いきなりOpenFOAM (35)
水路解析用のひな形をつくる
任意の解析をするための準備
前回はTutorialケースwaterChannelを実行してみました。waterChannelは水路内を水が流れる様子を解析しますが、自分で設計した水路で任意の流量の水を流す解析を行うには、解析全体の構成を知る必要があります。また、できるだけ余分な機能を取り除いておいたほうが、失敗が少なくなります。
今回は、設定の必要な箇所を説明し、あわせて、必要最低限の機能だけにしてみます。
領域名と位置の確認
始めに、領域名とその位置を確認します。図１はParaViewで領域を色分けした結果で、図の赤色の部分が流入口inletで、青色の部分が流出口outletです。この解析では大気開放部分を設定する必要があり、図の黄色の流路上部がatmosphereという名称の大気開放部分です。その他の面は壁面でwaterChannelではwallsという名称です。OpenFOAMでは境界条件は名称で区別しています。したがって、異なる名称を用いた場合、境界条件のファイルの領域名も変更する必要があります。このコラムでは、できるだけトラブルを少なくするためにTutorialケースと同じ領域名を用いることにします。つまり、CADから出力されるSTLファイル名は、流入口がinlet、流出口がoutlet、壁面がwalls、大気開放部分がatmosphereとします。
メッシュ生成と関連ファイル
./AllrunとしてwaterChannelの解析を実行すると、blockMesh、setFields、interFoamの順に、コマンドが実行されます。また、./Allmeshとして解析を実行すると、blockMeshコマンドが実行され、メッシュの生成のみが行われます。この場合のwaterChannelフォルダは図２に示すようになり、constantフォルダ内には、図3に示すように、polyMeshフォルダができあがります。つまり、メッシュが生成された後は、０フォルダ、constantフォルダ、systemフォルダの3つのフォルダがあれば計算ができ、その他のファイルは削除してもかまいません。
メッシュ生成時に必要なファイルは、図4のblockMeshDict、extrudeMeshDict、extrudeMeshDict1、extrudeMeshDict2で、これらもメッシュ生成後は不要ですが、後にメッシュを再作成する場合や、メッシュ生成に関する情報となるので、再度参照する可能性がある場合は残しておいてください。
また、blockMesh後に実行されたコマンドsetFieldsは、setFieldsDictに基づいて、領域内の変数を設定するコマンドです。waterChannelケースでは、水の初期水位をここで設定しています。後ほど、試した結果を示しますが、初期水位を設定する必要がなければ、これらのファイルも不要です。つまり、メッシュが生成された後であれば、systemフォルダ内は、controlDict、fvSchemes、fvSolutionの3つのファイルがあれば、interFoamのコマンドで解析が始まります。
もう１つおまけとして、waterChannelのTutorialケースでは、流量を積算しているため、端末には計算結果が表示されませんでした。そこで、controlDictファイルからこの部分を削除します。controlDictファイルをエディタで開いて、図5の赤色の枠で囲まれた部分を削除またはコメントアウトし、上書き保存します。ちなみに行単位でコメントアウトする場合は「//」の後ろが、複数行をまとめてコメントアウトする場合は「/*」と「*/」で挟まれた部分がコメント行として扱われます。
interFoamの実行
図6に示すように、端末からinterFoamを実行すると、図7に示すように、計算結果が表示されます。この内、図の赤色の枠で囲まれた部分がクーラン数で、後ほど、時間刻みを設定する際に、必要な数値となります。クーラン数については、いきなりOpenFOAMの第27回に説明があるので、参考にしてください。
ParaViewでの結果の可視化
計算が完了し、待機状態となったら、paraFoamと入力するとParaViewが起動します。等値面を作成し、しきい値として変数alphaを0.5に設定すると水面が表示されます。等値面の設定については、いきなりOpenFOAM第34回を参照してください。
図８は初期状態を示しています。水面はinlet部分のみとなり、これがsetFieldsDictファイルを削除した（初期水位を無くした）影響です。図9は流入開始から200秒後の水面で、Tutorialケースを./Allrunで解析実行した結果と同じ結果が得られます。
任意解析のための修正箇所
次に、任意のケースを解析する際に修正が必要となる箇所を説明します。修正が必要となるファイルは０フォルダ内のUファイル、alpha.water.origファイル、systemフォルダ内のcontrolDictファイルです。
さらに、解析対象が水－空気系以外の場合、constantフォルダ内のtransportPropertiesファイルの修正が必要となります。今回は、水－空気の自由表面解析のため、transportPropertiesファイルの修正は不要です。
Uファイルの修正箇所は、図10に示す各領域のvalue値とvolumetricFlowRateで、value値は流速のx,y,z方向成分で、volumetricFlowRateは、m3/s単位の体積流量です。
Alpha.water.origファイルの修正箇所は、図11に示す各領域の変数alphaの値で、1で水、０で空気を表します。
transportPropertiesファイルは図12に示すように、液体に相当する流体(water)と気体(air)に相当する流体の動粘性係数と密度とを設定します。
controlDictファイルの修正箇所は、図13に示すendTimeとdeltaTとwriteIntervalで、それぞれ、単位は秒です。
writeIntervalは出力間隔を指示する変数ですが、サイクル数ではなく、時間となる点に留意してください。deltaTは時間刻みで、クーラン条件を大きく逸脱しないように設定する必要があります。基本的には上記のとおりですが、ソルバーinterFoamには、クーラン数をもとに時間刻みを自動調整する機能がついています。クーラン条件については、いきなりOpenFOAM第27回を参照してください。
図13に示すcontrolDictファイルでは、時間刻みdeltaTは0.001に設定していますが、図14に示す計算結果では、deltaT=０.119048と異なる値となっています。これは、図13の赤い枠で示したadjustTimeStep機能（時間刻みの自動調整）が有効となっているためで、maxCoで示した最大クーラン数未満、かつmaxdeltaTで示した時間未満で、なおかつ出力タイミングで出力できるように、自動で時間刻みを設定してくれます。そのため、設定した時間刻みが小さすぎる場合は、そのまま計算させるよりも、計算時間を大幅に短縮できます。一方、流速が速くなると、クーラン数を満足させるように、時間刻みを小さくするため、当初設定の時間刻みよりも小さな時間刻みとなり、逆に計算時間が増加する場合もあります。なお、adjustTimestepで設定をnoにすると、時間刻みの自動設定は行われなくなります。いずれにしても、計算中は端末でクーラン数や時間刻みをモニターし、異常がないかを適宜判断することをお勧めします。
次に、メッシュ生成について説明します。メッシュ生成のパラメータを個別に設定することも可能ですが、今回はXSimを利用してメッシュ生成をする方法を説明します。XSimから出力されたAllrunファイルをエディタで開くと、図15に示すように、ファイルの先頭にコメントとして、出力オプションの方法が記載されています。赤い枠で囲まれた記述に従い、./Allrun –mとすると、メッシュのみ生成します。XSimではメッシュに関する設定のみで、他の項目の設定は不要です。
以上をまとめると、図16に示すように、CADでモデルを作成し、XSimでメッシュに関する設定を行い、OpenFOAMでメッシュのみ生成させ、ひな型となるフォルダに、生成されたpolyMeshフォルダを移動し、必要なファイルを修正すれば、任意のモデル・条件で自由表面解析が行えます。
今回は、Tutorialケースを修正して、任意の解析を行うためのひな形を作成しました。次回は、この手順を使って任意形状のモデルを計算してみます。
このページでは、各アプリケーションの操作説明は省略しています。FreeCADの具体的な操作については、いきなりOpenFOAM第5回および第7回、OpenFOAMでの計算実行は第8回、ParaViewの操作については第3回、第4回および第8回を参考にしてみてください。
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