JP2007241665A - 熱流れ解析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】既存の空力解析用メッシュモデルを用いて、実際の温度試験室とほぼ同一の温度分布を再現できるようにする。
【解決手段】空力解析用メッシュモデルの、温度試験室に対応する計算空間Ａに解析対象となる車両１００の形状モデルを対応付けて設定し、計算空間Ａの天上境界層１０２上に、日射装置の熱放射をモデル化した計算空間Ｂを設定し、計算空間Ｂの外側境界面１１３にランプユニット２１の加熱用ランプ２２に対応する境界条件を設定し、内側境界面１１２にランプユニット２１の前面ガラス２４に相当する境界条件を設定し、両境界面１１２，１１３間の空間層１１１を反射鏡２３の密閉空間２３ａに対応する物性データで設定する。計算空間Ｂを日射装置の熱放射をモデル化して設定したので、実際の温度試験室とほぼ同一の温度分布を再現することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、解析対象物、及びその周辺の温熱環境を数値化して解析する熱流れ解析装置に関する。

従来、例えば走行中における車両の室内やエンジンルーム内の冷却性能及び熱害状況等の温熱環境をコンピュータ上の熱流れ解析によって予測、評価する技術として、数値流体力学（CFD：Computational Fluid Dynamics）を用いた流体解析システム（ＣＦＤ解析システム）が知られている。

この種の流体解析システムとして、本出願人は特許文献１（特開２００５−３５２９９８号公報）において、天空放射を考慮した熱流れ解析を、市販の空力解析用のメッシュモデルを用いて行う技術を提案した。

すなわち、メッシュモデルの計算空間に解析対象となる車両の形状モデルを設定し、この計算空間の上空と左右の壁面境界層をノースリップ条件として入口速度と同一の移動速度を設定すると共に、この壁面境界層に天空放射に相当する温度及び熱流束から成る熱境界条件を設定する。

このようにすることで、壁面境界層の各計算格子毎に熱境界条件を設定する必要がなくなり、汎用コンピュータを用いて、天空放射を計算に入れた熱流れ解析を簡単に行うことができる。
特開２００５−３５２９９８号公報

ところで、車両の室内やエンジンルーム内等の温熱環境を調べるに際しては、外的環境の最も過酷な夏季高温状態を想定して行われる。従来、このような高温試験は、温度試験室や環境試験室（以下これらを「温度試験室等」として総称する）において、太陽光に近似した特性の放射エネルギーを照射する日射装置を用いて行われる。

このような温度試験室等と同等の環境を、上述した文献に開示されている流体解析システムを用いて生成することも可能である。

しかしながら、この流体解析システムは屋外フィールド試験を対象としたものであるため、地面と天空の距離が短い空間、即ち、温度試験室等と同等の環境を生成する場合、天空境界層を低く設定して天上境界層とし、この天上境界層に日射装置に相当する温度或いは熱流束からなる熱境界条件を設定することになる。

しかし、天空境界層を小空間の天上境界層とした場合、この天上境界層と床面境界層との間の距離が短いため、熱境界層周辺の対流放熱量が実際の日射装置に比し、かなり大きくなり、熱境界層周辺の雰囲気温度が高温化してしまう。

更に、熱境界層周辺の雰囲気温度の高温化に伴い、小空間内に、循環気流が発生し、実際の温度試験室等における温度分布とは異なる分布が示されてしまい、車両の室内やエンジンルーム内の冷却性能及び熱害状況等の温熱環境を正確に予測、評価することが困難となる。

本発明は、上記事情に鑑み、メッシュ数を増加することなく、既存の空力解析用メッシュモデルを用いて、実際の空間内の温度分布とほぼ同一の温度分布を再現することができ、従って、解析対象物の冷却性能及び熱害状況等の温熱環境を正確に予測、評価することのできる熱流れ解析装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明は、熱流れ解析を行うために、解析対象物の形状モデルを設置する計算空間を設定し、該計算空間に設定する各設定条件に基づいて前記解析対象物の熱流れ解析を行う熱流れ解析装置において、前記計算空間の天上境界層上に、熱放射をモデル化した他の計算空間を設定し、前記他の計算空間の上面に設けた外側境界面に前記熱放射の加熱源に対応する境界条件を設定し、前記他の計算空間の下面に設けた内側境界面に透明な境界条件を設定し、前記他の計算空間の前記外側境界面と前記内側境界面との間の空間層を予め設定されている物性データで設定することを特徴とする。

本発明によれば、解析対象物の形状モデルを設置する計算空間の天上境界層上に、熱放射をモデル化した他の計算空間を設定したので、既存の空力解析用メッシュモデルを用いて、実際の空間内の温度分布とほぼ同一の温度分布を再現することができ、従って、解析対象物の冷却性能及び熱害状況等の温熱環境を正確に予測、評価することができる。又、これらはメッシュ数を増加することなく行うことができる。

以下、図面に基づいて本発明の一形態を説明する。図１は熱流れ解析装置の機能ブロック図である。

熱流れ解析装置１は、ＲＯＭ，ＲＡＭ等のメモリ及びＣＰＵを有するマイクロコンピュータ等のコンピュータで構成されており、後述する各処理部１１，１２，１４の機能を実現するためのプログラムをメモリにロードして実行することにより熱流れ解析処理が実行される。

図１に示すように、熱流れ解析装置１は、入力側にキーボード、マウス等を含む入力装置２が接続され、出力側にモニタ等の表示装置３が接続されている。又、熱流れ解析装置１は、解析モデル設定処理部１１、モデル解析処理部１２、メモリ部１３、及び表示処理部１４を備えている。

解析モデル設定処理部１１は、予め空力解析用のメッシュソフトを用いて生成した直方体状の流れ場を有する計算空間Ａと、解析対象物である車両（以下「対象車両」と称する）１００の形状モデルとにより解析モデルを設定する。計算空間Ａは、図３〜図５に示すように、床面境界層１０１、天上境界層１０２、前面境界層１０３、後面境界層１０４、側面境界層１０５，１０６の６面で区画された直方体状の流れ場を有し、計算格子（例えば、境界適合格子(BFC)）で構成される（図５参照）。尚、図５には、便宜的に境界面のみの計算格子（計算メッシュ）が示されている。

対象車両１００の形状モデルデータは、設計者自身が作成し、或いは予め作成されているＣＡＤデータ等に基づいて自動作成されたものであり、入力装置２を介して入力し、或いは図示しないＬＡＮ等の通信手段を介して外部記憶装置（図示せず）から読込まれる。

モデル解析処理部１２は、解析モデル設定処理部１１で設定された解析モデルを用い、入力された境界条件等の解析条件に従って、対象車両１００の車室内やエンジンルーム内の温度分布を求める熱流れ解析を実行する。尚、モデル解析処理部１２で実行される熱流れ解析処理については後述する。

メモリ部１３は、ハードディスク装置や光磁気ディスク装置、フラッシュメモリ等の書き込み可能な不揮発性記録媒体で構成されており、解析モデル設定処理部１１及びモデル解析処理部１２における処理内容を記憶する。

表示処理部１４は、熱流れ解析処理を実行している際の制御画像や作業画像等の表示画像を表示装置３へ出力する。尚、制御画像には、解析モデル設定処理部１１で実行可能な設定機能のメニュー表示部と、モデル解析処理部１２で実行可能な解析機能のメニュー表示部とが含まれる。作業画像には、各メニュー表示部において選択された内容の条件設定画像を作成して表示する。

又、表示処理部１４は、モデル解析処理部１２で実行した熱流れ解析により取得した計算空間Ａ、及び対象車両１００の車室内或いはエンジンルーム内の温度分布を、ポスト処理により温度毎に色分けして表示装置３に表示させる。

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

上述したモデル解析処理部１２で実行される熱流れ解析は、具体的には、図２に示す熱流れ解析ルーチンに従って処理される。

このルーチンでは、先ず、ステップＳ１で、解析モデル設定処理部１１にて計算空間Ａ及び対象車両１００の形状モデルより解析モデルを設定する。

解析モデルを構成する計算空間Ａは、本形態では、一般的な温度試験室等と同等の容積に設定されている。

次いで、ステップＳ２で、対象車両１００の環境条件を設定する。環境条件は、例えば計算空間Ａの入口側の境界層に入口条件として入口速度を設定し、出口側の境界層に出口条件として出口圧を設定することで代用する。尚、計算空間Ａの入口、及び出口は、実際の温度試験室等と同一の条件に設定されている。

その後、ステップＳ３へ進み、天上境界層１０２に熱境界条件を設定する計算空間Ｂを生成する。尚、熱境界条件は、温度試験室等の天上に配設されている日射装置の熱放射に相当する温度及び熱流束である。

ところで、通常の温度試験室等の天井に配設されている日射装置は、加熱源としてハロゲンランプ、メタルハライドランプや赤外線ランプ等の加熱用ランプを採用し、この加熱用ランプを備えるランプユニットを複数配列して太陽光に近似した特性の放射エネルギーを放射するようにしている。

図８に、ランプユニットの一般的な構造を示す。ランプユニット２１は、フィラメントを内装する加熱用ランプ２２と、反射鏡２３と、透明な前面ガラス２４とを有している。加熱用ランプ２２の後部には口金２５が設けられており、この口金２５に反射鏡２３の凹部の中央部分が固設されている。又、反射鏡２３の前面開口部に前面ガラス２４が装着されている。この反射鏡２３内は密閉された密閉空間２３ａを有しており、この密閉空間２３ａに加熱用ランプ２２が臨まされている。更に、この密閉空間２３ａに不活性ガスや空気等の気体が封入されている。尚、この密閉空間２３ａは常圧の空気で満たされている場合もある。

図６に示すように、計算空間Ｂに設定される熱境界条件は、上述したランプユニット２１の構造に基づいてモデル化したものであり、密閉空間２３ａに相当する空間層１１１の下面に、透明な前面ガラス２４に相当する内側境界面１１２が生成されており、更に、この空間層１１１の上面に、加熱用ランプ２２に相当する外側境界面１１３が生成されている。又、この空間層１１１の側面に側面境界層１１４が生成されている。

空間層１１１は複層の計算格子で構成されており、この計算格子が、ランプユニット２１の密閉空間２３ａに対応している。

ところで、外側境界面１１３の放射熱量は、上述した日射装置の加熱用ランプ２２の放射熱に基づいて設定されている。又、空間層１１１の熱伝導率、及び高さδは、外側境界面１１３からの放射熱によって計算空間Ａの床面境界層１０１が受熱される温度に基づいて設定される。

この床面境界層１０１の受熱温度は予め設定されており、従って、空間層１１１の計算格子には、外側境界面１１３からの放射熱によって計算空間Ａの床面が設定温度となるような物性データを備える流体の物性データ、或いは固体の物性データによる解析モデルを選択すると共に、計算空間Ｂの高さδを設定する。尚、物性データとして流体の物性データを選択した場合は、粘性係数を大きく設定し計算格子内で熱対流が発生しないようにする。

又、計算格子に入力する物性データの密度は均一であるため、空間層１１１を１層の計算格子で構成しても同じ結果を得ることができる。更に、外側境界面１１３の放射熱が内側境界面１１２側へ伝達されると考えられるため、この計算格子は直交格子で生成することができる。

又、内側境界面１１２は、透明な前面ガラス２４に対応させるべく、放射熱を透過させる透明な境界条件が設定されている。

又、外側境界面１１３には、加熱用ランプ２２に対応する温度指定境界条件、及び熱流束指定境界条件を設定する。この場合、日射装置に取付けられている各加熱用ランプ２２は放射指向性が個々に設定されているため、温度指定境界条件、及び熱流束指定境界条件に、この放射指向性に対応する温度及び熱流束分布を設定する。更に、側面境界層１１４を断熱条件、すなわち、熱伝導量をゼロに設定する。

その後、プログラムは、ステップＳ４へ進み、設定されたデータに基づいて、対象車両１００の車室内或いはエンジンルーム内の熱流れ解析を行い、ルーチンを終了する。

この解析結果は、表示処理部１４を介して表示装置３に表示される。表示装置３には、計算空間Ａ、及び車室内或いはエンジンルーム内の温度分布が、ポスト処理により温度毎に色分けして表示される。

すなわち、ステップＳ４で実行される熱流れ解析では、図３に示すように、車両１００の環境条件として、計算空間Ａの入口側の境界層に入口速度を設定し、出口側の境界層に出口圧を設定すると共に、外側境界面１１３に加熱用ランプ２２に対応する温度指定境界条件、及び熱流束指定境界条件を設定し、計算空間Ａに熱流れを生じさせる。

その結果、表示装置３には、図７に示すような温度分布が表示される。計算空間Ａ内の温度分布は、通常の温度試験室等内で生じる温度分布とほぼ同じであり、従って、この計算空間Ａに入力された対象車両１００の形状モデルに対する熱流れ解析は、実際の温度試験室等で行う温度試験とほぼ同等の結果を得ることができる。

このように、本形態では、天上境界層１０２上に日射装置をモデル化した計算空間Ｂを設定し、この計算空間Ｂを日射装置を構成するランプユニットの内部構造に対応する層構造としたので、計算格子数を増加することなく、既存の空力解析用メッシュモデルを用いて、実際の小空間内の温度分布とほぼ同一の温度分布を再現することができる。従って、解析対象物の冷却性能及び熱害状況等の温熱環境を正確に予測、評価することができる。

尚、本形態による計算空間Ａを屋外フィールドとし、計算空間Ｂを、天空日射をモデル化して設定することで、屋外フィールドでの日射モデルを構築することができる。すなわち、空間層１１１を日射領域として設定し、この空間層１１１の外側境界面１１３を加熱源としての天空境界層（高温壁）とし、内側境界面１１２を透明な境界層とし、又、空間層（日射領域）１１１の高さδを微小な距離に設定する。更に、空間層１１１の計算格子に入力する物性データ（流体又は固体）の熱伝導率を極力小さく設定する。空間層１１１を流体領域とした場合、粘性係数を大きく設定して、領域内で熱対流が発生しないようにし、対流及び伝導による熱輸送を少なくする。屋外フィールド試験状態をシミュレーションする場合は、透明な境界層と天空境界層とを一緒に移動させる。

このように設定することで、天空境界層からの放射は透明境界層を通過することになるため、放射熱により透明な境界層が加熱されることが無くなる。又、天空境界層と透明境界層とで挟まれた空間層１１１の対流および伝導による熱輸送量を小さくすることで、天空境界層が高温であっても透明境界層周辺の雰囲気温度が上昇せず、計算空間Ａ内を自然な温度分布とすることができる。

熱流れ解析装置を示す機能ブロック図 熱流れ解析ルーチンを示すフローチャート 熱流れ解析の計算空間を示す概略側面図 熱流れ解析の計算空間を示す概略斜視図 図４のV部拡大図 日射装置に対応して生成した計算空間の説明図 空力解析用メッシュモデルを用いて解析した温度分布の表示画像を示す説明図 ランプユニットの断面側面図

符号の説明

１…解析装置、
２…入力装置、
３…表示装置、
１１…解析モデル設定処理部、
１２…モデル解析処理部、
１３…メモリ部、
１４…表示処理部、
２１…ランプユニット、
２２…加熱用ランプ、
２３ａ…密閉空間、
２４…前面ガラス、
１００…対象車両、
１０１…床面境界層、
１０２…天上境界層、
１０３…前面境界層、
１０４…後面境界層、
１０５，１０６…側面境界層、
１１１…空間層、
１１２…内側境界面、
１１３…外側境界面、
１１４…側面境界層、
Ａ，Ｂ…計算空間、
δ…高さ

Claims (6)

1. 熱流れ解析を行うために、解析対象物の形状モデルを設置する計算空間を設定し、該計算空間に設定する各設定条件に基づいて前記解析対象物の熱流れ解析を行う熱流れ解析装置において、
   前記計算空間の天上境界層上に、熱放射をモデル化した他の計算空間を設定し、
   前記他の計算空間の上面に設けた外側境界面に前記熱放射の加熱源に対応する境界条件を設定し、
   前記他の計算空間の下面に設けた内側境界面に透明な境界条件を設定し、
   前記他の計算空間の前記外側境界面と前記内側境界面との間の空間層を予め設定されている物性データで設定する
   ことを特徴とする熱流れ解析装置。
2. 前記物性データは流体或いは固体の物性データである
   ことを特徴とする請求項１記載の熱流れ解析装置。
3. 前記物性データは流体の物性データであり、該物性データ中の粘性係数を熱対流の発生しない値に設定する
   ことを特徴とする請求項１記載の熱流れ解析装置。
4. 前記他の計算空間は複数配列のランプユニットを有する日射装置の前記熱放射をモデル化したもので、
   前記外側境界面に設定する境界条件は前記ランプユニットの加熱用ランプに対応しており、
   前記内側境界面に設定する境界条件は前記ランプユニットの前面ガラスに対応しており、
   前記空間層は前記ランプユニットの前記加熱用ランプが臨まされている空間に対応している
   ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の熱流れ解析装置。
5. 前記外側境界面に設定する境界条件には、前記ランプユニットに配設されている前記各加熱用ランプの放射指向性に対応した温度及び熱流束分布が含まれている
   ことを特徴とする請求項４記載の熱流れ解析装置。
6. 前記他の計算空間は天空日射をモデル化したものであり、
   前記外側境界面に設定する境界条件を前記天空日射の加熱源とし、
   前記内側境界面に設定する境界条件を透明とし、
   前記空間層を設定する前記物性データの熱伝導率を小さく設定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の熱流れ解析装置。

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