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熱交換器

更新:2017/6/1
OpenFOAM 4.x

ケース

$FOAM_TUTORIALS/heatTransfer/chtMultiRegionSimpleFoam/heatExchanger

概要

熱交換器の解析を行います。ファンを使って、冷えた空気を高温流体が流れる多孔質体の周りに流し、熱交換を行います。

モデル形状(全体) 全体のモデル形状
モデル形状(領域 heater) ファンのある流路側(領域 air)
モデル形状(領域 leftSolid) 多孔質体側(領域 porous)

空気領域では流体は下面の領域 inlet (白色部)から温度 300 K、速度 (0, 0, 5) m/s で流入し、ファン(緑色部)で加速されて多孔質領域(直方体部)を通過してから領域 outlet から流出します。一方、多孔質体領域では流体は X 最大面から温度 400 K、速度 (0.01, 0, 0) m/s で流入し、X 最小面から流出していきます。

ファンは Z 軸を回転軸とし、47.7 rad/s で回転するものとして MRF 機能を使用してモデル化します。この設定はファイル constant/air/MRFProperties で以下の様に指定します。

MRF1
{
    cellZone    rotor;
    active      yes;
    
    nonRotatingPatches ();

    origin    (0.25 0.25 0.25);
    axis      (0 0 1);
    omega     47.7;
}		

また多孔質体は Darcy-Forchheimer 則 S_i = -\biggl(\mu D_{ij}+ \frac{1}{2}\rho\left \vert u \right \vert F\biggr) u_i に従い、多孔質体の特性を決めるパラメーターはファイル constant/air/fvOptions で指定します。

設定中にユーティリティー paraFoam を使用して各部分領域用の .OpenFOAM ファイルを生成します。可視化する場合は ParaView 起動後、メニューの [File]-[Open] から各 .OpenFOAM ファイルを開いて可視化します。

部分領域を全て読み込んだ状態 部分領域を全て読み込んだ状態

メッシュは以下の通りで、全体のメッシュ数は279000です。

メッシュ(領域 air) メッシュ(領域 air)
メッシュ(領域 air、拡大) メッシュ(領域 air、拡大)
メッシュ(領域 porous) メッシュ(領域 porous)
メッシュ(領域 porous、拡大) メッシュ(領域 porous、拡大)

計算結果は以下の通りです。

領域 air の XY 面での流速(U) 領域 air の XY 面での流速(U)
領域 air の XY 面での温度(T) 領域 air の XY 面での温度(T)
領域 air の XZ 面での流速(U) 領域 air の XZ 面での流速(U)
領域 air の XZ 面での温度(T) 領域 air の XZ 面での温度(T)
領域 porous の XZ 面での流速(U) 領域 porous の XZ 面での流速(U)
領域 porous の温度(T) 領域 porous の温度(T)

実行コマンド

cp -r $FOAM_TUTORIALS/heatTransfer/chtMultiRegionSimpleFoam/heatExchanger heatExchanger
cd heatExchanger

# メッシュを作成
blockMesh -region air
blockMesh -region porous

# ローターの翼を作成
topoSet -region air -dict system/topoSetDict.1

createBaffles -region air -overwrite

# MRF 用の領域を作成
topoSet -region air -dict system/topoSetDict.2

rm -rf constant/air/polyMesh/sets

# 後処理用のダミーファイルを作成
paraFoam -touch -region porous
paraFoam -touch -region air

cp -rf 0.orig 0

decomposePar -region air
decomposePar -region porous

mpirun -np 4 chtMultiRegionSimpleFoam -parallel

reconstructPar -latestTime -region air
reconstructPar -latestTime -region porous

paraFoam

paraFoam コマンドで ParaView が起動した後、メニューの [File]-[Open] から各 .OpenFOAM ファイルを開く必要があります。

計算時間

36分4.86秒 ※4並列、Inter(R) Core(TM) i7-2600 CPU @ 3.40GHz 3.40GHz