Autodesk Simulation CFD
メッシュトピックス
はじめに
① 本資料を作成するきっかけは、多くのユーザ様では自動メッシュで解析して最 初の評価をされると思いますが、その精度がどのくらいの精度なのかを理解し て評価資料として使ってもらう必要があると思い、熱流体解析の温度結果に 焦点をあてて参考になる資料を作成しようとしたものです。
② 本資料の精度は、何か実験値と比較しての絶対的精度ではなく、細メッシュが 誤差が少ない結果であると仮定して、他のメッシュ分割がどの程度細メッシュ の結果に対して誤差を持っているかの相対的誤差を評価したものです。
③ 今回調査したモデルは、
1. 自然対流での定常解析で輻射がある場合とない場合
比較的結果の温度が高くなる場合2. 強制空冷での定常解析で輻射がある場合とない場合
比較的結果の温度が低くなる場合3. 2のモデルで発熱量を半分にした場合
かなり温度が低くなるモデル目的
① 実際の解析をする際に、Autodesk Simulation CFDでは自動メッシュを利用し て解析し、評価する場合が多いと思います。その際に、自動メッシュで解析し た結果がどの程度の精度かを認識することを目的としました。
② つまりできるだけ短時間で設計上の参考結果が欲しい場合、輻射計算をしな ければいけないのかどうか、メッシュは粗い場合、どの程度の誤差を持ってい そうかなどを事前に知っておくことで解析を効率よく行うことを目的としていま す。
③ 今回の調査対象は、
結果の温度から輻射を考慮する場合としない場合の考察
定常解析における強制空冷と自然対流での考察解析モデル
① 解析モデルはチュートリアルのreceiverのモデルを自然対流のモデルとしてそ
のまま使用し、強制空冷用モデルはそのreceiverモデルの中のPCBを取り出
し、解析しました。
解析条件
① 自然対流モデル
チュートリアル参照
自動メッシュ（粗：16万171要素、中：59万8939要素、細：243万3275要素② 強制空冷モデル（通常発熱）
1. 材料設定
流体： 空気（デフォルト）
PCB： デフォルトPCB
チップ：シリコン2. 境界条件
大きいチップ＝20W、小さいチップ＝10W
入口：25℃、5m/s 出口：圧力＝03. メッシュ
自動メッシュ
粗：5万5797要素、中：22万5090要素、細：81万7762要素4. 解析設定（定常）
収束計算数＝300解析条件
③ 強制空冷モデル（1/2発熱）
1. 材料設定
流体： 空気（デフォルト）
PCB： デフォルトPCB
チップ：シリコン2. 境界条件
大きいチップ＝10W、小さいチップ＝5W
入口：25℃、5m/s 出口：圧力＝03. メッシュ
自動メッシュ
粗：5万5797要素、中：22万5090要素、細：81万7762要素4. 解析設定（定常）
収束計算数＝300解析結果
① 自然対流モデル
輻射考慮 輻射なし
解析結果
① 自然対流モデル
輻射あり温度結果(測定：A区間,B区間の2区間）0 20 40 60 80 100 120
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 (メッシュ粗A輻射)
(メッシュ細A輻射) (メッシュ中A輻射) (メッシュ粗B輻射)
（メッシュ細B輻射)
（メッシュ中B輻射)
解析結果
① 自然対流モデル
輻射なし温度結果(測定：A区間,B区間の2区間）0 20 40 60 80 100 120 140
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50
(メッシュ粗A) (メッシュ細A) (メッシュ中A) (メッシュ粗B)
（メッシュ細B)
（メッシュ中B)
解析結果
②強制空冷モデル
輻射考慮1/2発熱 輻射なし1/2発熱
輻射考慮 輻射なし
解析結果
②-A 強制空冷モデル
輻射ありA区間温度結果(測定：A区間、B区間、C区間の3区間）25 30 35 40 45 50 55 60
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 (メッシュ粗A輻射）温度
(メッシュ中A輻射）温度 (メッシュ細A輻射）温度
(メッシュ粗A輻射) 温度熱半分 (メッシュ中A輻射) 温度熱半分 (メッシュ細A輻射) 温度熱半分
解析結果
②-A 強制空冷モデル
輻射なしA区間温度結果(測定：A区間、B区間、C区間の3区間）25 30 35 40 45 50 55 60 65
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 (メッシュ粗A）温度
(メッシュ中A）温度 (メッシュ細A）温度
(メッシュ粗A) 温度熱半分 (メッシュ中A) 温度熱半分 (メッシュ細A) 温度熱半分
解析結果
②-B 強制空冷モデル
輻射ありB区間温度結果(測定：A区間、B区間、C区間の3区間）25 30 35 40 45 50 55 60 65 70
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 (メッシュ粗B輻射）温度
(メッシュ中B輻射）温度 (メッシュ細B輻射）温度
(メッシュ粗B輻射) 温度熱半分 (メッシュ中B輻射) 温度熱半分 (メッシュ細B輻射) 温度熱半分
解析結果
②-B 強制空冷モデル
輻射なしB区間温度結果(測定：A区間、B区間、C区間の3区間）20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 (メッシュ粗B）温度
(メッシュ中B）温度 (メッシュ細B）温度
(メッシュ粗B) 温度熱半分 (メッシュ中B) 温度熱半分 (メッシュ細B) 温度熱半分
解析結果
②-C 強制空冷モデル
輻射ありC区間温度結果(測定：A区間、B区間、C区間の3区間）20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 (メッシュ粗C輻射) 温度
(メッシュ中C輻射) 温度 (メッシュ細C輻射) 温度
(メッシュ粗C輻射) 温度熱半分 (メッシュ中C輻射) 温度熱半分 (メッシュ細C輻射) 温度熱半分
解析結果
②-C 強制空冷モデル
輻射なしC区間温度結果(測定：A区間、B区間、C区間の3区間）20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 (メッシュ粗C) 温度
(メッシュ中C) 温度 (メッシュ細C) 温度
(メッシュ粗C) 温度熱半分 (メッシュ中C) 温度熱半分 (メッシュ細C) 温度熱半分
まとめ
① 輻射の考慮あり、なしでの結果への影響
環境温度と温度結果の差が75℃くらいで13％
環境温度と温度結果の差が35℃くらいで3.5％
環境温度と温度結果の差が15℃くらいで2.5％② 輻射計算
環境温度と温度結果の差が大きい場合、メッシュは細分割されていないと誤差が大きくなる
中メッシュと細メッシュの間の誤差はほぼ5％で一定くらいである可能性がある
中くらいのメッシュを作成して5％の誤差があると認識して評価できる可能性
温度が下がることで当然ではあるが、輻射の影響は小さくなり、環境温度と温度結果の差が15℃くらいでは メッシュ数にあまり関係なく誤差が一定となる。
温度差が15℃くらいではメッシュ数、輻射考慮の有無にあまり気にする必要はない15 35 75
輻射ありなしの誤差 2.5% 3.5% 13.0%
y = 0.0093e0.8243x 0.0%
2.0%
4.0%
6.0%
8.0%
10.0%
12.0%
14.0%
誤差
輻射ありなしの誤差
まとめ
③ 強制空冷モデル
環境温度との差が35℃の場合、メッシュが粗いと9％近くの誤差が生じるが、メッシュを中くらい程度にすると 誤差は1％以内くらいになる
メッシュは中くらいで精度のある解析結果が得られる④ 計算時間
計算時間は輻射あり、なしとも要素数の約2.5乗に比例
輻射計算を実施すると20％くらい計算時間が長くなる総まとめ
熱流体解析の基本的な流れとして
①自動メッシュで解析(輻射オン） →自動メッシュの場合、要素数も抑えれるので輻射の計算 増20％はあまり気にならない
②温度結果が雰囲気温度との差で35℃以上ある場合は、メッシュを中くらいにして（メッシュ倍率0.5）再解析して結果に は5％程度の誤差の可能性を認識。温度差がそれ以下の場合は、そのまま評価可能
③5％の誤差を小さくして結果を評価したい場合は、メッシュを細（更にメッシュ倍率を0.5）にして解析する