JP5096537B2 - 吹出気流分布シミュレーション方法及び吹出気流分布シミュレーションプログラム - Google Patents

Description

本発明は、アネモスタット型吹出口からの吹出気流分布を予測する直交格子系の吹出気流分布シミュレーション方法及び吹出気流分布シミュレーションプログラムに関する。

一般に、建物の室内の温熱環境や空気環境を検討する際、吹出口からの吹出気流分布をシミュレーションする必要がある。従来のこの種のシミュレーション方法としては、例えば、数値流体力学（ＣＦＤ：Computational Fluid Dynamics）解析を利用したアネモスタット型吹出口からの吹出気流分布のシミュレーション方法などが知られている（非特許文献１，２，３，４参照）。

ＣＦＤにおけるアネモスタット型吹出口のモデリング手法に関する研究（その１）等温場における吹出口周辺流れ場の実験および非構造格子系ＣＦＤ解析：空気調和・衛生工学会学術講演会論文集{2001.9.26〜28（京都）} ＣＦＤにおけるアネモスタット型吹出口のモデリング手法に関する研究（その２）ＢＯＸ法とＰ．Ｖ．法を適用した場合の構造格子系ＣＦＤ解析：空気調和・衛生工学会学術講演会論文集{2001.9.26〜28（京都）} 数値流体力学ＣＦＤの室内環境への応用（２）ＣＦＤ解析の基礎（その１）基礎方程式：空気調和・衛生工学第７１巻第７号 数値流体力学ＣＦＤの室内環境への応用（２）ＣＦＤ解析の基礎（その２）基礎方程式：空気調和・衛生工学第７１巻第７号

しかしながら、上記した従来の吹出気流分布シミュレーション方法では、各アネモスタット型吹出口の大きさや吹出方法及び吹出風量に対して実験を行った上でシミュレーションに使用する吹出口を決定する必要があった。また、吹出口近傍の空気の部分に仮想の風速設定領域を設定し、実験で測定したその領域の風速を入力条件として吹出気流を再現しているため、吹出風速を決定するためには、吹出口の寸法や吹出風量についてそれぞれ実験を行う必要があった。さらに、冷房モードと暖房モードで吹出方向が異なるごとに新たに吹出口形状をシミュレーション上で設定する必要もあった。このように、従来の吹出気流分布シミュレーション方法は、シミュレーションや入力作業において工数が多く、シミュレーション結果を得るまでに時間が掛かると共に、入力ミス等の人為ミスが発生し易いといった問題があった。

また、従来の吹出気流分布シミュレーション方法では、冷房モード時に吹出口からの法線方向の吹出風速のみを使用しているため、実際の気流分布を再現することが難しいといった問題もあった。

本発明は、上記した課題を解決すべくなされたものであり、シミュレーションや入力作業の工数の削減やシミュレーション結果を得るまでの時間の短縮化を図ることができると共に入力ミス等の人為ミスの発生を防止することができ、実際の気流分布を容易に再現することが可能な吹出気流分布シミュレーション方法及び吹出気流分布シミュレーションプログラムを提供することを目的とするものである。

本発明は、アネモスタット型吹出口からの吹出気流分布を予測する直交格子系の吹出気流分布シミュレーション方法であって、９個以上の複数に分割されて作成された格子のうち外周部分の格子についてそれぞれ水平方向の法線風向成分と水平方向の外向き接線風向成分とを設定すると共に、前記すべての格子について鉛直方向の下向き風向成分を設定することにより、シミュレーション用吹出口を設定するシミュレーション用吹出口設定ステップと、前記アネモスタット型吹出口の全吹出風量を所定割合に按分することにより、前記シミュレーション用吹出口の水平方向の吹出風量と鉛直方向の吹出風量とをそれぞれ設定する吹出風量設定ステップと、該吹出風量設定ステップにおいて設定された前記水平方向の吹出風量に、前記外周部分の格子の外周側両格子点が成す中心角の周角に対する比率を乗じて算出した風量を前記格子の面積で除することにより、前記シミュレーション用吹出口の水平法線方向の吹出風速を設定する水平法線方向吹出風速設定ステップと、前記外周部分の格子の外周側両格子点間の中心点と前記シミュレーション用吹出口の中心とを結ぶ線が該中心を通り且つ前記外周側両格子点を結ぶ線と直交する中心線と成す傾斜角の正弦関数に、水平法線方向吹出風速設定ステップにおいて設定された水平法線方向の吹出風速を乗じることにより、水平接線方向の吹出風速を設定する水平接線方向吹出風速設定ステップと、前記吹出風量設定ステップにおいて設定された前記シミュレーション用吹出口の鉛直方向の吹出風量を、前記アネモスタット型吹出口のネック径から算出したネック面積で除することにより、前記シミュレーション用吹出口の鉛直方向の吹出風速を設定する鉛直方向吹出風速設定ステップと、前記吹出風量設定ステップにおいて設定された前記シミュレーション用吹出口の水平方向の吹出風量及び鉛直方向の吹出風量と、前記水平法線方向吹出風速設定ステップにおいて設定された前記シミュレーション用吹出口の水平法線方向の吹出風速と、前記水平接線方向吹出風速設定ステップにおいて設定された前記シミュレーション用吹出口の水平接線方向の吹出風速と、前記鉛直方向吹出風速設定ステップにおいて設定された鉛直方向の吹出風速とに基づき、前記アネモスタット型吹出口からの吹出気流分布を数値流体力学解析する吹出気流解析ステップと、を備えていることを特徴とする。

また、本発明に係る吹出気流分布シミュレーション方法では、３以上の二乗に分割されて前記格子が作成されるのが好ましい。

さらに、本発明に係る吹出気流分布シミュレーション方法において、前記吹出風量設定ステップは、前記アネモスタット型吹出口の全吹出風量の３／４〜４／５の風量を前記シミュレーション用吹出口の前記水平方向の吹出風量に設定し、残りの風量を前記鉛直方向の吹出風量に設定するのが好ましい。

また、本発明は、上記した吹出気流分布シミュレーション方法をコンピュータに実行させるための吹出気流分布シミュレーションプログラムである。

本発明によれば、シミュレーションや入力作業の工数の削減やシミュレーション結果を得るまでの時間の短縮化を図ることができると共に入力ミス等の人為ミスの発生を防止することができ、実際の気流分布を容易に再現することが可能となる。

本発明の実施の形態に係る吹出気流分布シミュレーション方法を実施するために使用されるコンピュータシステムのハードウェアの構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態に係る吹出気流分布シミュレーション方法を実行する吹出気流分布シミュレーションシステムのソフトウェアの構成を示す機能ブロック図である。 本実施の形態に係る吹出気流分布シミュレーション方法の流れを示すフローチャートである。 本実施の形態に係る吹出気流分布シミュレーション方法において使用するアネモスタット型吹出口のシミュレーション用吹出口を示す平面図である。 本実施の形態に係る吹出気流分布シミュレーション方法において使用するアネモスタット型吹出口のシミュレーション用吹出口を示す側面図である。 本実施の形態に係る吹出気流分布シミュレーション方法において、外周部分の各格子に水平方向の法線風向成分と水平方向の外向き接線風向成分とを設定したアネモスタット型吹出口のシミュレーション用吹出口を示す平面図である。 本実施の形態に係る吹出気流分布シミュレーション方法において、すべての格子に鉛直方向の下向き風向成分を設定したアネモスタット型吹出口のシミュレーション用吹出口を示す平面図である。 本実施の形態に係る吹出気流分布シミュレーション方法において、外周部分の各格子に水平法線方向の吹出風速を設定する時に使用する中心角を示す平面図である。 本実施の形態に係る吹出気流分布シミュレーション方法において、外周部分の各格子に水平接線方向の吹出風速を設定する時に使用する傾斜角を示す平面図である。 本実施の形態に係る吹出気流分布シミュレーション方法において、シミュレーション用吹出口を４の二乗の格子に分割した場合の風量と風速の設定例を示す図である。 本実施の形態に係る吹出気流分布シミュレーション方法において、シミュレーション用吹出口を４の二乗の格子に分割した場合の水平方向の吹出気流分布のシミュレーション結果を示す平面図である。 本実施の形態に係る吹出気流分布シミュレーション方法において、シミュレーション用吹出口を４の二乗の格子に分割した場合の鉛直方向の吹出気流分布のシミュレーション結果を示す平面図である。 本実施の形態に係る吹出気流分布シミュレーション方法において、シミュレーション用吹出口を３の二乗の格子に分割した場合の風量と風速の設定例を示す図である。 本実施の形態に係る吹出気流分布シミュレーション方法において、シミュレーション用吹出口を３の二乗の格子に分割した場合の水平方向の吹出気流分布のシミュレーション結果を示す平面図である。 本実施の形態に係る吹出気流分布シミュレーション方法において、シミュレーション用吹出口を３の二乗の格子に分割した場合の鉛直方向の吹出気流分布のシミュレーション結果を示す平面図である。 本実施の形態に係る吹出気流分布シミュレーション方法において、シミュレーション用吹出口を８の二乗の格子に分割した場合の風量と風速の設定例を示す図である。 本実施の形態に係る吹出気流分布シミュレーション方法において、シミュレーション用吹出口を８の二乗の格子に分割した場合の水平方向の吹出気流分布のシミュレーション結果を示す平面図である。 本実施の形態に係る吹出気流分布シミュレーション方法において、シミュレーション用吹出口を８の二乗の格子に分割した場合の鉛直方向の吹出気流分布のシミュレーション結果を示す平面図である。 本実施の形態に係る吹出気流分布シミュレーション方法において、シミュレーション用吹出口を１６の二乗の格子に分割した場合の風量と風速の設定例を示す図である。 本実施の形態に係る吹出気流分布シミュレーション方法において、シミュレーション用吹出口を１６の二乗の格子に分割した場合の水平方向の吹出気流分布のシミュレーション結果を示す平面図である。 本実施の形態に係る吹出気流分布シミュレーション方法において、シミュレーション用吹出口を１６の二乗の格子に分割した場合の鉛直方向の吹出気流分布のシミュレーション結果を示す平面図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。

図１は本発明の実施の形態に係る吹出気流分布シミュレーション方法を実施するために使用されるコンピュータシステムのハードウェアの構成を示すブロック図であり、このコンピュータシステムは、該コンピュータシステムの各構成手段を制御するためのＣＰＵ（Central Processing Unit）１と、各種データやプログラムを一時的に記憶するためのメモリ２と、ＣＰＵ１が実行する制御プログラムを格納するためのハードディスク３と、液晶表示装置等のディスプレイ４と、マウスやキーボード等の入力装置５とがそれぞれバス６を介して接続されて構成されている。そして、このコンピュータシステムは、吹出気流分布シミュレーションプログラムがインストールされることにより、吹出気流分布シミュレーションシステムとして機能し、数値流体力学（ＣＦＤ）解析によって丸型のアネモスタット型吹出口からの吹出気流分布を予測する直交格子系の吹出気流分布シミュレーション方法を実行するようになっている。

図２は本発明の実施の形態に係る吹出気流分布シミュレーション方法を実行する吹出気流分布シミュレーションシステムのソフトウェアの構成を示す機能ブロック図であり、この吹出気流分布シミュレーションシステムは、吹出口設定部７と、吹出風量設定部８と、水平法線方向吹出風速設定部９と、水平接線方向吹出風速設定部１０と、鉛直方向吹出風速設定部１１と、吹出気流解析部１２とから構成されている。

次に、本発明の実施の形態に係る吹出気流分布シミュレーション方法について説明する。なお、以下の説明では、シミュレーション用吹出口を４の二乗（４×４＝１６個）の格子（メッシュ）に分割した場合について例示して説明する。

図３は本実施の形態に係る吹出気流分布シミュレーション方法の流れを示すフローチャートである。先ず、ステップ１０において、吹出気流分布シミュレーションを実行する丸型のアネモスタット型吹出口のネック径Ｌの大きさ（ｍ）と、丸型のアネモ型吹出口からの吹出風量Ｑ（ｍ^３／ｈ）と、格子の数（４×４＝１６個）が入力されると、次のステップ２０において、吹出口設定部７はシミュレーション用吹出口１３の構成を設定する。なお、前記ネック径Ｌは、手入力だけでなくＣＡＤデータをそのまま使用することもあるため、ネック面積に等しい面積となる長さと実際のネック径に等しい長さとの間の長さを含むものとする。

具体的には、図４及び図５に示すように、吹出設定部７は、シミュレーション用吹出口１３を１６個（４×４個）の直方体形状（１辺がＬ／４で高さがＬ／４）の格子１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆ，１３ｇ，１３ｈ，１３ｉ，１３ｊ，１３ｋ，１３ｌ，１３ｍ，１３ｎ，１３ｏ，１３ｐに分割する。そして、図６及び図７に示すように、これらの格子１３ａ〜１３ｐのうち外周部分の格子１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆ，１３ｇ，１３ｈ，１３ｉ，１３ｊ，１３ｋ，１３ｌについてそれぞれ水平方向の法線風向成分ｎと水平方向の外向き接線風向成分ｘとを設定すると共に、すべての格子１３ａ〜１３ｐについて鉛直方向の下向き風向成分ｚを設定する。

次のステップ３０では、吹出風量設定部８が、前記ステップ１０において入力されたアネモスタット型吹出口の全吹出風量Ｑを所定割合に按分してシミュレーション用吹出口１３の水平方向の吹出風量Ｑｎ（ｍ^３／ｈ）と鉛直方向の吹出風量Ｑｚ（ｍ^３／ｈ）とをそれぞれ設定する。

具体的には、吹出風量設定部８は、前記アネモスタット型吹出口の全吹出風量Ｑ（ｍ^３／ｈ）の３／４〜４／５の風量をシミュレーション用吹出口１３の水平方向の吹出風量Ｑｎ（ｍ^３／ｈ）に設定し、残りの風量を鉛直方向の吹出風量Ｑｚ（ｍ^３／ｈ）に設定する。

次のステップ４０では、次式（１）に従って、水平法線方向吹出風速設定部９が、前記ステップ３０において設定された水平方向の吹出風量Ｑｎに、図８に示すように、外周部分の格子１３ａ〜１３ｌの外周側両格子点Ａ，Ａが成す中心角θ°（図８のθ_１°，θ_２°）の周角３６０°に対する比率（θ／３６０）を乗じて算出した風量を格子の面積Ａ（ｍ^２）で除することにより、シミュレーション用吹出口１３の水平法線方向の吹出風速Ｖｎ（ｍ／ｓ）を設定する。

また、次のステップ５０では、次式（２）に従って、水平接線方向吹出風速設定部１０が、図９に示すように、外周部分の格子１３ａ〜１３ｌの外周側両格子点Ａ，Ａ間の中心点Ｂとシミュレーション用吹出口１３の中心Ｃとを結ぶ線が、該中心Ｃを通り且つ外周側両格子点Ａ，Ａを結ぶ線と直交する中心線ＣＬと成す傾斜角α°（図９のα_１°，α_２°）の正弦関数に、前記ステップ４０において設定されたシミュレーション用吹出口１３の水平法線方向の吹出風速Ｖｎ（ｍ／ｓ）を乗じることにより、水平接線方向の吹出風速Ｖｘ（ｍ／ｓ）を設定する。

さらに、次のステップ６０では、次式（３）に従って、鉛直方向吹出風速設定部１１が、前記ステップ３０において設定されたシミュレーション用吹出口１３の鉛直方向の吹出風量Ｑｚ（ｍ^３／ｈ）を、前記ネック径Ｌを平方することにより算出したネック面積で除することにより、シミュレーション用吹出口１３の鉛直方向の吹出風速Ｖｘ（ｍ／ｓ）を設定する。

次のステップ７０では、前記ステップ３０において設定されたシミュレーション用吹出口１３の水平方向の吹出風量Ｑｎ（ｍ^３／ｈ）及び鉛直方向の吹出風量Ｑｚ（ｍ^３／ｈ）と、前記ステップ４０において設定された水平法線方向の吹出風速Ｖｎ（ｍ／ｓ）と、前記ステップ５０において設定された水平接線方向の吹出風速（ｍ／ｓ）と、前記ステップ６０において設定された鉛直方向の吹出風速（ｍ／ｓ）とに基づき、数値流体力学（ＣＦＤ）解析を行って前記アネモスタット型吹出口からの吹出気流分布を解析する。なお、この場合の数値流体力学（ＣＦＤ）解析は、例えば上記した非特許文献３又は４等に記載されている公知の解析手法を利用して行うため、ここでの詳細な説明は省略する。

図１０は、上記した実施の形態に係る吹出気流分布シミュレーション方法において、前記アネモスタット型吹出口の全吹出風量Ｑ（ｍ^３／ｈ）の３／４の風量をシミュレーション用吹出口１３の水平方向の吹出風量Ｑｎ（ｍ^３／ｈ）に設定し、残りの１／４の風量を鉛直方向の吹出風量Ｑｚ（ｍ^３／ｈ）に設定した時の風量と風速の設定例を示しており、図１１はその時の水平方向の吹出気流分布のシミュレーション結果を示す平面図、図１２はその時の鉛直方向の吹出気流分布のシミュレーション結果を示す平面図である。

また、図１３〜図２１は、全吹出風量Ｑ（ｍ^３／ｈ）の３／４の風量をシミュレーション用吹出口１３の水平方向の吹出風量Ｑｎ（ｍ^３／ｈ）に設定し、残りの１／４の風量を鉛直方向の吹出風量Ｑｚ（ｍ^３／ｈ）に設定した状態で、格子の分割数を３の二乗（３×３＝９個）、８の二乗（８×８＝６４個）、１６の二乗（１６×１６＝２５６個）と変化させた時の風量と風速の設定例（図１３，１６，１９）と、その時の水平方向の吹出気流分布のシミュレーション結果を示す平面図（図１４，１７，２０）、及び鉛直方向の吹出気流分布のシミュレーション結果を示す平面図（図１５，１８，２１）である。

なお、図１１，１２，１４，１５，１７，１８，２０，２１において、実線部分は残風速０．２５ｍ／ｓ時の気流分布を示し、一点鎖線部分は残風速０．５ｍ／ｓ時の気流分布を示し、破線部分は残風速０．７５ｍ／ｓ時の気流分布を示している。

これらの図から本発明の実施の形態に係る吹出気流分布シミュレーション方法によれば、格子の分割数に拘らず、実際の気流分布（拡散半径等）を容易に再現することができることが分かる。

なお、上記した各例では、格子を二乗した数で分割しているが、格子の分割数はこれらの二乗した数に限定されるものではなく、例えば、５×７など、３×３＝９以上の複数であれば、如何なる数であってもよい。

このように本発明の実施の形態に係る吹出気流分布シミュレーション方法によれば、吹出口の大きさや風量に対して１つのルールで入力条件を簡単に決定することができるため、汎用性を高めることができる。さらに、今後の３Ｄ−ＣＡＤの普及に伴い、シミュレーション用吹出口１３を９個以上の複数で構成する必要が生じた場合であっても、容易に対応することができる。

さらに、シミュレーション用吹出口１３の寸法はアネモスタット型吹出口のネック径を変数として数式化されて決定されるため、シミュレーション用吹出口１３の寸法を決定する際に実験を行う必要がなく、また、シミュレーション用吹出口１３の水平法線方向の吹出風速Ｖｎ（ｍ／ｓ）、水平接線方向の吹出風速Ｖｘ（ｍ／ｓ）、及び鉛直方向の吹出風速Ｖｚ（ｍ／ｓ）はアネモスタット型吹出口の全吹出風量Ｑ、中心角θ、傾斜角α等を変数として数式化されているため、これらの吹出風速Ｖｎ，Ｖｘ，Ｖｚを決定する際にも実験を行う必要がない。しかも、鉛直方向の吹出風速Ｖｚ（ｍ／ｓ）の設定入力条件はすべての格子で同一となる。したがって、シミュレーションや入力作業において工数を削減することができ、シミュレーション結果を得るまでの時間を短縮化することができると共に、入力ミス等の人為ミスの発生を防止することができる。

１３ シミュレーション用吹出口
１３ａ〜１３ｐ 格子

Claims (4)

1. アネモスタット型吹出口からの吹出気流分布を予測する直交格子系の吹出気流分布シミュレーション方法であって、
   ９個以上の複数に分割されて作成された格子のうち外周部分の格子についてそれぞれ水平方向の法線風向成分と水平方向の外向き接線風向成分とを設定すると共に、前記すべての格子について鉛直方向の下向き風向成分を設定することにより、シミュレーション用吹出口を設定するシミュレーション用吹出口設定ステップと、
   前記アネモスタット型吹出口の全吹出風量を所定割合に按分することにより、前記シミュレーション用吹出口の水平方向の吹出風量と鉛直方向の吹出風量とをそれぞれ設定する吹出風量設定ステップと、
   該吹出風量設定ステップにおいて設定された前記水平方向の吹出風量に、前記外周部分の格子の外周側両格子点が成す中心角の周角に対する比率を乗じて算出した風量を前記格子の面積で除することにより、前記シミュレーション用吹出口の水平法線方向の吹出風速を設定する水平法線方向吹出風速設定ステップと、
   前記外周部分の格子の外周側両格子点間の中心点と前記シミュレーション用吹出口の中心とを結ぶ線が該中心を通り且つ前記外周側両格子点を結ぶ線と直交する中心線と成す傾斜角の正弦関数に、水平法線方向吹出風速設定ステップにおいて設定された水平法線方向の吹出風速を乗じることにより、水平接線方向の吹出風速を設定する水平接線方向吹出風速設定ステップと、
   前記吹出風量設定ステップにおいて設定された前記シミュレーション用吹出口の鉛直方向の吹出風量を、前記アネモスタット型吹出口のネック径から算出したネック面積で除することにより、前記シミュレーション用吹出口の鉛直方向の吹出風速を設定する鉛直方向吹出風速設定ステップと、
   前記吹出風量設定ステップにおいて設定された前記シミュレーション用吹出口の水平方向の吹出風量及び鉛直方向の吹出風量と、前記水平法線方向吹出風速設定ステップにおいて設定された前記シミュレーション用吹出口の水平法線方向の吹出風速と、前記水平接線方向吹出風速設定ステップにおいて設定された前記シミュレーション用吹出口の水平接線方向の吹出風速と、前記鉛直方向吹出風速設定ステップにおいて設定された鉛直方向の吹出風速とに基づき、前記アネモスタット型吹出口からの吹出気流分布を数値流体力学解析する吹出気流解析ステップと、
   を備えていることを特徴とする吹出気流分布シミュレーション方法。
2. ３以上の二乗に分割されて前記格子が作成される請求項１に記載の吹出気流分布シミュレーション方法。
3. 前記吹出風量設定ステップは、前記アネモスタット型吹出口の全吹出風量の３／４〜４／５の風量を前記シミュレーション用吹出口の前記水平方向の吹出風量に設定し、残りの風量を前記鉛直方向の吹出風量に設定する請求項２に記載の吹出気流分布シミュレーション方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１の請求項に記載の吹出気流分布シミュレーション方法をコンピュータに実行させるための吹出気流分布シミュレーションプログラム。
   
   

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