塗料焼き付け炉のCFD ～思いもつかなかったCFDの応用～
皆さま、こんにちは。
IDAJの水島です。
今回は、オートノマスメッシング熱流体解析プログラム「CONVERGE」の開発元である、Convergent Scienceが公開しているBLOGの内容を翻訳してご紹介します。
CONVERGE以外の以前から使われてきたCFDコードにかかわったご経験があり、グリッド生成の作業に行き詰まったことがおありなら、ケース設定について多くの不満をお持ちではないでしょうか？
私の“不満リスト”の中をのぞきますと、範囲が幅広い長さスケール、移動形状、内部のコーナー、尖ったエッジを有する形状、長時間のシミュレーションがありました。
それらを踏まえると、基本的に、非常に複雑な流体の流れが多数あると、それらをCFDで解析してみようとは考えもしないでしょう。
そんな私がこのシミュレーションを見たときの驚きを、きっとご理解いただけるものと思います。
もしもこの記事の読者ご自身が自動車工場を経営していて、車両の骨格を組み立てされているとします。
ユニボディを塗料スプレーブースに通し、湿った状態のホワイトボディ(BiW）ができ上がりました。
次は何をしますか？
最悪の環境化であっても、数十年はキープさせなければならない塗料は、ほこりのない、慎重に管理された条件下で、最適な温度と湿度で硬化させる必要があります。
それに使われるのが、塗料焼き付け炉。
いくつかの溶接パネルで構成される塗装前の筐体（BiW）の表面形状（出典：wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/Body_in_white#/media/File:Suzuki_Alto_(GF)_hatchback,_body_in_white_(2010-10-16)_04.jpg）
組み立てラインの中の塗料焼き付け炉では、BiWは多数の熱風ジェットの中をゆっくりと通過し、放射加熱要素によっても加熱されることがあります。その目標は単純で、塗装面全体を安定かつ一定した状態にすること。
しかし、その目標の達成までのプロセスは単純ではありません。隅の方や割れ目は、気流があまりあたらない場所にあったり、放射熱からも隠されていることがあります。
アメリカ中西部の人なら誰でも知っているように、狭い表面形状の塗装は幅広い板金と同じくらいの耐久性が必要です。
なぜなら、塗装のちょっとした欠陥が、一晩で錆の斑点に変わる可能性があるからです。
この問題は、計算領域またはボリューム上で積分される基準ではなく、点別の影響に注意を払わなければならないため、実験での分析は困難です。しかし、計算で立ち向かうにも同様に腰が引けてしまうテーマです。
長さスケールはどうでしょうか？
約10メートルの計算領域がありますが、BiWには指を通せないような穴があり、形状全体は動いています。
内側には角と尖ったエッジがたくさんあり、しかも型抜きされた鋼なのです！
そして、形状はカタツムリほどの移動速度で10メートルの計算領域を移動します。これは、計算流体力学者の私にとって最低の悪夢です。
いえ、CONVERGEを知るまでは悪夢以外のなにものでもありませんでした。
CONVERGE Studioに表示されるBiWと炉の形状（小さな四角は炉のジェットの配列）
もちろん、自動メッシュ は、単純な箱内の乱流よりも幾何学的に複雑な流れに対して時間の節約というメリットをもたらします。
特に、ここでご紹介した形状は、自動メッシュなしでは本質的に対処不可能なものです。
以前、私が使用していたツールでは、メッシュ作成だけに何ヶ月もの時間を使ったとしても、ここまで到達できなかったことでしょう。
また、4面体メッシュの数値的欠点はよく知られているところでもあります。
CONVERGEでは、CONVERGE Studioに形状を読み込み、物理モデルを設定して、計算を実行するだけ。
長さスケールや複雑な表面の特徴が問題になりそうですか？
それは、埋め込みメッシュと解適合格子細分化（AMR: Adaptive Mesh Refinement） が処理してくれます。
移動形状など些細なことです。計算に時間がかかるでしょうか？
計算時間などは問題にもなりませんよ。
勾配分解メッシュを、正確な非定常ソルバーと高度な物理モデルと組み合わせると、BiW全体の表面熱伝達をいつでも計算することができます。
表面温度を予測する場合は、CONVERGEの熱連成モデルとスーパーサイクルを追加してください。絶望的な分析タスクのように見えたものが、単純な機械的操作になることでしょう。
BiWに衝突する炉のジェットを示す速度の等密度面
私たちはCFDエンジニアとして、常に解析している問題に対して欠陥を見つけ、改善案を見つけられるようにトレーニングを受けています。
CONVERGEのまったく新しいアプローチを使用すると、これまでの常識では扱うことができるなど考えもしなかった流れを簡単に解析できるのです。
出典：CONVERGENT SCIENCE BLOG（2017年8月10日公開）
主任研究員 Erik Tylczak
CONVERGEをご存じでない皆様、是非こちらをご視聴ください。CONVERGEの概要について9分で確認いただけます。
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