理装置、２５１ 回路網図形処理装置、２６４ 回路網図形上表示処理部、３１１ 外部機器制御処理部、３２１ 熱流体数値解析装置。
【発明の属する技術分野】
この発明は計算機を用いた熱流体ＣＡＥシステム、特に、回路網法によって機器や装置の熱解析や流体解析を行なう熱流体ＣＡＥシステムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電子機器を始めとする機器を設計する際に、放熱処理等のために機器内の熱拡散状態を知る必要がある。そのために、熱解析、流体解析が必要とされる。近年、機器の大容量化、高密度化、高速化の進展は目覚ましく、装置単位体積当りの消費電力は高まる一方である。従って、これまでのように勘と経験で熱解析、流体解析を行なうことが困難になりつつある。そこで、コンピュータを利用した設計解析計算、いわゆるＣＡＥの普及に伴って、機器の温度分布や流量分布を計算によって予測することが行なわれるようになってきている。
ここで、熱解析とは機器各部の温度分布や熱流分布を予測することを意味し、流体解析とは熱解析を行なうために流体の流量分布、流速分布、圧力分布を予測することを意味している。
【０００３】
機器の熱流体解析には、熱回路網法と呼ばれる手法および流体回路網法と呼ばれる手法が広く使用されている。熱回路網法では、機器内部が幾つかの領域に分割され、各領域の中央にノードと呼ばれる代表点が設けられる。そして、各領域間のエネルギバランスを表す連立方程式を解くことにより、ノード点の温度およびノード間の熱流が求められる。また、流体回路網法では、流体内部が幾つかの領域に分割され、各領域の中央にノードと呼ばれる代表点を設けられる。そして、各ノードの運動量を保存するようにノード間を流れる流量の質量バランスを表す連立方程式を解くことにより、ノード点の圧力およびノード間の流量が求められる。熱回路網法と流体回路網法とを併せて熱流体回路網法と呼ぶ。
【０００４】
伝熱工学の分野において、熱伝達率や管路抵抗係数に関して、数多くの解析式や実験式が求められているので、熱伝達率や管路抵抗係数は容易に決定される。熱流体回路網法では、それらの熱伝達率や管路抵抗係数を用いて熱抵抗や管路抵抗を求め、それらの抵抗による回路網について熱流や流体の流量を求める。従って、流体の挙動を厳密に計算することなく温度や熱流を計算できる。このように、熱流体回路網法によれば、比較的小規模な計算処理で精度のよい結果が得られる。
【０００５】
従来の熱流体回路網法を使用したＣＡＥシステムとして、特開平４−７６７５号公報や特開平４−３０２７０号公報に示されたものがある。図２６は特開平４−７６７５号公報に示されたＣＡＥシステムの構成を示すブロック図である。図において１はデータ入力や処理コマンド入力のための入力装置、２は入力データの表示や処理結果表示等のための表示装置、３は入力データを形状データ記憶部４に設定したり形状データ記憶部４の内容の更新を行ったりする形状データ処理部、５は外部にある３次元ＣＡＤシステム、６は機器を小エリアに分割する処理を行うエリア分割処理部、７は各小エリアのノード座標を記憶するノード座標データ記憶部である。
【０００６】
８は管路抵抗を計算して流体回路網を作成する流体回路生成部、９は管路圧損データ記憶部、１０は熱抵抗値を計算して熱回路網を作成する熱回路生成部、１１は熱伝達率データ記憶部、１２は材料物性データ記憶部、１３は流体回路網データおよび熱回路網データを記憶する回路網データ記憶部、１４は圧力および流量の演算を行う流体回路演算処理部１５および熱伝導による熱抵抗と流体の流れによる熱抵抗とを演算する熱回路演算処理部１６を有する演算処理部、１７は算出された圧力データを記憶する圧力流量データ記憶部、１８は算出された温度データを記憶する温度データ記憶部、１９は計算結果を表示する処理を行う計算結果表示処理部、２０はファン特性データ記憶部である。
【０００７】
次に動作について説明する。ここでは、図２７に示す例を対象に各部の温度と流量分布を求める場合について説明する。図２７に示す例は、直方体の金属板２１の両端２２、２３間に電源２４により一定の電圧Ｖがかけられるものである。金属板２１には、Ｉ＝Ｖ／Ｒe で表される電流Ｉが通電し、Ｑ＝Ｒe Ｉ2 のジュール熱が発熱する。また、ダクト２５の内部をファン２６により駆動されて流動する空気２７が加熱される。なお、Ｒe は金属板２１の電気抵抗２８の抵抗値を示す。
【０００８】
以下、計算処理の流れを図２８に示した計算フローを参照して説明する。形状データ処理部３は、図２７に示す装置の形状を直線や円、円弧などの図形データとして取り込み、形状データ記憶部４に記憶したり、内容の更新を行ったりする。図形データは入力装置１から入力される。また、入力装置１には、関連する処理コマンドが入力される。そして、表示装置２は、入力データ等を表示している（ステップＳＴ１，ＳＴ２）。
【０００９】
形状データ記憶部４に記憶されている形状データは、図２７に示すような２次元あるいは３次元空間上の座標を示すデータから構成されている。なお、他の一般的な３次元ＣＡＤシステム５から形状データを取り込むこともできる。
エリア分割処理部６は、形状データ記憶部４内の形状データを取り込み、図２９に示すように機器全体を小エリア４１に分割する（ステップＳＴ３）。そして、小エリア重心点座標を算出し、重心点をノード４２とする。エリア分割処理部６は、ノード座標データをノード座標記憶部７に格納する（ステップＳＴ４）。
【００１０】
次に、流体回路生成部８は、ノード座標データ記憶部７内のノード座標データと管路圧損データ記憶部９内の管路圧損データとを用いて流体部分の管路抵抗５１の抵抗値を計算する（図３０参照）。管路圧損データ記憶部９には、断面変化率と圧損係数との関係を示すテーブルや管路開口率と圧損係数との関係を示すテーブルなど、あらかじめ実験等により導出された数値のテーブルが記憶されている。流体回路生成部８は、管路抵抗５１の値のうち、摩擦損失抵抗を、接続されている２つの圧力ノード５２間の距離および接している面の面積などから決定する。圧力ノード５２は、図２９に示された各ノード４２のうちダクト２５内に設定されたノードに相当する。また、局所圧損抵抗を、管路圧損データ記憶部９の管路圧損データを参照して、隣合う２つの小エリアの断面積の変化などにもとづいて決定する（ステップＳＴ５）。
【００１１】
形状データ処理部３によって図２７に示すファン２６が入力されている場合には、流体回路生成部８は、ファン特性データ記憶部２０を参照して、ファン２６を含む小エリア４１に、種別に応じたファン特性データを付与する。すなわち、ファンによる圧力上昇すなわち流体駆動力が電池５３の形で設定される。このようにして、管路抵抗５１と電池５３により流体回路網５４が形成される。流体回路生成部８は、作成された流体回路網データを回路網データ記憶部１３に格納する。
【００１２】
次に、熱回路網生成部１０は、図３１に示すように、小エリア同士が面または線で接している固体中の温度ノード６１間を熱伝導による熱抵抗６２で接続するとともに、熱抵抗値を算出する。熱回路網生成部１０は、熱抵抗値を、材料物性データ記憶部１２の材料物性データを参照して、接続されている２つの温度ノード６２間の距離、接している面積および固体の熱伝導率にもとづいて算出する（ステップＳＴ６）。温度ノード６１，６３は、図２９に示された各ノード４２に相当する。熱回路網生成部１０は、熱伝導による熱抵抗６２の値の計算結果を固体中における熱回路網データとして回路網データ記憶部１３に格納する。
【００１３】
演算処理部１４において、まず、流体回路演算処理部１５は、管路抵抗データを回路網データ記憶部１３から読み込み、非線形連立方程式解法演算を行う。流体回路演算処理部１５は、演算結果である圧力ノード５２の圧力と圧力ノード５２間の流量とを圧力流量データ記憶部１７に格納する（ステップＳＴ７）。
【００１４】
次に、熱回路演算処理部１６は、圧力ノード５２間の流量、圧力ノード５２間の流速、熱伝達率データ記憶部１１の熱伝達係数データ、および材料物性データ記憶部１２の材料物性データをもとに、固体中の温度ノード６１と流体中の温度ノード６３間の熱伝達による熱抵抗６４を、および、流体中の温度ノード６３間の流体の流れによる熱抵抗６５の値を計算する。このようにして、熱抵抗６２，６４，６５による熱回路網６６が形成される。熱回路演算処理部１６は、熱回路網６６中にある温度ノード６１に成立するエネルギ保存式を表す熱抵抗係数行列を完成させる。そして、連立方程式演算によって、全てのノードの温度を算出する（ステップＳＴ８）。自然対流などのように、圧力ノード５２の圧力がノードの温度に依存して決定されるような場合には、流体回路演算処理部１５と熱回路演算処理部１６とが交互に反復処理を行い、結果が収束するまで処理を繰り返される。
【００１５】
熱回路演算処理部１６は、このようにして得られた温度データを、温度データ記憶部１８に格納する。圧力流量データ記憶部１７内の圧力データおよび流量データならびに温度データ記憶部１８内の温度データは、形状データ、ノード座標データおよび回路網データとともに、計算結果表示処理部１９に取り込まれる。計算結果表示処理部１９は、温度分布、流量分布などを視覚的に表示するために以下の処理を行う（ステップＳＴ９）。
【００１６】
図３２は計算結果表示処理部１９の処理により表示装置１に表示された温度分布を示す図である。計算結果表示処理部１９は、形状データ記憶部４から形状データを取り込み、装置の形状を表示装置２に表示する。システム利用者は対話的処理により、表示したいデータ（温度、圧力、流量）、その表示方式（等温線図による表示やベクトル図による表示等）および表示したい断面を指示する。温度および等温線図が指定された場合には、計算結果表示処理部１９は、ノード座標データ記憶部７のノード座標データと温度データ記憶部１８の温度データとを用いて、ノード間温度を補間処理することにより、装置形状上に等温線７１を描く処理を行う。そして、表示装置２上に図３２に示すように表示する（ステップＳＴ１０）。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の熱流体解析ＣＡＥシステムは以上のように構成されているので、次のような問題点があった。
（１）熱回路網あるいは流体回路網のいずれか一方の生成または両者の生成をシステム利用者が選択できない。
（２）熱回路生成部１０、流体回路生成部８および演算処理部１４しか備えられていないので、金属板２１の電気伝導度の温度変化に起因する電気抵抗２８（Ｒe ）の変化によって金属板２１のジュール発熱量が変化すること、さらに、金属板２１の温度や空気２７の温度が変化することを考慮するための電気回路網と熱回路網および流体回路網とを連成させた場合には対応できない。また、金属板２１の表面に薄い液膜が設けられた場合、液の蒸発により空気２７が加湿されたときの空気２７の温度変化や湿度変化を求めるための水分の移動を表す物質移動回路網と熱回路網および流体回路網とを連成させた場合には対応できない。
（３）形状データ以外の計算に必要なデータを入力装置から各記憶部に入力できる構成となっていないので、データの変更や追加をシステム利用者が自由に行うことができない。この結果、問題に最も適したデータを使用できない場合がある。
（４）境界条件など全ての計算パラメータをシステム利用者が関数や表の形で設定できないので、問題に最も適したパラメータ変化を採用できない場合がある。そのような場合には精度のよい計算ができない。
（５）システム利用者は、最大のノード数、初期条件、境界条件、回路条件に関するデータを選択できない。すなわち、所望のレベルのシミュレーションができない。すなわち、利用者が期待する精度以上の演算が実行されてしまう場合がある。その結果、不必要に大きな記憶領域が確保されたり、不必要なデータを入力しなければならない場合が生じたりして、システムの効率的な使用ができない。
（６）回路網として四角メッシュしかできない。そのために、固体中の熱伝導を計算する場合に、曲面などの任意の形状に対応しにくく計算精度が低下する。
（７）回路網を解く演算手法をシステム利用者が自由に選択できないため、問題に最も適した解法による高速で精度のよい計算ができない場合がある。
（８）回路網が入力できないないため、システム利用者が問題に最も適した回路網を設定できず、問題に最も適した回路網による精度のよい計算ができない場合がある。
（９）回路網図上に計算結果の表示が行えないので、計算結果の詳細な解析が困難な場合がある。
（１０）ＣＡＥシステムから直接外部機器の温度や流量などを制御することはできない。
（１１）回路網法による解法を使用しているため、特に、流体中の渦など、細かな流れを解析することが困難である。そのために、流れが複雑な場合には精度がよくない。
【００１８】
この発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、複雑な問題に適した解析モデルを自由に設定でき、精度がよい実用的なＣＡＥシステムを得ることを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る熱流体ＣＡＥシステムは、機器の形状データから回路網図を作成し、その回路網図を用いて回路網に関する情報を作成するとともに、その回路網の抵抗値を計算する際に使用する抵抗計算式と機器の寸法の入力を受け付けて、その回路網に関する情報、その抵抗計算式及び機器の寸法を回路網生成装置に供給する回路網図形処理装置を備えたものである。
【００２０】
この発明に係る熱流体ＣＡＥシステムは、回路網図形処理装置が作成した回路網図上に演算結果を表示する回路網図形上表示処理部を備えたものである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による熱流体ＣＡＥシステムの構成を示すブロック図である。図において、１はデータ入力や処理コマンド入力のための入力装置、２は入力データの表示や処理結果表示等のための表示装置、１０１は入力データをデータベース処理装置１０５や関数式・表計算処理装置１０６に設定したり回路網生成装置１０２に供給したりする入力データ処理装置、１０２は各種回路網を生成する回路網生成装置、１０３は温度、圧力、電圧および濃度を演算する演算処理装置、１０４は演算結果を回路網とともに表示する制御を行う計算結果表示処理装置、１０５は各種のパラメータを記憶するとともに各パラメータを用いて熱伝導率等を算出して出力するデータベース処理装置、１０６は関数式や表計算法を記憶する関数式・表計算処理装置である。関数式・表計算処理装置１０６内の関数式や表計算法は、回路網生成装置１０２内の各生成部、演算処理装置１０３内の各演算処理部およびデータベース処理装置１０５内の各処理部によって利用される。
【００２２】
図２は回路網生成装置１０２および演算処理装置１０３の構成を詳細に示すブロック図である。図に示すように、回路網生成装置１０２は、熱回路網を作成する熱回路網生成部１１１、流体回路網を作成する流体回路網生成部１１２、電気回路網を作成する電気回路網生成部１１３、および物質移動回路網を作成する物質移動回路網生成部１１４からなっている。
【００２３】
演算処理装置１０３は、回路網生成装置１０２に接続された演算処理部１２２および具体的な回路網演算を行う回路網演算部１１９を有する。演算処理部１２２は、定常状態における演算を制御する定常計算処理部１２０および過渡状態における演算を制御する過渡計算処理部１２１を有する。回路網演算部１１９は、各ノードの温度および各ノード間の熱流を算出する熱回路網演算処理部１１５、各ノードの圧力および各ノード間の流体流量を算出する流体回路網演算処理部１１６、各ノードの電圧および各ノード間の電流を算出する電気回路網演算処理部１１７、ならびに各ノードにおける濃度および各ノード間の物質移動量を算出する物質移動回路網演算処理部１１８を有する。
【００２４】
図３はデータベース処理装置１０５の構成を詳細に示すブロック図である。データベース処理装置１０５において、関数式・表計算処理装置１０６に格納されている関数や表計算法を利用して、熱伝達率処理部１３１が熱伝達率を、管路抵抗係数処理部１３２が管路抵抗係数を、物質伝達処理部１３３が物質伝達率を、ファン・ポンプ特性処理部１３４がファンやポンプの流量の関数としての圧力上昇を、材料物性処理部１３５が材料の熱伝導率、流体の比熱、粘性係数などの材料物性を、その他のパラメータ処理部１３６が液膜表面積など計算において変化させるパラメータを計算する。そして、必要なら計算結果を記憶する。
【００２５】
データベース処理装置１０５は、熱伝達率、管路抵抗係数、物質伝達率、ファン・ポンプ特性、材料物性値のデータが設定されたデータベースを有する。データベース処理装置１０５における処理部が計算によってそれらを求める構成とすることもできる。その場合には、データベースがなくてもよい。あるいは、データベースと各処理部とを併用することもできる。
図に示すように、この場合には、データベース処理装置１０５は、熱伝達率の算出または熱伝達率データベースのアクセスを行う熱伝達率処理部１３１、管路抵抗係数の算出または管路抵抗係数データベースのアクセスを行う管路抵抗係数処理部１３２、物質伝達率の算出または物質伝達率データベースのアクセスを行う物質伝達率処理部１３３、ファン・ポンプ特性データベースのアクセスを行う特性処理部１３４、材料物性データベースのアクセスを行う材料物性処理部１３５、その他のパラメータ処理部１３６を有する。
【００２６】
入力データ処理装置１０１は、図４に示すように、計算の種類や回路網の選択および入力データ処理部１４２に対する必要データの供給を行う計算制御条件処理部１４１と、回路網生成装置１０２、データベース処理装置１０５および関数式・表計算処理装置１０６にデータを供給する入力データ処理部１４２と、自動図面作成装置（ＣＡＤ）や外部のＣＡＥシステムに搭載された図形処理装置などの外部図形処理装置１４３に接続された形状データ処理部１４４と、形状データ処理部１４４が作成した形状データ記憶部１４５と、エリア分割処理およびノード設定処理を行う回路網データ処理部１４６とを有する。
【００２７】
図５は計算結果表示処理装置１０４の構成を詳細に示すブロック図である。図に示すように、計算結果表示処理装置１０４は、計算結果処理部１５３と、計算結果表示処理部１５８とを有する。計算結果処理部１５３は、温度、圧力、電圧、水分などの濃度、加熱量、熱容量、流体重量、電気容量、物質重量などのスカラ値を表示できるようにするためのスカラ処理部１５１と、熱流、風量、風速、電流、物質移動量（例えば、水分移動量）などのベクトル値、および、熱抵抗、管路抵抗、電気抵抗、物質移動抵抗（例えば、水分移動抵抗）などのノード間に設定される値を表示できるようにするためのベクトル処理部１５２とを有する。なお、以下、熱抵抗等のノード間に設定される値もベクトル値に含めて扱う。計算結果表示処理部１５８は、スカラ値やベクトル値の時間変化や繰り返し回数による変化を表示するための変化表示処理部１５４と、空間分布を表示するための空間分布表示処理部１５５と、等高線表示をするための等高線表示処理部１５６と、ベクトル矢印線を表示するためのベクトル線表示処理部１５７とを有する。
【００２８】
次に動作について説明する。
ここでは、図６に示す例を対象に各部の温度と流量分布を求める場合について説明する。図６に示す例は、直方体の金属板２１の両端２２、２３間に電源２４により一定の電圧Ｖがかけられるものである。金属板２１には、Ｉ＝Ｖ／Ｒe で表される電流Ｉが通電し、Ｑ＝Ｒe Ｉ2 のジュール熱が発熱する。また、ダクト２５の内部をファン２６により駆動されて流動する空気２７が加熱され、かつ、液膜１６１の蒸発により加湿される。このとき、金属板２１の電気伝導度が温度によって変化するので、金属板２１の電気抵抗２８（Ｒe ）が変化する。よって、金属板２１を流れる電流Ｉも変化する。その結果、Ｒe Ｉ2 で表される金属板２１のジュール発熱量が変化する。また、加湿量も変化する。その結果、空気２７の温度および湿度も変化する。
【００２９】
入力装置１はデータの入力や処理コマンドの入力を行い、表示装置２は入力データの表示や処理結果の表示を行うことは従来例と同様である。図４に示すような入力データ処理装置１０１において、形状データ処理部１４４は、図６に示す機器形状を直線や円、円弧などの図形データとして取り込む。そして、形状データ記憶部１４５に図形データを記憶したり、形状データ記憶部１４５の内容の更新を行ったりする。ここで、形状データ記憶部１４５に記憶されている形状データは、２次元あるいは３次元空間上の座標を示すデータで構成されている。図４に示すように、他の一般的な３次元ＣＡＤシステムなどの外部図形処理装置１４３から形状データを取り込むこともできる。
【００３０】
回路網データ処理部１４６は、形状データ記憶部１４５内の形状データを、図７に示すように、小エリア１７１に分割する。さらに、分割線１７２同士の交点や物体の表面と分割線１７２との交点にノード１７３を生成し、ノード座標データを記憶しておく。ここでは、図７に示すように、固体の表面および液面にもノードが設定される。このとき、システム利用者が入力装置１から三角形状のエリアを作成するようにコマンドを入力した場合には、回路網データ処理部１４６は、四角形に対角線を引く等の方法によって、図７に示すように三角形状のエリアを生成する。曲線や曲面が存在していた場合に、システム利用者の指令があれば、外径線に沿った形にエリア分割する。また、回路網データ処理部１４６が物体の表面にもノードを発生するので、表面の温度などの表面の状況が、従来例に比べてより正確に求められる。
【００３１】
システム利用者が最大ノード数を指定した場合には、回路網データ処理部１４６は、その数に従ってノードを設定する。例えば、三角形状のエリア生成を止めたりする。
【００３２】
その後、入力データ処理装置１０１の計算制御条件処理部１４１は、計算制御条件の設定を行う。計算制御条件は、入力装置１を介したシステム利用者からの指令にもとづいて設定される。計算制御条件には、定常計算をするのか過渡計算をするのかの計算の種類の選択、計算に用いる回路網として、熱回路網、流体回路網、電気回路網、物質移動回路網のうちいずれの回路網を使用するのかの選択、入力データ処理部１４２が回路網生成装置１０２に与える必要データがある。
【００３３】
また、システム利用者は、計算制御条件処理部１４１からの計算制御条件に応じて、計算における時間条件としての計算のスタート時間、終了時間、時間刻み幅、また初期条件（過渡計算の場合）あるいは仮定条件（定常計算の場合）としての温度、圧力、電圧、濃度、加熱量、風量、風速、電流、物質移動量（水分移動量）、境界条件としての温度、圧力、電圧、濃度、加熱量、風量、風速、電流、物質移動量、回路条件としての熱抵抗、管路抵抗、電気抵抗、物質（水分）移動抵抗、熱容量、流体重量、電気容量、物質量を計算するためのデータを入力する。それらのデータおよび回路網データ処理部１４６からのデータは、計算制御条件処理部１４１を介して入力データ処理部１４２に入力される。入力装置１からの各データおよび回路網データ処理部１４６からのデータは、さらに、回路網生成装置１０２に送られる。
【００３４】
システム利用者は、今行おうとする回路網計算に適したデータをデータベース処理装置１０５内のデータベースに追加することもできる。また、データベースを修正することもできる。その場合には、熱伝達率、管路抵抗係数、物質伝達率、ファン・ポンプ特性、材料物性値、液膜の表面積など計算において変化させるパラメータなどを入力装置１に入力する。それらのデータは、入力データ処理部１４２を介してデータベース処理装置１０５に入力される。データベース処理装置１０５において、各処理部は、担当するデータベースを更新する。
【００３５】
また、システム利用者は、今行おうとする回路網計算に適した関数式や表を追加することもできる。また、関数式や表を修正することもできる。その場合には、新たなまたは追加の関数式や表を入力装置１に入力する。それらのデータは、入力データ処理部１４２を介して関数式・表計算処理装置１０６に入力される。関数式・表計算処理装置１０６は、入力に応じて関数式や表を更新する。
システム利用者は、収束判定条件や計算結果の出力条件としての出力回数なども入力できる。それらのデータは、計算制御条件処理部１４１を介して入力データ処理部１４２に入力される。
【００３６】
回路網生成装置１０２において、図２に示す熱回路網生成部１１１が熱回路網を、流体回路網生成部１１２が流体回路網を、電気回路網生成部１１３が電気回路網を、そして、物質移動回路網生成部１１４が物質移動回路網を生成する。
【００３７】
まず、熱回路網の生成の仕方を説明する。熱回路網生成部１１１には、回路網データ処理部１４６が作成したデータが供給されている。熱回路網生成部１１１は、回路網データ処理部１４６によって設定された各ノードを図８に示すように固体温度ノード１８１、表面温度ノード１８３または流体温度ノード１８４と定義する。さらに、熱回路網生成部１１１は、図８に示すように、小エリア分割線で結ばれている固体温度ノード１８１間を熱伝導による熱抵抗１８２で接続するとともに、抵抗値を算出する。すなわち、接続ノード間の距離、ノード間の平均熱流断面積およびデータベース処理装置１０５内の材料物性処理部１３５から供給される固体の熱伝導率から熱伝導による熱抵抗値を算出する。材料物性処理部１３５は、熱回路網生成部１１１の要求に応じて、関数式・表計算処理装置１０６に記憶された関数式あるいは表を用いて固体の熱伝導率を算出しそれを供給する。
【００３８】
次いで、熱回路網生成部１１１は、表面温度ノード１８３と流体温度ノード１８４との間の熱伝達による熱抵抗１８５の抵抗値を計算する。その際、熱回路網生成部１１１は、データベース処理装置１０５の熱伝達率処理部１３１から供給される熱伝達率と物体や液膜表面に生成された表面温度ノード１８３の表面積とを用いて熱抵抗１８５の抵抗値を計算する。熱伝達率処理部１３１は、熱回路網生成部１１１の要求に応じて、図９に示す流体圧力ノード１９１間の流速、データベース処理装置１０５の材料物性処理部１３５からの流体の熱伝導率、および、密度、比熱、粘性係数などのデータベース処理装置１０５に記憶されている材料物性データをもとに、関数式・表計算処理装置１０６内の関数式や表を利用して熱伝達率を計算する。
【００３９】
熱回路網生成部１１１は、同様に、流体圧力ノード１９１間の流量およびデータベース処理装置１０５に記憶されている材料物性データをもとに、流体中の温度ノード１８４間の流体の流れによる熱抵抗１８６の値を算出する。このとき、流体圧力ノード１９１間の流量と流速とは、定常計算の場合は仮定値、過渡計算の場合は初期値で与えられる。または、後述する流体回路網演算処理部１１６の計算結果で与えられる。また、過渡計算の場合は、固体温度ノード１８１、流体温度ノード１８４、表面温度ノード１８３それぞれが代表する領域の熱容量１８７が計算される。
【００４０】
次に、流体回路網の生成の仕方を説明する。流体回路網生成部１１２は、図９に示すように、回路網データ処理部１４６によって設定された各ノードのうち、ダクト２５内のノードを流体圧力ノード１９１とする。流体回路網生成部１１２は、流体中の圧力ノード１９１間の管路抵抗１９２の値を次のように計算する。すなわち、管路抵抗のうち、摩擦損失による抵抗は、接続されている２つの圧力ノード１９１間の距離、接している面の断面積、データベース処理装置１０５の材料物性データをもとに計算される。また、断面積の変化などによる局所圧損抵抗は、隣合う２つの小エリアの断面積の変化などから、管路抵抗係数処理部１３２からの管路圧損データを参照して計算される。管路抵抗係数処理部１３２には、あらかじめ実験等により導出されあらかじめ設定されている数値やシステム利用者が入力データ処理装置１０１から入力した数値による、断面変化率と圧損係数との関係を示すテーブルや管路開口率と圧損係数との関係を示すテーブルなどがデータベースとして記憶されている。流体回路網生成部１１２は、データベース内のデータおよび関数式・表計算処理装置１０６内の関数式あるいは表計算法を用いて管路抵抗１９２を算出する。
【００４１】
また、流体回路網生成部１１２は、ファンの部分について、データベース処理装置１０５のファン・ポンプ特性処理部１３４に記憶された流量の関数としての圧力上昇特性データベースを用いて、流体の駆動力としての圧力上昇を計算する。そして、流体回路網に圧力上昇を表わす電池１９３を設定する。
【００４２】
次に、電気回路網の生成の仕方を説明する。電気回路網生成部１１３は、図１０に示すように、回路網データ処理部１４６によって設定された各ノードのうち、金属板２１および液膜１６１中の小エリア分割線で結ばれているノードを固体電圧ノード２０１とする。電気回路網生成部１１３は、固体電圧ノード２０１間を電気抵抗２０２で接続する。そして、２つの固体電圧ノード２０１間の電気抵抗値を算出する。電気抵抗値は接続ノード間の距離、ノード間の平均断面積および固体の電気伝導率から算出される。ここで、材料物性処理部１３５は、データベース処理装置１０５中の材料物性データと関数式・表計算処理装置１０６内の関数式あるいは表計算法を用いて電気伝導率を求め、それを電気回路網生成部１１３に供給する。なお、図１０には、液膜の電気抵抗２０３も計算された例が示されている。
【００４３】
次に、物質移動回路網の生成の仕方を説明する。物質移動回路網生成部１１４は、図１１に示すように、回路網データ処理部１４６によって設定された各ノードのうち流体中に設定されたものを、流体中の水分の濃度を表す濃度ノード２１１と定義する。また、液表面に設定された各ノードを液表面における濃度ノード２１２と定義する。そして、濃度ノード２１１と濃度２１２の間に物質伝達に伴う物質移動抵抗２１３を、また、流体中の２つの濃度ノード２１１間に流れにともなう物質移動による物質移動抵抗２１４を設定する。物質移動回路網生成部１１４は、仮定値（定常計算の場合）あるいは初期値（過渡計算の場合）を用いて物質移動抵抗２１３，２１４を算出する。または、後述する流体回路網演算処理部１１６の計算結果である流体圧力ノード１９１間の流量および流速、ならびにデータベース処理装置１０５の物質伝達率処理部１３３からの物質伝達率データおよび液体表面濃度ノード２１２が代表する表面積をもとに物質移動抵抗２１４を計算する。過渡計算の場合は、流体の濃度ノード２１１、液表面の濃度ノード２１２それぞれが代表する領域の水分量などの物質量２１５が計算される。
【００４４】
ここで、例えば、液膜１６１の表面積が時間とともに変化する場合、図１１に示した物質移動回路中の物質伝達に伴う物質移動抵抗２１３が変化する。この場合、物質移動回路網生成部１１４が物質伝達に伴う物質移動抵抗２１３を計算する際に、データベース処理装置１０５中のその他のパラメータ処理部１３６からそれを考慮した液膜の表面積を出力させればよい。その他のパラメータ処理部１３６は、関数式・表計算処理装置１０６に記憶された関数式あるいは表により時間の関数として液膜の表面積を計算する。
回路網生成装置で計算されたすべての情報は計算結果表示処理装置１０４に伝達され表示される。
【００４５】
また、回路網生成装置１０２の処理が終了した後、計算された回路網の情報は演算処理装置１０３に伝達される。演算処理装置１０３において、演算処理部１２２の過渡計算処理部１２１は、温度、圧力、電圧、濃度の時間変化を表わす過渡計算を、熱回路網演算処理部１１５、流体回路網演算処理部１１６、電気回路網演算処理部１１７または物質移動回路網演算処理部１１８に実行させる。定常計算処理部１２０は、温度、圧力、電圧、濃度の時間的に一定の定常状態での値を求める計算を、熱回路網演算処理部１１５、流体回路網演算処理部１１６、電気回路網演算処理部１１７または物質移動回路網演算処理部１１８に実行させる。
【００４６】
過渡計算および定常計算のいずれの場合も、回路網演算部１１９の熱回路網演算処理部１１５は、熱回路網中の温度ノード１８１，１８３，１８４に対する熱エネルギ保存の式を表わす連立方程式を解き、各ノードの温度、各ノード間の熱流を算出する。流体回路網演算処理部１１６は、流体回路網中の圧力ノード１９１に対する質量保存の式を表わす連立方程式を解き、各ノードの圧力および各ノード間の流体流量を算出する。電気回路網演算処理部１１７は、電気回路網中の電圧ノード２０１に対する電気エネルギ保存の式を表わす連立方程式を解き、各ノードの電圧および各ノード間の電流を算出する。物質移動回路網演算処理部１１８は、物質回路網中の濃度ノード２１１，２１２に対する質量保存の式を表わす連立方程式を解き、各ノードの濃度および各ノード間の物質移動量を計算する。
【００４７】
このとき、図８に示す熱回路網中の熱抵抗１８２，１８５，１８６、図９に示す流体回路網中の管路抵抗１９２、ファンやポンプによる圧力上昇を表わす電池１９３、図１０に示す電気回路網中の電気抵抗２０２，２０３、図１１に示す物質移動回路網中の物質移動抵抗２１３，２１４は、温度、圧力、電圧、濃度、熱流、流体流量、電流、物質移動量などの変化に応じて変化する。
図１２に示すように、回路網生成装置１０２は、過渡計算を行う場合には、入力された初期値を用いて回路網生成装置１０２の各抵抗の計算を行う（ステップＳＴ１３）。過渡計算を行う場合には、温度、圧力、電圧、濃度、熱流、流体流量、電流、物質移動量の初期値が入力されている（ステップＳＴ１１，ＳＴ１２）。回路網生成装置１０２における具体的な計算過程は、既に説明したとおりである。次いで、演算処理装置１０３中の回路網演算部１１９におけるそれぞれの回路網演算処理部１１５，１１６，１１７，１１８は、既に説明したような計算を行う（ステップＳＴ１４）。次に、時間を１ステップ分増加させる（ステップＳＴ１５）。
【００４８】
時間が所定の最終時間に達していない場合には、回路網生成装置１０２は、１ステップ前の時間の計算値を用いて各抵抗の計算を行い、回路網演算処理部１１５、１１６、１１７、１１８は既に説明したような計算を行う（ステップＳＴ１６，ＳＴ１３，ＳＴ１４）。時間が最終時間に達したら、計算結果表示処理装置１０４の処理に移行する。
【００４９】
定常計算においては、温度、圧力、電圧、濃度、熱流、流体流量、電流、物質移動量の仮定値が入力されている。（ステップＳＴ１１，ＳＴ１２）。回路網生成装置１０２は、仮定された値を使用して各抵抗の計算を行う（ステップＳＴ１３）。演算処理装置１０３中の回路網演算部１１９におけるそれぞれの回路網演算処理部１１５，１１６，１１７，１１８は、既に説明したような計算を行う（ステップＳＴ１８）。具体的な計算過程は、既に説明したとおりである。定常計算処理部１２０は、計算された結果と仮定値との比較を行う（ステップＳＴ１９）。その差が所定の収束判定条件と合っていなければ、温度、圧力、電圧、濃度、熱流、流体流量、電流、物質移動量の計算値を用いて仮定しなおす（ステップＳＴ２０）。回路網生成装置１０２は各抵抗の計算を行い、回路網演算処理部１１５，１１６，１１７，１１８は既に説明したような計算を行う（ステップＳＴ１３，ＳＴ１８）。定常計算処理部１２０は、計算された結果と仮定値との比較を再び行う（ステップＳＴ１９）。その差が所定の収束判定条件と合って段階で、計算結果表示処理装置１０４の処理へ移行する。すなわち、収束計算された温度、圧力、電圧、濃度、熱流、流体流量、電流、物質移動量は、計算結果表示処理装置１０４に送られる。
【００５０】
計算結果表示処理装置１０４は、以下のような処理が行われる。すなわち、計算結果表示処理装置１０４中の計算結果処理部１５３のスカラ処理部１５１およびベクトル処理部１５２には、回路網生成装置１０２から加熱量、熱容量、流体重量、物質量などのスカラ値、熱抵抗、電気抵抗、管路抵抗、物質移動抵抗などのベクトル値が送られ、また演算処理装置１０３からは温度、圧力、電圧、濃度などのスカラ値、熱流、流体流量、電流、物質移動量などのベクトル値が送られる。計算結果表示処理装置１０４は、それらのデータを記憶する。
【００５１】
計算結果表示処理部１５８における変化表示処理部１５４は、計算結果処理部１５３のスカラー処理部１５１に記憶されたスカラ値およびベクトル処理部１５２に記憶されたベクトル値の時間変化あるいは計算の繰返しによる変化を表示装置２に表示する。空間分布表示処理部１５５は、スカラ値あるいはベクトル値の空間変化を表示装置２に表示する。等高線表示処理部１５６は、入力データ処理装置１０１の形状データ記憶部１４５から送られた形状データ上にスカラ値を等高線の形で表示する。そして、ベクトル線表示処理部１５７は、入力データ処理装置１０１の形状データ記憶部１４５から送られた形状データ上にベクトル値を矢印の大小の形で表示する。もちろん等高線とベクトル線が同時に表示されることも可能である。
これらの表示は表示装置２を用いて行なわれるが、外部図形処理装置１４３にも送られ、外部図形処理装置１４３上に表示することも可能である。
以上のようにして、計算結果の表示が行なわれる。
なお、熱抵抗として放射熱伝達がある場合についても、熱伝導による熱抵抗と同様に扱える。
【００５２】
ここでは、熱、流体、電気、物質移動の全ての回路網を使用する場合について説明したが、熱回路網だけを使用することもできる。回路網についての演算を選択的に行える。熱回路網だけを使用すればよい場合には、入力データ処理装置１０１における計算制御条件処理部１４１が熱回路網のみを選択する。そして、計算制御条件処理部１４１は、回路網生成装置１０２に対して熱回路網のみの生成を指示する。その指示に応じて、回路網生成装置１０２および演算処理装置１０３は、熱回路網を用いた処理のみを実行する。その場合には、他の回路網の計算をする経路を通らないため効率的な計算が行われる。同様に、流体回路網についての処理のみを行うこともできる。
【００５３】
また、電気回路網および物質移動回路網についての処理を選択的に追加することもできる。例えば、計算制御条件処理部１４１は、入力装置１からの指示に応じて、熱、流体、電気の回路網を選択する。そして、計算制御条件処理部１４１は、回路網生成装置１０２に対して熱回路網、流体回路網および電気回路網の生成を指示する。その指示に応じて、回路網生成装置１０２は、熱回路網、流体回路網および電気回路網を生成する。また、演算処理装置において、熱回路網演算処理部１１５、流体回路網演算処理部１１６および電気回路網演算処理部１１７のみが起動される。同様に、計算制御条件処理部１４１が、熱、流体、物質移動の回路網を選択した場合には、回路網生成装置１０２は、熱回路網、流体回路網および物質移動回路網を生成する。そして、演算処理装置において、熱回路網演算処理部１１５、流体回路網演算処理部１１６および物質移動回路網演算処理部１１８のみが起動される。さらに、電気回路網または物質移動回路網のみについての処理を選択することもできる。
【００５４】
以上の説明においては、演算処理装置１０３の定常計算および過渡計算における回路網演算において、すでにシステムに内蔵されている計算手法を使用する場合について述べた。しかし、計算法として、回路網の特性に合った手法を用いると計算時間の短縮や精度の向上がはかれる。図１３はそのためのシステムの一構成例を示したものである。図１３において、２３１は演算手法選択・処理装置であり、図１４に示すように、オイラー陽解法計算処理部２４１、オイラー陰解法計算処理部２４２、ルンゲクッタ法計算処理部２４３、セミインプリシット−ルンゲクッタ法計算処理部２４４、および外部入力による計算手法処理部２４５から構成されている。システムにおけるその他の装置は図１に示すものと同様のものである。
【００５５】
オイラー陽解法、オイラー陰解法、ルンゲクッタ法、セミインプリシット−ルンゲクッタ法は、それぞれ、回路網の時間変化計算を行なう数値積分の手法である。オイラー陽解法、オイラー陰解法、ルンゲクッタ法、セミインプリシット−ルンゲクッタ法の順で計算精度はよいが、その順で図１２に示した１回の時間ステップに要する時間が長くかかるという特性を持っている。
【００５６】
回路網中の熱抵抗などの抵抗Ｒと熱容量などの容量Ｃとの積ＲＣはその系の時間変化の速さを表わす時定数τとなる。回路網中の抵抗Ｒと、抵抗Ｒに接続された各ノードが持つ容量Ｃとの積のそれぞれのうち、最小のものを最小時定数τmin と考える。すると、オイラー陽解法およびルンゲクッタ法では、計算の際の時間ステップ幅Δｔと最小時定数τmin の比Δｔ／τmin が０．５より大きいと、計算が発散して正確な解が得られないという特性をもつ。すなわち、オイラー陽解法やルンゲクッタ法は計算速度は速いものの、最小時定数τmin が小さい回路網を解く場合には時間ステップ幅Δｔを小さくする必要がある。よって、（計算の最終時間−初期時間）／（時間ステップ幅Δｔ）で与えられる計算のステップ数（くり返し回数）が多くなるという特性を持っている。また、逆にオイラー陰解法やセミインプリシット−ルンゲクッタ法は、１ステップの計算に要する時間はかかるものの、時間ステップ幅Δｔを大きくとっても、解は発散せず安定な解が得られるという特性をもっている。
【００５７】
図１３，図１４に示すように、演算手法選択・処理装置２３１は入力データ処理装置１０１および演算処理装置１０３に接続されている。入力データ処理装置において、システム利用者の指令により例えばルンゲクッタ法を使用して計算するよう指定された場合は、演算処理装置１０３の演算に代えて、演算手法選択・処理装置２３１中のルンゲクッタ法計算処理部２４３内の計算法による計算が行なわれる。そして、その結果が演算処理装置１０３に渡される。
【００５８】
また、入力データ処理装置１０１に新たな計算手法が入力された場合には、演算手法選択・処理装置２３１中の外部入力による計算手法処理部２４５にその計算方法が記憶される。そして、その計算方法による計算が指令されると、演算手法選択・処理装置２３１中の外部入力による計算手法処理部２４５で計算が行なわれ、その結果が演算処理装置１０３に渡される。
【００５９】
入力データ処理装置１０１において、どの計算手法を使用するか指定されず、最大ステップ数Ｎmax が指定された場合等には、演算処理装置１０３が自動的に計算方法を決定する。最大ステップ数Ｎmax が指定された場合、演算処理装置１０３は、計算の時間ステップ幅Δｔを（計算の最終時間−初期時間）／（Ｎmax ）の式から計算する。計算された時間ステップ幅Δｔと最小時定数τmin との比が０．５より小さい場合には、解は発散しないため、計算時間が短くてすむルンゲクッタ法を選択する。また、時間ステップ幅Δｔと最小時定数τmin との比が０．５より大きい場合には、この条件で解が発散しないセミインプリシット−ルンゲクッタ法を選択する。このようにして、指定された最大ステップ数Ｎmax の範囲内で計算に要する時間が短くしかも精度のよい計算が可能となる。
【００６０】
以上の説明においては、図４に示す入力データ処理装置１０１において、計算対象である機器の外形情報から回路網のモデルへの変換が、形状データ処理部１４４、形状データ記憶部１４５、および回路網データ処理部１４６での一連の処理により行われた。ここでは、システム利用者が独自に回路網モデルを図形的に入力することにより、より精度の高い計算が簡便に行われるようにした例を示す。
【００６１】
図１５および図１６において、２５１は入力装置１、外部図形処理装置１４３、計算結果表示処理装置１０４および計算制御条件処理部１４１に接続された回路網図形処理装置である。回路網図形処理装置２５１は、基本モデル処理部２６１、要素モデル処理部２６２、回路網モデル処理部２６３および回路網図形上表示処理部２６４から構成されている。システムにおけるその他の装置は図１または図１３に示す各装置と同様のものである。
【００６２】
以下、回路網図形処理装置２５１における回路網作成の手順について説明する。回路網図形処理装置２５１は、外部図形処理装置１４３から図６に示すような計算対象である機器の形状を取り込む。あるいは入力装置１を介してシステム利用者から形状の入力を受ける。このとき、この入力図形から機器の寸法を読みとることはしない。よって、入力される機器形状は、必ずしも実際の機器と同じサイズもしくは相似的な形状である必要はなく、概略形状でよい。その後、例えば熱回路網演算を行うのであれば、回路網図形処理装置２５１の基本モデル処理部２６１は、図１７に示すように、基本となるいくつかの抵抗を表わす基本モデルを作成する。例えば、図１７（Ａ），（Ｂ）は、熱伝導による熱抵抗１８２の基本モデル２７１の例を表わしている。図１７（Ｃ）は、熱伝達による熱抵抗１８５の基本モデル２７２の例を表わしている。図１７（Ｄ）は、流体間の流れによる熱抵抗１８６の基本モデル２７３を表わしている。また、図中、ａ，ｂ，ｃ，・・・などで表わされた基本モデルの寸法から熱抵抗１８２、１８５、１８６を計算するための計算式も入力される。
【００６３】
次に、回路網図形処理装置２５１の要素モデル処理部２６２は、基本モデル２７１，２７２，２７３を組み合わせた要素モデルを作成する。例えば、図１８（Ａ）に示すような金属板２１の要素モデル２８１、図１８（Ｂ）に示すような液膜１６１の要素モデル２８２、図１８（Ｃ）に示すようなダクト内空気２７の要素モデル２８３を作成する。この要素モデルに対して、機器の各要素の寸法、例えば金属板２１の長さＡ、厚みＢ、液膜１６１の長さＣ、厚みＤ、ダクト２５の長さＥ、厚みＦなどが入力され、基本モデルで指定された寸法ａ，ｂ，ｃ，・・・をこれらの機器の寸法から求める式も同時に入力される。
【００６４】
さらに、回路網図形処理装置２５１の回路網モデル処理部２６３は、要素モデル２８１，２８２，２８３の組合せにより図８に示した熱回路網を作成する。以上のようにして回路網図形処理装置２５１が作成した回路網情報は、計算制御条件処理部１４１および入力データ処理部１４２を通して回路網生成装置１０２に供給される。回路網生成装置１０２は、その回路網情報を記憶する。
【００６５】
その後、既に説明した手順で計算がなされる。ここでは、回路網生成装置１０２による熱抵抗計算において、回路網図形処理装置２５１が作成した熱抵抗計算式が使用される。そして、計算結果は、計算結果表示処理装置１０４から回路網図形処理装置２５１の回路網図形上表示処理部２６４に渡される。回路網図形上表示処理部２６４は、図１９に示すような回路網図上に温度２９１や熱流２９２が記入されたものを表示する。以上のようにして、システム利用者が問題に適した回路網を自由に設定でき、また、その回路網上に計算結果が表示されるので、より精度のよい計算がなされ、また計算結果の評価も行い易いなどの利点が得られる。また、要素モデル２８１、２８２、２８３の指定寸法Ａ、Ｂ、Ｃ・・・を変更するだけで形状の変更ができるので、形状を変更した場合の計算も簡便に行うことができる。
【００６６】
なお、ここでは、熱回路網の場合を例にとって説明したが、流体回路網、電気回路網、物質移動回路網の場合も同様に行うことができる。
【００６７】
実施の形態２．
実施の形態１では熱流体ＣＡＥシステムを用いて計算を行う場合について示したが、本ＣＡＥシステムにより、外部機器の温度や湿度、流体流量などを制御することも可能である。
【００６８】
そのような制御を行う場合のシステム構成を図２０および図２１に示す。図２０において、３０１は温度や湿度、流体流量などの制御を必要としている外部機器である。外部機器３０１は、熱流体ＣＡＥシステムにおける入力処理データ処理装置１０１および計算結果表示処理装置１０４に接続されている。図２１に示すように、計算結果表示処理装置１０４には、本ＣＡＥシステムの計算結果を用いて外部機器の制御するための制御式を記憶しかつ計算する外部機器制御処理部３１１が設けられている。外部機器制御処理部３１１は、入力データ処理装置１０１および外部機器３０１に接続されている。なお、図２０および図２１には明示されていないが、演算手法選択・処理装置２３１や回路網図形処理装置２５１を設けることもできる。
【００６９】
例えば、制御を必要としている外部機器３０１として、図６に示した機器を例にとる。そして、ファン２６から排出された空気２７の温度を制御する場合を例にとって説明する。まず、入力データ処理装置１０１を通して、計算結果表示処理装置１０４の外部機器制御処理部３１１に、外部機器の温度を本ＣＡＥシステムでの計算値を用いて所定の値に制御するための制御式が入力される。外部機器制御処理部３１１は、その制御式を記憶する。
【００７０】
外部機器３０１の温度をモニタしている熱電対、湿度をモニタしている湿度センサ、風量をモニタしている風量計および電源の電圧をモニタしている電圧計からの信号が、境界条件として、入力データ処理装置１０１に伝えられる。これらの境界条件を使用して、実施の形態１に示したように、熱回路網、流体回路網、電気回路網、物質移動回路網を用いた計算が実行される。計算によって、１ステップΔｔ後の時間の温度および湿度の値が予測されることになる。
【００７１】
演算処理装置１０３は、演算結果すなわち予測結果を計算結果表示処理装置１０４に伝える。計算結果表示処理装置１０４は、結果を表示装置２に表示するとともに、外部機器制御処理部３１１に伝える。外部機器制御処理部３１１は、前もって入力し記憶していた外部機器の温度を制御するための制御式を用いて、例えば、外部機器３０１の電圧をどのように制御するかを計算する。外部機器制御処理部３１１は、計算結果に従って外部機器３０１の電圧を制御する。電圧制御によって温度が制御される。以上のようにして、外部機器３０１の温度を予測しながら制御することが可能となるので、精度のよい制御が可能となる。
なお、ここでは、外部機器３０１の温度を制御する場合について示したが、同様にして、外部機器３０１内の圧力、風量、湿度などを制御することもできる。
【００７２】
実施の形態３．
実施の形態１では回路網法を用いた熱流体ＣＡＥシステムで計算を行う場合について示したが、回路網法以外の手法を使用した熱流体ＣＡＥシステムと併用することもできる。その場合には、それぞれの特徴を生かしたより精度の高い熱流体ＣＡＥシステムが得られる。そのように構成したシステムを図２２に示す。図２２において、３２１は、例えば、有限要素法、差分法、有限体積法などを使用して、流体の質量保存、エネルギ保存を表す方程式および運動量保存を表すナビエ−ストークス方程式を解く熱流体数値解析装置である。熱流体数値解析装置３２１は、入力データ処理装置１０１、演算処理部１０３および計算結果表示処理装置１０４と接続されている。なお、図２２には明示されていないが、演算手法選択・処理装置２３１や回路網図形処理装置２５１を設けることもできる。
【００７３】
例えば、図２３に示すように、ダクト２５中に置かれた物体３３１の周りに生じる渦３３２などの流体の微小部分の温度や流れの状況を計算する場合について説明する。以下、このように流体の微小部分の温度や流れの状況を計算することを、熱流体数値解析を行うという。図２４に示すように、入力データ処理装置１０１の回路網演算処理部１４６で機器全体が小エリアに分割される。ただし、熱流体数値解析装置３２１による処理が選択された場合には、物体３３１の周囲部で渦３３２などの流体の微小部分の流れの状況を計算する部分、すなわち熱流体数値解析を行うエリア３４１を、例えば有限体積法などに適するように、回路網法の部分に比べて、細かく細分化する。そして、エリア情報が熱流体数値解析装置３２１に送られる。
【００７４】
その後、図２５に示すように、過渡計算を行う場合は、まず、入力された初期値を用いて、回路網生成装置１０２が生成した回路網における各抵抗の計算を行う（ステップＳＴ３１，ＳＴ３２，ＳＴ３３）。具体的な計算過程は、既に説明したとおりである。続いて、演算処理装置１０３中の回路網演算部１１９におけるそれぞれの回路網演算処理部１１５，１１６，１１７，１１８は、既に説明したような計算を行う（ステップＳＴ３４）。計算結果は熱流体数値解析装置３２１に伝達される。
【００７５】
熱流体数値解析装置３２１は、回路網演算による計算結果、例えばファン２６により駆動されて流入する風量を境界条件として、物体３３１周囲の流体中の微細な流れを計算する（ステップＳＴ３５）。次に時間を１ステップ分増加させる（ステップＳＴ３６）。時間が所定の最終時間に達していない場合には、回路網生成装置１０２が１ステップ前の時間の計算値を用いて各抵抗の計算を行い（ステップＳＴ３３）、回路網演算部１１９が演算処理を行う（ステップＳＴ３４）。そして、熱流体数値解析装置３２１が流体中の微細な流れを計算する（ステップＳＴ３５）。時間が最終時間に達すると、計算結果表示処理装置１０４の処理に移行する。
【００７６】
以上のようにして、物体３３１周囲の流れが、回路網についての計算の結果得られる熱、流体、電気、物質移動による変化を考慮して計算され、かつ全体の流量と同時に物体回りの微小な流れの状況が同時に計算される。よって、より精度がよく効率的な計算が可能になる。
【００７７】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、機器の形状データから回路網図を作成し、その回路網図を用いて回路網に関する情報を作成するとともに、その回路網の抵抗値を計算する際に使用する抵抗計算式と機器の寸法の入力を受け付けて、その回路網に関する情報、その抵抗計算式及び機器の寸法を回路網生成装置に供給するように構成しているので、システム利用者が問題に適した回路網を自由に設定でき、精度のよい計算ができるものが得られる効果がある。また、形状の変更も簡便に行うことができる効果がある。
【００７８】
この発明によれば、熱流体ＣＡＥシステムが、回路網図上に演算結果を表示する構成になっているので、演算結果の評価が行い易いものが得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１による熱流体ＣＡＥシステムの構成を示すシステム構成図である。
【図２】 回路網生成装置および演算処理装置の詳細構成を示す構成図である。
【図３】 データベース処理装置の詳細構成を示す構成図である。
【図４】 入力データ処理装置の詳細構成を示す構成図である。
【図５】 計算結果表示処理装置の詳細構成を示す構成図である。
【図６】 ＣＡＥの対象機器の一例を示す説明図である。
【図７】 対象機器のエリア分割を説明するための説明図である。
【図８】 熱回路網の一例を示す説明図である。
【図９】 流体回路網の一例を示す説明図である。
【図１０】 電気回路網の一例を示す説明図である。
【図１１】 物質移動回路網の一例を示す説明図である。
【図１２】 この発明の実施の形態１による熱流体ＣＡＥシステムの処理の流れを示すフローチャートである。
【図１３】 この発明の実施の形態１による熱流体ＣＡＥシステムの構成を示すシステム構成図である。
【図１４】 計算手法選択処理装置の詳細構成を示す構成図である。
【図１５】 この発明の実施の形態１における入力データ処理装置の詳細構成を示す構成図である。
【図１６】 この発明の実施の形態１における回路網図形処理装置の詳細構成を示す構成図である。
【図１７】 この発明の実施の形態１における基本モデルを説明するための説明図である。
【図１８】 この発明の実施の形態１における要素モデルを説明するための説明図である。
【図１９】 この発明の実施の形態１による熱流体ＣＡＥシステムにおける表示例を示す説明図である。
【図２０】 この発明の実施の形態２による熱流体ＣＡＥシステムの構成を示すシステム構成図である。
【図２１】 この発明の実施の形態２における計算結果表示処理装置の詳細構成を示す構成図である。
【図２２】 この発明の実施の形態３による熱流体ＣＡＥシステムの構成を示すシステム構成図である。
【図２３】 この発明の実施の形態３における演算を説明するための説明図である。
【図２４】 この発明の実施の形態３におけるエリア分割を説明するための説明図である。
【図２５】 この発明の実施の形態３による熱流体ＣＡＥシステムの処理の流れを示すフローチャートである。
【図２６】 従来の熱流体ＣＡＥシステムの構成を示すシステム構成図である。
【図２７】 従来の熱流体ＣＡＥシステムによる演算を説明するための説明図である。
【図２８】 従来の熱流体ＣＡＥシステムの処理の流れを示すフローチャートである。
【図２９】 従来の熱流体ＣＡＥシステムにおける対象機器の小エリア分割を説明するための説明図である。
【図３０】 従来の熱流体ＣＡＥシステムによる流体回路網の一例を示す説明図である。
【図３１】 従来の熱流体ＣＡＥシステムによる熱回路網の一例を示す説明図である。
【図３２】 従来の熱流体ＣＡＥシステムによる表示例を示す等温線図である。
【符号の説明】
１０１ 入力データ処理装置、１０２ 回路網生成装置、１０３ 演算処理装置、１０４ 計算結果表示処理装置、１０５ データベース処理装置、１０６ 関数式・表計算処理装置、１４１ 計算制御条件処理部、２３１ 演算手法選択・処理装置、２５１ 回路網図形処理装置、２６４ 回路網図形上表示処理部、３１１ 外部機器制御処理部、３２１ 熱流体数値解析装置。
Claims (2)
- 熱流体解析の対象となる機器の形状データの入力を受け付けて、その機器の形状データをエリア分割してノードを生成するとともに、その熱流体解析の計算制御条件の設定を受け付ける入力データ処理装置と、前記入力データ処理装置により受け付けられた計算制御条件および前記ノードに応じて、前記機器に対する回路網を生成する回路網生成装置と、前記回路網生成装置により生成された回路網を対象に物理量を演算する演算処理装置と、前記演算処理装置の演算結果を表示する処理を行う計算結果表示処理装置とを備えた熱流体ＣＡＥシステムにおいて、前記入力データ処理装置は、前記機器の形状データから回路網図を作成し、その回路網図を用いて回路網に関する情報を作成するとともに、その回路網の抵抗値を計算する際に使用する抵抗計算式と前記機器の寸法の入力を受け付けて、その回路網に関する情報、前記抵抗計算式及び前記機器の寸法を回路網生成装置に供給する回路網図形処理装置を備え、前記回路網生成装置は、前記回路網図形処理装置から供給された回路網に関する情報、抵抗計算式及び機器の寸法から抵抗値を計算し、その回路網に関する情報と前記抵抗値から回路網を生成することを特徴とする熱流体ＣＡＥシステム。
- 回路網図形処理装置が作成した回路網図上に演算結果を表示する回路網図形上表示処理部を備えたことを特徴とする請求項１記載の熱流体ＣＡＥシステム。
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