流体解析入門者向け超初級講習会@関東修正版

2014年7月13日流体解析入門者向け超初級講習会@関東修正版今野雅（オープンCAE学会，株式会社OCAEL）

流体解析入門者向け超初級講習会@関東修正版

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今野　雅（オープンCAE学会　株式会社OCAEL)


•OpenFOAMとは? •例題：バックステップ流れとは? •FreeCADによるモデルの作成 •HelyxOSによるメッシュの作成・条件設定・計算実行 •ParaViewによるポスト処理 •質疑・応答

目次

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目次

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2014年7月13日流体解析入門者向け超初級講習会@関東修正版今野雅（オープンCAE学会，株式会社OCAEL） 4

OpenFOAMとは?

GPL Open Source

C++マルチフィジックスポリヘドラル

カスタマイズ可能低コストな超並列計算

境界適合Hexメッシャー

乱流モデル: RAS, LES, DES, … 線型ソルバー : AMG, PCG, PBiCG, … 離散化スキーム: …多数のモデル実装済

∂T

∂t+∇ • φT −∇ • (αT ) = ST


• 1989年ー2000年：研究室のFORTRANコード時代(GeCo+GUISE)、開発元：英Imperial CollegeのGosman研(Star-CDの開発元)の Henry Weller, Charlie Hill(GUI担当、→Apple→IBM)

• 1993年夏：事故により全コード消失。C++で書き直し(FOAM)

• 1999年ー2004年：商用コード期 (FOAM) Field Operation And Manipulationの略、開発元：∇Nabla(Henry, Hrvoje Jasak, Mattijs Janssensら)、代理店：CAEソリューションズ(フルイドテクノロジー)

• 2004年12月：オープンソース化 (現在のOpenFOAMに名称変更)、開発元：OpenCFD(Henry, Mattijs, Chris Greenshields)

• 2011年8月15日：SGIによる買収、GPL下のソースの管理や配布は、同時に設立されたThe OpenFOAM® Foundationが運用

• 2012年9月12日：ESIによる買収、Foundationによる運用は継続

OpenFOAMの歴史


MRFSimpleFoam 回転攪拌槽の流れ

pisoFoam LESによるバックステップ流れ

出典：「OpenFOAMチュートリアルドキュメント作成プロジェクト」

interDyMFoam 撹拌槽内の流れ

標準ソルバの解析例(チュートリアル)


移動格子ソルバの解析例(チュートリアル)

スクリューの回転流れ場出典：「OpenFOAMチュートリアルドキュメント作成プロジェクト」

ピストン押し込み流れ翼型の6自由度剛体運動


相変化ソルバの解析例

出典：「OpenFOAMチュートリアルドキュメント作成プロジェクト」

interPhaseChangeFoam 弾丸周りのキャビテーション

interPhaseChangeDyMFoam プロペラ周りのキャビテーション

速度

相率


OpenFOAMの稼働環境

大学・研究所スパコン

PC スーパーコンピュータクラスタクラウド大型計算機

理化学研 K

クラスタ

PC

ノートPC

クラウドサービス

FX-10


ソルバー：OpenFOAM標準でも多機能かつオープンソースによりカスタマイズ可能であるため、商用CFDコードと比べても遜色ないポストプロセス：ParaViewが十分高機能でPythonによりバッチ可能プリプロセス：GUIツールが無く、初心者によって難しいのが難点

2012/8 オープンソースのGUIプリプロセスツール登場

HelyxOS (Engys)

商用版もあり

OpenFOAMのGUIツール



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✓流路中に段差(backward facing step)があり，再循環領域の渦を伴なう複雑な流れであることから，乱流モデルのベンチマークとして多用される ✓PitzとDailyによる実測(1981)のケースがチュートリアルにある

✓今回は形状が単純で，笠木らによる実測のデータがWEBで公開されている以下のバックステップ流れを演習する

[1] Nobuhide Kasagi, Akio Matsunaga: Three-dimensional particle-tracking velocimetry measurement of turbulence statistics and energy budget in a backward-facing step flow, International Journal of Heat and Fluid Flow, Vol.16, No.6, pp.477-485, 1995[2] 3-D PTV Database of Turbulent Flows http://www.thtlab.t.u-tokyo.ac.jp/PTV/ptv_database.html

Ux = 10.0 m/ p = 0 Pa

y

x

s ::

例題：バックステップ流れとは?



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FreeCADとは✓3D汎用CAD

✓フィーチャーベース・パラメトリック・モデラー

✓オープンソース(GPL&LGPL)

✓マルチプラットフォーム(Windows、Mac、Linux) ただし、各OS版毎に実装状況や安定性が異なり、概ねWindows版が最も進んでる

✓メニューやWEB上のマニュアルも和訳されている


DEXCS2013 for OpenFOAMの起動画面

•各種解析ツールが上部に並んでいる •使いたいツールをクリックすることで起動できる

DEXCS2013 for OpenFOAM(R) リリースノート


TreeFoamの起動1. アイコンをクリックしてTeeFoamを起動

TreeFoamはOpenFOAMのファイルを管理、モデル作成、条件定義、計算実行およびポスト処理を統合的に扱えるGUI


新規作業フォルダの作成

1. 作業フォルダを作成したいディレクトリを選択し右クリック

2. 「新しいフォルダを追加」を選択

3. folder名を聞かれるので適当な名前 (ここでは”CAE”)を入力

4. OKを押す


作業フォルダの選択

1. 作成した作業フォルダを選択

2.「選択ケースを解析ケースとして設定」ボタンをクリック

作業フォルダにはフォルダ名の左側にチェックマークが表示される

作業フォルダはTreeFoamで起動されるアプリケーションのファイル入出力のフォルダとなるので必ず実施すること!


FreeCADの起動

FreeCADアイコンをクリックしてFreeCADを起動


モジュールの選択

2.「Complete」モジュールを選択

1. モジュールの選択メニュー

Completeモジュールでは全操作が選べる．今回の演習ではPartモジュールでも可能


モデルの新規作成

「新しい空のドキュメントを作成します」をクリック


ナビゲーションスタイルの変更

ビュー画面で右クリック →「ナビゲーションスタイル」 →「Inventor navigation」

デフォルトの「CAD navigation」は少し特殊なので，直観的な「Inventor navigation」に変更しておく．もちろん好きなナビゲーションスタイルを使って良い


ナビゲーションスタイルの操作確認1. 編集メニュー→設定

2. 表示 4. 「マウス」を押す

5. マウスボタンの操作法を確認したらCloseを押す

3. 3Dナビゲーションが「Inventor navigation」であることを確認


Boxの作成

1.「Create a box solid」アイコンを押す

2. Boxを選択3. 選択したオブジェクトが緑色になる事を確認

4. 「データ」タブを選択し，Boxのプロパティを表示


寸法の変更

1. Height: 2mm，Length: 30mm， Width: 3mm と入力する

2. Boxの寸法が変更された事を確認


二つ目のBoxの作成

3. Height: 2mm，Length: 2mm， Width: 1mm と入力する

1.ステップ部作成のため「Create a box solid」アイコンを押す

2. 寸法を修正するため「Box001」を選ぶ


切り欠き

2. 「ブーリアン演算」ボタンを押す

1. 作成したオブジェクトを選択する． (Ctrlで個々を選択，またはShiftを押しながらドラッグ)


切り欠き

1. 「Difference」(オブジェクトの差分)を選択

2. 最初の図形に「Box」(大きいほう)，2番目の図形に「Box001」(小さいほう)を選択

3. 「Apply」を押す


切り欠き

下の図のような形状になれば，切り欠きに成功しているので，Closeを押す


面への分解

1. ブーリアン演算で生成されたオブジェクトCutを選択

2. 「オブジェクトの分解ボタン」を押す


面への分解

「オブジェクトの分解ボタン」をもう一度押す


面への分解

各面が面オブジェクト(Face00N, N=1～7)に分割される


流入面の形状ファイルの出力

1.流入面を選択

2. 「ファイル」→「エクスポート」


流入面の形状ファイルの出力

1. 「Mesh formats」を選択

3. 「inlet.ast」を入力(注)

4. Saveを押す注) FreeCADではASCII形式のSTLファイルの拡張子はast

2. 保存先がTreeFoamで指定したフォルダになっている事を確認


流出面の形状ファイルの出力

1.流出面を選択

2. 「ファイル」→「エクスポート」


流出面の形状ファイルの出力


3. 「outlet.ast」を入力

4. Saveを押す



壁面の形状ファイルの出力流入・流出面以外を選択 (ShiftキーでFace001からFace007までをドラッグして選択し， Ctrlキーを押しながらFace006をクリックして選択解除)


壁面の形状ファイルの出力「ファイル」メニュー→「エクスポート」選択


壁面の形状ファイルの出力


3. 「walls.ast」を入力

4. Saveを押す



FreeCADファイルの保存と終了


1. ファイル名「backstep」(任意)と入力

3. Saveを押す

4. 「ファイル」→「終了」または「×」で画面を閉じる


形状ファイルの拡張子変更

1.作業フォルダをダブルクリック

2. 「inlet.ast」を右クリック

3. 「名前の変更」を選択


形状ファイルの拡張子変更

1. 拡張子をstlに変更(注)2. 「outlet.ast」と「walls.ast」

も同様に拡張子をstlに変更する

注) OpenFOAMやTreeFoamではASCII形式のSTLファイルの拡張子はstl



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HelyxOSの起動

HelyxOSボタンを押す (TreeFoamのHelyxOSボタンでないことに注意)


解析用フォルダの作成

3. OKを押す

1. 「New Case」ボタンを押す

1. ケース名を指定する (任意)


TreeFoam作業フォルダの変更1. 更新ボタンを押す

2．作業フォルダの下に先程指定したケース名のフォルダが出来るので選択する

3．このボタンを押して解析caseとして設定する


形状ファイルの特徴辺の抽出

1. TreeFoamのHelyxOS ボタンを押す

2. 参照ボタンを押す

3. STLファイルを保存したフォルダを選択する 4. 決定ボタンを押す

注) 特徴辺とは形状データ中で隣接する2面がある程度の鋭角を持つ辺



1. stlチェックボタンを押す

2. エラーが無いことを確認後，OKボタンを押す



1. Dict編集ボタンを押す

2. stlファイルを選択する

3. OKボタンを押す



特徴辺抽出用設定ファイルsurfaceFeatureExtractDictが生成されたことを確認後，OKボタンを押す



geditエディタで特徴辺抽出用設定ファイルsurfaceFeatureExtractDict が開かれるが，変更が無いので，このまま閉じる



1. Dict実行(抽出)ボタンを押す

2. 特徴辺(特徴線)の抽出を確認後，OKボタンを押す


形状ファイルの読み込み

1. HelyxOS上で，SurafaceRegionsを選ぶ

2. import STLボタンを押す

3. stlファイルを選ぶ

4. Openボタンを押す


特徴辺ファイルの読み込み

1. Linesの+ボタンを押す

2. 特徴辺ファイル(*.eMesh)を選択する

3. Openボタンを押す


ベースメッシュと分割数の設定1. Base Meshを選ぶ

2. User Definedを選ぶ

3. 上記のように座標と分割数を指定する．ベースメッシュは形状ファイル(X:0-30, Y:0-3, Z:0-2)を包含している必要がある．分割幅をX:0.6，Y,Z:0.2として，その分，座標と分割数を調整する


メッシュ内部点の設定

1. General Optionsを選ぶ

注)内部点はベースメッシュの界面や辺上にあってはならないので，形状ファイルの領域の角の少し内側を指定するのが良い

2. 下記のように，内部点を指定する(注)．電球ボタンを押すと位置を示すマークが表示される．このマークをドラッグしても位置が移動される

内部点がモデル外の場合の格子

内部点がモデル内の場合の格子

3. Create Meshボタンを押す


メッシュの作成

1. Create Meshボタンを押すとSaveダイアログが出るので，Saveボタンを押す

2. メッシュ生成ログが端末に表示され，終了後プロンプトが表示される


HelyxOSでの条件設定

1. メッシュ生成が終了したら，フォルダを開くボタンを押す

2. そのままOpenボタンを押す


HelyxOSでの条件設定1. Solution Modelingメニューであることを確認する．(今後設定を変更してからメニューを移動する場合は以下のダイアログが出るので，問題が無ければOKボタンを押して続ける)

2. Time: Steady(定常=流れの時間変化無し) 3. Flow: Incompressible(非圧縮=流体の密度変化が非常に小さい) 4. Model: Standard high-Re k-ε(標準高Re型k-εモデル)


流体物性の入力1. 流体の物性パラメータを指定するMaterialsメニューを選択する

2. Databaseボタンを押す

3. Helyxではデフォルトの物性ライブラリがあるので，waterを選択する

4. OKボタンを押す


境界条件の設定(流入条件)1. Boundary Conditionsメニューを選択する

2. inlet_Meshを選択する

3. Patch(流入・流出面)型を選択する

4. Momentum(運動量)は以下のように設定する


境界条件の設定(流出条件)

1. outlet_Meshを選択する

2. Patch(流入・流出面)型を選択する



境界条件の設定(壁面条件)

1. walls_Meshを選択する

2. Wall(壁面)型を選択する



計算条件の設定

Boundary Conditionsメニューを選択し，計算条件を確認する．今回はデフォルトのままで変更無し

解析開始時刻(*)

(*) 定常解析では反復回数

解析終了時刻(*)

結果保存間隔(*)


解析

1. Runメニューを選択

2. Startボタンを押す3. Saveを押す


解析終了

1. 端末にソルバーのログが表示される．最後に1000ステップ目のログとEndが表示され，プロントで入力待ちになれば解析終了

2. Fileメニュ→Exit選択 3. OKボタンを押して， HelyxOSを終了



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paraFoam(ParaView)の起動1. 「paraFoamの起動」を押す

2. Applyを押す


Z方向中心断面表示

1. Sliceフィルタを押す

2. 「Z Normal」を押す

3. 「Show Plane」のチェックを外す


流速ベクトル図1. 「Last Frame」を押して最終時刻(ステップ)に移動

2. ベクトル表示のため「Glyph」フィルタを押す

3.「2D Glyph」を選択

4. Applyを押す

5. 速度の大きさで色付けするため「○U」を選択

6. 十字を消すため「Show Center」トグルをオフ


ステップ後流の循環渦

1.「Scale Mode」でoffを選択

2. Editをチェック3.「Set Scale Factor」を0.3程度の値にする

5.マウスでステップ後流を拡大すると，循環渦が確認できる

4. Applyを押す


流線

1. Glyphフィルタ前の目ボタンを押して，流速ベクトルを非表示

3.「Stream Line」フィルタを押す

2. 一番上のオブジェクトを選択(注)

注) 流線を描くには，断面ではなく解析領域全体の速度のデータが必要なので，Sliceフィルタの下流ではなく，上流のオブジェクトから接続する

4. Applyを押す


流線の調整

「Integrator Type」を「Runge-Kutta 4」に変更する

「Initial Step Length」を「0.02」に変更する


流線のシードの変更

1. 「Seed Type」を「Line Source」に変更

2. 直線の2端点の座標には以下を設定

注)シード(種)から速度ベクトルを積分して線をつなげたのが流線


ステップ後流での循環渦の流線表示

1. Sliceフィルタを選ぶ

2. 速度の大きさで色付けするため「○U」を選択3. 「Color Legend」のボタンを押す

4. Color Legendをドラッグで移動

5.マウスでステップ後流を拡大すると，循環渦の流線が確認できる


まとめ

•バックステップ流れを例に、モデル作成、メッシュ分割、条件定義、計算実行および解析結果の確認という解析フローの一連の流れをDEXCS2013 for OpenFOAMを使用して実践した。

•本実習で使用したDEXCS、FreeCAD、OpenFOAM、ParaViewとHelyxOSはオープンソースソフトなのでソフト、ライセンス料を支払う必要がない。

•今回使用したソフトはWeb上で情報が集めやすく、自学自習がしやすいのも特徴である。


Any questions?

謝辞この講習会資料はオープンCAE勉強会@関西幹事の川畑氏が作成されたオープンCAE勉強会@関西向けの講習会資料を，ご本人の承諾を得てオープンCAE勉強会@関東の講習会向けにリメイクしたものです．

ここに感謝の意を示します．

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流体解析入門者向け超初級講習会@関東 修正版

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