輻射

熱放射モデルでは、固体間の相互依存性の計算機能が強化されており、エネルギーバランス計算に優れた真の形態係数の計算機能が使用されている。温度およびエネルギーバランスの精度は、外観寸法が大きく変化するジオメトリに対して改善されています。

透明媒体中の放射伝熱を計算すると同時に、幾何学的対称性もサポートしている。太陽熱放射と同様に、移動固体および移動サーフェスへの放射伝熱もサポートされている。この熱放射モデルにより、熱放射エネルギーバランスの厳密に収支の合う計算が可能となっており、放射による伝熱量および放射エネルギーバランスがモデル内の各部品に対して出力されます。相互依存性が適用された結果、大きくサイズの異なる部品間の伝熱の計算が精度良く行われる。

熱放射はサポートされているすべての種類のジオメトリ、すなわち2次元および3次元の直交座標、XおよびY軸周りの軸対称モデルで使用できる。

モデル化ガイドライン

熱放射を使用するには、モデル内の固体材料すべてに対して放射率を指定する。固体が存在しない場合、流体材料上に放射率を設定することにより、周囲の壁面に対して放射率を指定する。(新しい材料を作成する必要があるだろうが、データベース内の材料を元に作成することができる)。熱放射のアルゴリズムは流体媒体の関与を考慮しないため、流体材料に指定した放射率は自動的に流体に接する壁面に適用される。

輻射率のデフォルト値1は、一般的には推奨されません。なぜなら、この条件は完全に輻射するサーフェスとなるからです。このような設定は、ほとんどの用途において物理的に現実的ではない可能性があります。

伝熱計算および熱放射(輻射)実行ダイアログで有効にします。

熱放射は流れがあってもなくても使用できます。

考慮するべき重要事項の1つは、互いに接触する流体部品を押し出しメッシュで分割してはいけない点です。その理由は、片方(または両方)が押し出し要素を使用している場合、非共形接触面(不連続メッシュ)としても知られている押し出し面と四面体面の接触面が放射モデルでサポートされていないためです。熱放射モデルは、すべての流体-固体接触面で一致したメッシュを持っている必要がある。このガイドラインは、片方または両方の固体が透明媒体である場合、固体-固体の接触面にも適用される。

アセンブリが大きな1個の空気ボリュームにより囲まれている場合、空気に0(ゼロ)以外の放射率を指定しなければなりません(この放射率はさらに壁面へ適用されます)。0(ゼロ)以外の値が使用された場合、(固体に接触しない)サーフェスは完全な鏡として機能し、エネルギーがまったく周囲に奪われず、物理的に正しくないシミュレーションとなる。正しい外部温度と放射率を設定した温度境界条件を指定しなければならない。

形態係数

熱放射モデルは、各部品に対する正しい形態係数を計算します。これは以前のバージョンの熱放射モデルで使用されていた熱流束ベースの方法よりも正確である。各部品間の形態係数は、「.sol」ファイルに書き込まれ、各部品に対して合計が1でなければなりません。形態係数の表は、透明材料はもちろん不透明材料に対しても作成される。

アセンブリ内の1個の部品に対する形態係数のサンプルリストを以下に示します 。

不透明な部品対部品の形態係数
部品1を見ている部品1、VF = 0
部品2を見ている部品1、VF = 0.00870629
部品 3 を見ている部品 1、VF = 0.0575024
部品 4 を見ている部品 1、VF = 0.021062
部品 5 を見ている部品 1、VF = 0.338157
部品 6 を見ている部品 1、VF = 0.574572
部品1のすべてのビュー係数の合計 = 1

このモデルでは正しい形態係数を使用しているため、サイズの差が大きい部品に対する熱放射伝熱計算をより正確に解くことができます。より正確なエネルギーバランスを確保するために、サーフェス対サーフェスの相互関係の計算機能が強化されています。

形態係数の計算のパフォーマンスを改善するため、要素面を大きなポリゴンにまとめ、形態計数の面の数を減らします。その結果、形態係数の計算が高速化され、相反性の確保が改善され、各収束計算時のラジオシティーマトリックス解析が高速化されます。

輻射面のまとめは自動的に行われますが、Flag Managerでフラグ(ClusterFaces)を使って制御することも可能です。

注: Simulation CFD 360 を使用する場合、ローカル ワークステーションと Autodesk® 360 間でのアップロード回数とダウンロード回数の減少に有効な複数のフラグ設定があります。

リソース利用

熱放射モデルが各部品の各サーフェス間の形態係数および相互関係を計算するという事実は、高い計算精度と熱放射計算用の良好なエネルギーバランスの確保につながります。しかし、この熱放射モデルは多くのリソースを使用する。初期起動中に、視野方向の存在する各部品のすべての要素サーフェスの間で形態係数が計算されます。さらに、このデータをすべて監視する熱放射マトリックスを作成する必要もあります。

必要RAM容量は要素のサーフェス数の二乗に比例して増加する。ジオメトリ内のサーフェス数にもよりますが、形態係数を計算するために必要なRAM容量は、1G バイトを超える可能性もあります。起動時に形態係数を計算するために必要な時間もかなり長い。進捗状況バーは、初期起動中のこの計算の相対的進捗状況を示す。

現在、熱放射形態係数の計算用に利用できるデフォルトのメモリ容量は4GBです。

 

この容量を拡張するには、フラグマネージャrad_matrix_sizeフラグの値を変更します。引数には、RAM容量(単位:MB)を指定します。例えば、上限のRAM容量を10GBに設定するには、値を10000に指定します。

熱放射モデルでは、利用可能な RAM 容量の関数として計算精度が自動的に調整される。アルゴリズムがシステムを調べてどの程度の RAM 容量が使用可能かを判断し、最終的なラジオシティーマトリックスが利用可能な RAM 容量に適合するように光学サンプリングレートを調整する。また、メモリ内とコア外の記憶装置の形態係数のどちらを使用するべきか、ラジオシティーマトリックス、および使用するソルバーの種類までも判断する。そのため 256M バイトのメモリしかなくても、熱放射計算を実行することが可能である。ただし、RAM が 4G バイトのマシン上で生成した結果よりは時間がかかり、精度が低くなる。

しかし、解析が使用可能な RAM で実行することができない場合には、システムリソースが不足しているために放射モデルが実行できないことを通知するエラーが発行される。

幸いなことに、この計算は解析の最初にのみ実行される。メッシュが変更されていなければ、解析を後でリスタートしても実行されない。熱放射モデルでは面積分法を採用しているので、正確な結果を得るためにメッシュ密度を高くする必要がないことが証明されています。解析モデル内の他の物理現象によるメッシュ分割要件と適切にバランスさせるように注意画必要である。

モーションを伴う熱放射

熱放射は移動固体に対してもサポートされています。モーション解析用に熱放射が有効化された場合、形態係数は、移動物体が領域境界ボックスの最大対角線の 2%を移動した時点で自動的に再計算されます。この動作を変更するには、次のフラグをフラグマネージャで有効にします。

viewfactorupdate

ここで、引数は対角線のパーセントです。たとえば5%毎に形態係数を再計算するには次のフラグを有効にします:

ViewFactorUpdate 5

注意:

真空状態での熱放射

ほとんどの工業用途において完全な真空状態はきわめて稀であるが、このような環境での熱放射解析が役立つ用途も中にはある。環境には流体を含めなくてはならないが、対流による影響を取り除くため流れの計算は(計算ダイアログで)オフに設定できます。擬似真空状態の熱放射解析における一般的な手順は、次のものである。

  1. 計算ダイアログで非定常解析を有効にします。
  2. 約30秒の時間ステップ数を使用する。
  3. 1回の内部反復数を時間ステップごとに使用する。
  4. 経過時間をシミュレートするのに十分な時間ステップ数の解析を実行する。

関連トピック

数学的な背景

検証モデル

熱放射解析の例

輻射率物性値の変更例