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Embedded CFD

1D-3D連成による

エンジンコンパートメント

熱収支解析手法の提案

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Unrestricted © Siemens AG 2017 .

Embedded CFD概要

他用途への適用可能性，まとめ

エンコパ内風流れデモモデル

アジェンダ

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Vサイクルにおける，1D-3Dシミュレーションの使い分け（現状）

1D空気流れ計算精度に限度 詳細な物理表現が必要 1D 企画 & 初期設計 サイジング検討（初期） サイジング/ システム 性能検証定常詳細冷却性能 解析/検証 1D 機能的表現 詳細 3D 形 状情報の無い段階 3D CADが 存在する段階 3D CFD _• _{Weak coupling} （マップ化） • Co-simulation 1D+ 詳細形状 Full 3D CFD 特定の境界条件における検討詳細形状

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Unrestricted © Siemens AG 2017  1D手法の利点：過渡解析，システムシミュレーション，CAD情報の無い状態でも計算が可能  3D手法の利点：詳細定常流解析

Vサイクルにおける，1D-3Dシミュレーションの使い分け（提案）

1D 機能的表現 3D CFD _• _{Weak coupling} （マップ化） • Co-simulation 1D+ 詳細形状 Full 3D CFD 企画 & 初期設計 サイジング検討（初期） サイジング/ システム 性能検証定常詳細冷却性能 解析/検証 特定の境界条件における検討 詳細 3D 形 状情報の無い段階 3D CADが 存在する段階詳細形状 3D CFD _{Embedded CFD} = Integrated Coupling 1D ₊ パラメトリックな簡易形状

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エンコパ内設計課題と

シミュレーションによる取り組み手法

課題 • フロントグリルデザインがサブシステム性能に与える影響 • サブシステム間の相互影響取り組み手法 フロントグリル形状を考慮した熱解析手法が必須 システムレベルでのモデル化を行う Embedded CFDによる利点: • ノンエキスパートにも3D-CFDにてより詳細な物理表現による検討が可能 • デザイン検討時に1Dと3D両方のアプローチを組み合わせる事で，精度向上 • コンポーネントのCADが無い状態での検討熱交換器のサイジング検討 • 1Dシミュレーション精度の向上 パラメトリックな簡易形状を定義する必要 1Dと3D-CFDのシームレスな”Hybrid化”

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Unrestricted © Siemens AG 2017

Embedded CFD

Amesimに統合された自動化プロセス

Data Exchange - Init

熱交換器及び主要コンポーネント形状，位置情報ファン特性 1 6 熱交換器表面の，空気温度および速度分布冷媒流れ, 温度熱交換量必要時に 3D計算をコール 各熱交換器の熱交換マップパラメトリックな簡易形状を作成 2 3D CAD* “自動プロセス" 計算* 5 “自動プロセス" 3D CFD* 境界条件* 4 M es h* 3 *powered by STAR-CCM+

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Embedded CFD

Amesimに統合された自動化プロセス

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Embedded CFD – 主な特徴

• Amesim環境にて実装 • エンコパ内熱解析用のアプリケーションが第1弾として用意 (車室内解析については機能拡張中,その他の領域の拡充も検討中) • Amesimで設定したパラメータを3D-CFDに反映 • 簡易化した3D形状 高速なCFD計算 (*1分程度) • 2つのモード: • 定常状態 (Steady State)

• 動的計算 (Transient incluオンデマンド3D計算 (ファンon/off, 温度変化等で定義した，イベント発生時に3D計算を行う)

• 2コール間のやり取り結果を内挿/外挿補間

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Embedded CFD概要

他用途への適用可能性，まとめ

エンコパ内風流れデモモデル

Agenda

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Amesim Embedded CFD デモモデル

2つの熱交換器が前後に配置され，デュアルファンが搭載されているエンコパ内モデル

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Amesim Embedded CFD デモモデル

Amesimコンポーネントに設定されたパラメーターをGUIにて表示

• ラジエータ

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Amesim Embedded CFD デモモデル

1番目のステップ：簡易3D形状を作成

• STAR-CCM+ にて必要な3D形状情報を取得(HEX, FAN,

BAFFLE, BLOCK, BOUNDARY, …)

形状生成

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Amesim Embedded CFD デモモデル

2番目のステップ：3Dメッシュを作成 • 3Dと1Dでやり取りする状態変数の定義 (import / export) • 物理的制約や各コンポーネント変数を紐づけ • 境界条件の設定 • メッシュの作成作業ステップの最後に，メッシュが作成表示される自動メッシュ <60s

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Amesim Embedded CFD デモモデル

3つ目のステップ：計算条件の設定と実行

• 計算条件の設定と実行 GUI

計算実行 <90*s

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Amesim Embedded CFD デモモデル

最後に • 温度や速度等の結果から，選択したものを3D表示 • 計算値 (平均温度，圧力，流量等) を.csvファイルに出力出力 ~10s

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Amesim Embedded CFD デモモデル

カップリングのスキーム • まず1Dモデル部分の計算を行う • 1Dモデル計算出力を3D側で読み込む (熱交換量, 車速, ファン駆動状態, …) • 3D計算を実行 • 3D計算結果を，1D側に受け渡す (熱交換器まわり，温度流速分布マップ)

Heat exchanger load

Air Velocity map on HEXs

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Amesim Embedded CFD デモモデル

1D側の計算結果も確認可能（Amesim側）

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Embedded CFD概要

他用途への適用可能性，まとめ

エンコパ内風流れデモモデル

Agenda

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他用途への適用可能性

油圧コンポーネント • 詳細な圧力損失計算 • ジェットフォースエンジン熱マネージメント油/水温およびブロック温度車室内温度 • 車室内風流れ分布の計算 • 輻射熱解析（形状の考慮）

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車室内 Embedded CFD 例

1Dモデルでは車室内を複数容積に分割 3D-CFDで流速分布等を計算

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まとめ

主な特徴

• LMS Imagine.Lab Amesimに統一された作業環境

• パラメトリックな3D形状モデル

• 3D CFD (RANS = Reynolds Averaged Navier Stokes)を風流れ計算に使用

• フレキシブルな1D-3D連成方法 (必要なときに3D CFDをコール)

• AmesimのAdd-onライセンスとして機能を提供 (Rev16, Dec 2017)

• 様々な用途への拡張予定 (Rev16以降) 主な利点 • より精緻な解析結果をCADの無い設計初期段階で行うことが出来る • 3D形状影響を考慮しながら，速い過渡応答シミュレーションが可能 • 詳細なCADを用いた場合とパラメトリックな形状を用いたEmbedded CFDにて計算結果の良い一致が見られた（弊社内検討結果）

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