複雑なグリッド作成のための柔軟性向上 - 多相流モデルのためのルーズコンタクトインターフェース

多材料領域シミュレーションにおける標準的なインターフェースは、図1の左に示されているようにコンフォームメッシュインターフェースです。ここでは、最初の領域がオレンジ色で、2番目の領域が青色で表示されています。このインターフェースは熱伝達シミュレーションに非常に正確で、インターフェースの一方の領域の各境界面には一意のシャドウ境界面があります。両方の境界面は同じ面積を持ち、隣接する領域の面との間に隙間や重なりがありません。すべてのシャドウ境界面は同じ境界領域および同じ材料領域に属します。しかし、このインターフェースを使用したメッシュ生成は柔軟性に欠け、全体のメッシュを一度に作成する必要があります。

図1の右に示されているように、ルーズコンタクトインターフェースは大きく異なります。ここでは、一方の領域のインターフェースの境界面が複数のシャドウ境界面を持つことができます。一般的に、最初の領域の境界面とシャドウ境界面は異なる表面積を持ち、シャドウ境界面は異なる境界領域や異なる材料領域（図1の右の緑色の領域）に属することがあります。隙間や重なりが許容され、同じ材料領域内の接触インターフェースもサポートされます。このような計算メッシュでは熱伝達の精度がやや低下する可能性がありますが、メッシュ生成プロセスにおいて最高の柔軟性が得られます。各メッシュ部分を他の部分から独立して作成できるからです。

ルーズコンタクトインターフェースの機能は、単相用として2023 R2から、オイラー多相用として2024 R1から利用可能です。

CFDフローソルバーは、インターフェースでのエネルギーバランスを計算します。標準的なコンフォームインターフェースとルーズコンタクトインターフェースの両方において、境界面でのインターフェース温度を得るために熱流束がバランスされます。多相シミュレーションでは、油や蒸気などの異なる相の熱流束や、沸騰や凝縮による相変化による熱放出も考慮する必要があります。ルーズコンタクトインターフェースは、材料領域間の熱抵抗をサポートし、インターフェースでの温度ジャンプを引き起こします。このインターフェースは、以下の多相モデルに実装されています。

• 相変化のない一般的な多相流（対流熱伝達のみ）
• 一般的な壁沸騰モデル
• 浸漬焼入れモデル
• ジェット衝撃モデル
• RPI沸騰モデル
• 壁面凝縮モデル

ルーズコンタクトインターフェースは、図2に示されているようにAVL FAME™のメッシュ生成プロセス中に定義されます。FIRE MソルバーGUIでは、別途設定は必要ありません。

多相用の新しいルーズコンタクトインターフェースは、一般的な壁沸騰モデルを用いた浸漬焼入れシミュレーションに成功裏に適用されました。提示された例は若干変更されています。CrMoステンレス鋼ラックに配置された4つのスチールギアの油焼入れがシミュレートされています。計算メッシュには3つの領域インターフェースがあり、ギア - 流体、ラック - 流体、ギア - ラックがすべてルーズコンタクトインターフェースで接続されています。ギアとラックの初期温度は900°C、油と空気の初期温度は20°Cです。メッシュは静的で、油は最初の6秒間に4 cm/sの速度で下から領域に入って浸漬プロセスをシミュレートします。

適用された一般的な壁沸騰モデルは、膜沸騰、遷移沸騰、核沸騰の各領域間をシームレスに移行する強力なモデルです。ライデンフロスト温度と遷移温度（核沸騰から遷移沸騰への変化）はモデルの入力値です。油焼入れと与えられた初期温度の場合、主に遷移沸騰と核沸騰が予想されます。そのため、ライデンフロスト温度は1025°Cに設定され、このシミュレーションでは到達しません。これにより、熱伝達は遷移沸騰、核沸騰、および純粋な対流領域でモデル化されます。臨界熱流束係数は0.3に設定され、遷移温度は525°Cです。一般的な壁沸騰モデルのモデルパラメータ設定の詳細と有用なヒントは、ユーザーマニュアル（2024 R1のFIRE Mユーザーマニュアルのセクション5.5.2.4.7.1を参照）に記載されています。物理時間は300秒で、シミュレーションはオイラー・オイラー二流体シミュレーションとして実行されます。

シミュレーション結果は図3に例示されています。左の図は、10秒後のギアとラックの固体表面温度分布と油体積分率の等体積を示しています。油焼入れプロセスの初期段階では、ギアの隣にある4つの上昇する蒸気柱によって明らかに見られるように、蒸気の形成が強いです。図3の右側には、ギア（赤）とラック（青）の平均温度曲線が示されています。ラックの熱質量が大きいため、冷却は遅くなります。また、500°Cから600°Cの間で曲線の傾きがわずかに変化するのが見られます。これは遷移沸騰と核沸騰の領域間の移行です。時間経過モードでのスチール焼入れプロセスの動画は図4に示されています。なお、温度のカラーバーはより分かりやすくするために各時間ステップで調整されています。

検証のために、ルーズコンタクトインターフェースを使用したシミュレーションと標準的なコンフォームメッシュインターフェースを使用したシミュレーションを比較しました。動作点とモデルが同じであるため、シミュレーション結果は非常に類似しているはずです。図5はギアとラックの平均温度の比較を示し、図6は200秒後の瞬間表面温度分布の比較を示しています。両方のシミュレーションの間には完全な一致があります。一般的な壁沸騰モデルのメッシュ依存性が低いため、結果はほぼ同一であり、実装が正しく機能していることを示しています。

2024 R1リリース以降、FIRE Mのオイラー多相にルーズコンタクトインターフェースが利用可能になりました。これは、多相におけるすべての種類の共役熱伝達問題をサポートし、熱接触抵抗を正しく考慮します。ルーズコンタクトは、コンフォーム多材料インターフェースの強力な代替手段です。一般的な壁沸騰、RPI、壁沸騰、浸漬焼入れ、衝撃焼入れ、および壁面凝縮がサポートされています。一般的な壁沸騰モデルのメッシュ依存性が低いため、ルーズコンタクトとコンフォーム領域インターフェースのシミュレーション結果には優れた一致があります。FIRE Mの一般的な壁沸騰モデルは、すべての関連する沸騰領域をシームレスにカバーする独自の壁沸騰モデルです。